拖拉机安全舒适座椅设计全套图纸

毕业设计说明书论文(全套CAD图纸) QQ 36396305 编号（学号）：12254013毕 业 论 文 （设 计）（ 2012 届本科）题 目： 拖拉机安全舒适座椅设计 学 院： 工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2013 年 6 月 4 日毕业论文(设计)任务书论文(设计)题目拖拉机安全舒适座椅设计下发任务日期2013.05.01学生姓名 指导教师 教授一. 论文（设计）主要内容对座椅的设计包括总体设计和部分零部件的设计，总体设计包括对座椅的设计最优方案选择、座椅设计内容的确定；部分零部件的设计可分为座椅底座设计、座椅靠背设计、座椅减震系统设计。利用Ansys软件对减震系统的截锥螺旋压缩弹簧进行分析，得出它在受到载荷时应力的分布、共振频率，然后根据这些数据指导座椅的设计。并且建立人座椅模型来模拟驾驶员的工作状态，得出座椅的仿真运动，以此指导座椅的设计内容。二.论文（设计）的基本要求1.有关资料的收集：要求尽量收集第一手资料，资料要真实、可靠、有代表性。2 资料的整理与分析：要求条理清晰，数据分析详尽。3 查阅相关文献：要求贴近主题，有参考价值。4 认真撰写论文，字数在10000字以上。三.论文（设计）工作进度安排阶段论文（设计）各阶段名称日期1座椅在国内外的研究现状的资料收集2012.4.12012.4.152查阅相关文献2012.4.162012.4.203座椅总体设计2012.4.212012.5.14撰写论文初稿2012.5.12012.5.105集合总体设计，对座椅的零件进行设计2012.5.102012.5.256论文完成2012.5.26 2012.6.12备注：四.应收集的资料及主要参考文献（指导教师指定）1、拖拉机驾驶座椅的人机工程学设计文献2、自动控制原理文献3、拖拉机座椅系统动态舒适性的设计综述研究资料说明：此任务由指导教师填写一式两份，一份发给学生，一份发给指导教师留存。沈阳农业大学毕业论文（设计）选题审批表选题名称拖拉机安全舒适座椅设计题目来源指导老师提供学号12254013姓名余东专业机械设计制造及其自动化指导教师张本华职称教授研 究内 容1.座椅底座尺寸设计、结构设计。2.座椅靠背尺寸设计、结构设计。3.座椅减震系统设计。4.座椅关键零件分析。研 究计 划 1.先从网络、图书馆和指导老师处收集与拖拉机座椅安全舒适设计相关的文献资料，对这些文献资料进行筛选、归纳，总结自己所需要的文献资料。2.对座椅进行总体设计，最优方案选择、零部件设计，及其减震系统的设计。3.对座椅的设计编写任务说明书，对照任务说明书对座椅的零件进行校核。4.对关键零部件进行进一步分析，校核。5.对设计说明书进行修改，对整个设计进行论证。6.设计完成。特 色 1.利用截锥螺旋压缩弹簧对座椅进行非常有效的减震设计。 2.座椅靠背和座椅底座采用凹凸面设计。指 导 教 师 意 见教 研 室 意 见学 院 意 见毕业论文（设计）指导记录学生姓名余东专业机械设计制造及其自动化指导教师姓名张本华职称教授本年度指导毕业生人数论文（设计）题目拖拉机安全舒适座椅设计时间地点指导内容学生签字：年 月 日 指导教师签字：年 月 日教研室主任签字：年 月 日沈阳农业大学毕业论文（设计）考核表论文题目：拖拉机安全舒适座椅设计姓名：余东 学号：12254013 专业：机械设计制造及其自动化指导教师评语：指导教师（签字）： 年 月 日评阅人评审意见： 评阅人（签字）： 年 月 日答辩委员会意见：主任委员（签字）： 年 月 日注：答辩委员会意见除填写简要评语、给出成绩外，还要提出是否授予学位的建议。目 录中文摘要（关键词）1Abstract2前言31 拖拉机安全舒适座椅总体设计 41.1 拖拉机安全舒适座椅理论设计思路41.2 座椅的设计内容51.3 座椅设计方案比较51.3.1 座椅采用普通压缩弹簧与座椅采用截锥压缩弹簧方案比较61.3.2 座椅采用整体式与座椅采用框架式方案比较 102 拖拉机座椅零部件设计122.1 座椅底座设计 122.1.1 座椅底座主动振动仿真分析 122.1.2 座椅底座高度、宽度、长度、倾角的尺寸设计 152.2 座椅靠背结构设计 162.3 座椅靠背宽度、高度、倾角尺寸设计 163 拖拉机座椅截锥螺旋压缩弹簧分析19 3.1 截锥螺旋压缩弹簧实体模型的建立 19 3.2 截锥螺旋压缩弹簧静力分析 19 3.3 截锥螺旋压缩弹簧的自振频率计算 214 结论22参考文献 23致谢 25附录 26键入文字键入文字键入文字摘 要拖拉机座椅是拖拉机驾驶员工作的第一环境，以往的拖拉机座椅都是直接采用座垫保证座椅的安全舒适，但本篇论文是通过对拖拉机驾驶员的身体几何尺寸的分析，设计出拖拉机座椅的合适座椅底座宽度，座椅底座长度，座椅底座高度，座椅靠背宽度，座椅靠背高度靠背与座椅底座角度及座椅底座自身角度。利用solidworks软件对座椅整体进行模拟绘制，确定座椅整体及零部件尺寸；利用cad软件对座椅整体装配图进行绘制及座椅的重要零部件绘制，确定部分零部件的精确尺寸及装配条件；在整个设计过程中，对于座椅最重要的零件截锥弹簧，采用ANSYS软件对截锥螺旋压缩弹簧进行静力分析和模态分析，通过ANSYS的建模、加载、求解、结果分析等的过程，并与理论解进行比较，判断求解精度; 利用前馈型自适应控制系统的最小均方值算法,对座椅振动实施主动控制,以改善座椅的动态舒适性。建立六自由度人体座椅系统模型和主动振动控制系统模型,并在Simulink 下进行仿真。关键词：设计；模拟绘制；静力分析；主动振动控制仿真分析Abstract Tractor seat is the first work environment to Tractor driver , the traditional tractor seat directly uses seat cushion to ensure the seat safe and comfortable . In this article , through the analysis of the tractor drivers body geometry size , designing the right seat base width of the tractor seat, seat base length , seat base height , the seat back width and height , the angle of the seat back and seat base. Use solidworks software to simulate drawing the whole seat , determine the seat parts and the whole s sizes of the seat . Use CAD software to draw the whole seat assembly and important paint components ,determine the exact dimensions of the seat parts and the assembly conditions to the seat . In the designing process , for the seat the most important seat parts is the cut cone helical spring , use ansys software to analysis the cut cone helical springs static and modal characteritics , through the process of ansys modeling, loading, solving, result analysis, etc,then compared with the theoretical solution,judge the precision . Based on the minimum mean square value filter of feedforward adaptive control system,and take active controlment for the implementation of seat vibration in order to improve the dynamic comfort seat . Set up six degrees of freedom, human body -seat system model and active vibration control system model ,and simulated in Simulink. Key words: Design; Simulation draw；Static analysis；Active vibration control simulation analysis前言驾驶座椅设计的良好与否直接影响着驾乘者的健康。长时间坐在拖拉机座椅中，若是脊椎得不到应有的支持，则腰部就会因弓弯而造成椎骨、椎盘、肌腿的负荷，进而导致慢性肌肉疲劳并产生酸痛;再加上长时间维持相同坐姿，还会造成脊椎压力过大而导致椎间盘突出，若是压迫到神经，容易发生麻痹的想象。然而，在驾乘拖拉机的过程中，脊椎除了不一定保持停滞状态外，也会跟着路况的变化而改变，这些情况下，脊椎的变化也就更加复杂，其所导致坐姿不良的状况，会引起腰酸背疼或慢性的肌肉发炎，加上拖拉机工作环境比较恶劣，所以驾乘拖拉机时，对人体健康影响很大1。拖拉机座椅是影响驾驶与乘坐舒适程度的重要因素。舒适而操作方便的驾驶座椅, 可以减少驾驶员疲劳程度,降低故障的发生率，拖拉机驾驶员座椅设计优劣与否直接关系到驾驶质量2。拖拉机中的座椅是人与车接触的界面,人们驾驶拖拉机的舒适性主要与座椅有关。随着科学技术的发展和生产力的提高,人们对工作、生活、休息质量的要求不断提高,以前的那种从拖拉机座椅到拖拉机座椅设计模式已不能满足日益丰富的工业产品的生产以及广大消费者对它的期望3。这就要求拖拉机座椅设计者在设计产品的时候能充分将人的因素、产品使用的环境因素甚至整个社会的文明文化合理地、科学地运用其中。在设计中必须始终将人的因素贯穿在整个设计的始终。技术的发展要围绕人的需求来展开,产品和环境的设计要更好地适应和满足人类的生理和心理的特点,这已逐渐在产品的设计生产者和消费者中形成共识4。因为靠背主要是驾驶员放松时用来承载力的，所以座椅靠背设计宽些5。现代的工业设计师意识到:产品是否能够被用户接受及被接受的程度不但取决于产品的市场因素如技术特征、价格和服务,而且越来越多地取决于产品的外观造型和人机工程学设计6。随着我国农业机械化的提高，越来越多的拖拉机已走进千家万户。拖拉机座椅设计的好坏直接影响着驾驶员身体的健康状况。因此设计出一种能够适合我国广大拖拉机驾驶员的拖拉机座椅意义很大7。1 拖拉机座椅总体设计1.1 拖拉机安全舒适座椅理论设计思路拖拉机座椅安全舒适设计原理：通过一套从座椅底座到座垫的减震装置使拖拉机在行驶时，将拖拉机自身及其外部对拖拉机作用产生的震动消除，通过拖拉机座椅左边的拉杆向里压，使座椅底座和座椅靠背连接处空套连接，这时就可以调节座椅靠背的倾角，此外，通过调节座椅在滑道上前后位置以满足体型不同的驾驶员，对座椅进行四向调节，使驾驶员舒适驾驶；在驾驶过程中，在座椅两侧加上挡板，避免拖拉机侧翻将驾驶员压住，使驾驶员安全驾驶，座椅初步设计图1，如下图1 座椅整体设计拖拉机座椅的设计要考虑静态和动态性能要求8。一个舒适的拖拉机座椅要求如下:(1)座椅底座应该提供一个舒适的坐姿和控制姿势。(2)它应该降对低操作员的机械冲击和振动。(3)它应该稳固操作员并提供容易控制机器的作用。(4)它的位置相对于拖拉机,为驾驶员提供足够的视野,让驾驶员安全快速的完成工作。(5)座椅底座支持大腿的重量和上身，座椅底座和座椅靠背须支撑体重大部分。图2 股骨在正常位置的缩略图(6)一个好座椅应该支持脊柱姿势接近正确的曲率（图2）。不应该是软的靠背调整到后面,防止疾病。(7)座垫前面的膝盖和臀部肌肉应该去改变驾驶员的位置,这样来缓解压力和对肌肉的挤压。(8)拖拉机座椅能为身体在连续工作时间内提供舒适环境。这就要求调整座位以适应不同的人群。拖拉机上发生的大量的运动都是由驾驶员用不同的身体部位承担26。其中一个例子是转向的拖拉机,座椅和控制机器的执行和操作离合器、制动器、液压控制杠杆有一定的运动时间差，这时，这些不同的机构分别将运动作用给驾驶员的臀部、腿等不同身体部位。而拖拉机座椅是影响这些组成部分之一的因素，拖拉机座椅设计可以用来作为一种手段来修改荷载结构来减轻操作人员身体的不适。尽管拖拉机处于振动的动态环境中，但农业拖拉机的驾驶要求驾驶员维持一个稳定的姿态。可以发现舒适的拖拉机座椅上的应变对拖拉机驾驶员在运行过程中产生的作用，与传统拖拉机座椅相比：人体能量消耗将会减少13 - 29%来进行驾驶拖拉机。结果表明, 提高正确设计的拖拉机安全舒适座椅对保证驾驶员的工作效率和舒适的操作有很大的帮助，进行各方面的主观试验拖拉机座椅设计,从而使它适合不同的环境27。1.2 座椅的设计内容座椅的设计内容主要是从座椅机构和座椅结构这两个方面考虑，主要内容：（1）在座椅底部与座椅靠背连接支撑杆上加上一个拉杆机构来将靠背调整一定的角度，适应不同的人群，使拖拉机驾驶员以舒适的姿势进行操作。（2）在座椅底部即承载驾驶员重量的下方采用网状支架，不仅可以在拖拉机震动时，均匀承载，缓慢卸去受力，使驾驶员有震感，而不会出现不舒服的感觉，从心理上设计可以提高驾驶员的注意力。此外，采用这种结构还可以减少座椅的材料及其制作费用，降低座椅制作的成本。（3）座椅靠背采用下宽上窄的结构，驾驶员在操作过程中腰部和背部受力较大并且不均匀，靠背下方的部分将卸去大部分冲击，（4）座椅底部盘向后倾斜一定角度。（5）座椅底部采用凹面形式，使驾驶员在座椅上不易打滑。（6）座椅靠背与座椅底部形成一定角度。（7）座椅靠背采用凹面形式，使驾驶员腰部和背部较为均匀的接触。1.3 座椅设计方案比较座椅的设计主要分为两个部分：座椅机构设计和座椅结构设计。座椅机构设计中最重要设计之一是座椅底座设计，座椅底座是拖拉机驾驶员第一工作环境，对驾驶员的操作有着第一影响力的作用，设计出安全舒适的座椅从座椅底座的安全舒适出发就很重要了。由于拖拉机的振动较为剧烈，对于座椅舒适性的设计，结合大学所学的知识，我采用了弹簧减震元件，但弹簧种类不同，其性能差异也比较大，因此，结合弹簧中的两种类型进行全面分析，做出最佳弹簧方案的选择。对于现代工业来讲，各种机械之间互换性配合是很重要的，而装配时，由专业技术人员装配和出厂后的装配在整个装配精度上有时会相差很大，对座椅的安全舒适性就会产生巨大影响，因此，对于座椅结构设计采用座椅整体装配出厂和零部件出厂的方案进行全面分析，选择最佳方案。1.3.1 座椅减震弹簧采用圆柱压缩弹簧与座椅采用截锥压缩弹簧方案比较（1）圆柱压缩弹簧弹簧的材料参数为9：弹簧采用油淬火回火碳素弹簧钢丝 E弹性模量，2e11 Pa泊松比，0.3材料密度，7800kg/m3圆柱压缩弹簧刚度: 表1 弹簧参数：组别D(mm)d(mm)NNzt(mm)1（圆）256.541+111.5圆柱弹簧受载后的轴向变形量 ：=8FD23 n/Gd4=8FC3n/Gd式中n为弹簧的有效圈数；G为弹簧的切变模量。这样弹簧的圈数及刚度分别为 ：n=Gd4/8FD23=Gd/8FC3k=F/=Fd4/8D23n=Gd/8C3n对于拉伸弹簧，n120时，一般圆整为整圈数，n1Fcr，应重新选择有关参数，改变b值，提高Fcr的大小，使其大于Fmax之值，以保证弹簧的稳定性11。表2 圆柱弹簧不稳定系数弹簧两端均为固定端,所以，当圆柱压缩弹簧在受力时，b=5.3 此时临界载荷Fcr=0.5X31500X63=992N因此，所受力F=496N(2)截锥螺旋弹簧：弹簧的材料参数为：弹簧采用油淬火回火碳素弹簧钢丝 E弹性模量，2e11 Pa泊松比，0.3材料密度，7800kg/m3设计模型中的各物理参数：a、b截锥涡卷螺旋弹簧弹簧板材料厚度和宽度（截面为矩形）d截锥螺旋压缩弹簧材料直径（截面为圆形）R2为弹簧最外层的半径R1为弹簧最内层的半径， t为弹簧节距n为弹簧的有效圈数nz弹簧支撑圈数G质量块m重力等节距截锥螺旋压缩弹簧（较小，不自锁）；弹簧刚度表3 弹簧参数：组别R1(mm)R2(mm)d(mm)Nnzt(mm)1（圆）20306.541+111.5由于截锥螺旋压缩弹簧的螺旋角比较小，当弹簧受到轴向荷载作用时，可近似地看做各弹簧圈材料截面受到如下扭矩 （1）在单位轴向荷载作用时，材料截面所受扭矩 （2）将上两式代入弹簧轴向变形的一般积分公式得： （3）又 又根据截锥螺旋压缩弹簧的弹簧圈半径表达式可得 （4）从而得 （5）将此式代入（3）式，并改取积分限由到，得变形计算式 （6）对于圆形截面材料，极惯性矩，代入上式，得 （7）由此可得截锥螺旋弹簧的刚度计算式为 （8）其中，将弹簧参数代入可求得弹簧刚度为：F=33010N/m。截锥螺旋弹簧稳定性：变刚度弹簧以其独特的刚度特性在工业各领域得到广泛应用，截锥螺旋弹簧是这种非线性特性螺旋弹簧的典型代表11。这种弹簧在受荷载初期，特性线是直线，即刚度不变，当荷载逐渐增大时，弹簧从大圈开始逐渐接触，有效工作圈数随之减少，而刚度逐渐增大，直到所有弹簧圈压并为止。该弹簧的变刚度特性引起了弹簧自振频率变化，使得在不同外扰频率作用力下弹簧变刚度运行，从而实现较宽频率范围内为共振峰，可以有利于消除或缓和共振。图4为截锥螺旋压缩弹簧及其特性线12。这种弹簧在受力后特性线的OA段是直线，当荷载逐渐增大时弹簧的大圈开始逐渐接触，有效工作圈数减少而刚度逐渐增大，一直到所有的弹簧圈完全压并为止。其特性线AB段为渐增型。这种弹簧的刚度是变值，所以自振频率也是变值，有利于防止发生共振，因而多用于需要减振的场合。 图4 截锥螺旋弹簧及其特性曲线经过上面的比较可以得出以下结论：选择刚度接近的圆柱压缩弹簧和截锥螺旋弹簧，圆柱压缩弹簧可承载受力值为50kg,这不能满足广大驾驶员的身体尺寸值，此外，截锥螺旋弹簧的稳定性比圆柱压缩弹簧的强，所以，选择截锥螺旋弹簧方案较好。1.3.2 座椅采用整体式与座椅采用框架式方案比较从理论上分析，座椅采用框架式可以使得部件到了一个地方进行装配，这样可以在运送过程中将总的座椅质量分成几部分，减轻每次的运送量；如果座椅的零部件坏了，可以直接拆卸，重新购买零部件装配，这些都是整体式座椅不能实现的。但整体式座椅在使用时，可以方便准确的安装，它安装精度较高。从受力方面进行分析（图5）： （a）框架式 (b) 整体式图5 座椅结构比较受力图图中框架式结构将座椅所受的力的转移到座椅支撑结构上，而整体式结构中座椅受力都分给了座椅座垫等机构上，由于框架式中的支撑机构采用的都是强度较大构件，其支撑能力大，而整体式结构中座椅座垫等主要受力构件其强度不大，对其毁坏作用较大。但采用整体式可以将驾驶员的作用力减弱，提高其座椅舒适性。经过上面的比较可以得出以下结论：座椅安装不需较高的精度，有截锥螺旋弹簧进行主要减震工作，整体式结构就没有框架式结构明显，所以，采用框架式结构为最优方案。与传统拖拉机座椅相比，本次设计的座椅主要是在座椅底座加了两侧板防止拖拉机侧翻直接压住驾驶员造成驾驶员的伤害（图6）；取消拖拉机座椅头枕，简化拖拉机结构，降低座椅制造成本(图7)；采用截锥螺旋压缩弹簧元件，将提高了座椅的舒适性。图6 本次设计拖拉机座椅（a）(b)图7 传统拖拉机座椅2 拖拉机座椅零部件设计根据不同身体尺寸数据得出座椅的几何参数，即座位尺寸(长度、宽度)及其曲率和倾角,靠背的大小(高度和宽度)及其曲率与倾角,设计出一个安全舒适的座椅28。座椅的特点会影响驾驶员的姿势和静态的舒适性。座垫和封装材料也会极大地影响驾驶员的舒适性感觉。根据对农业工人人体测量数据(图8)设计适合的拖拉机座椅高度、臀部宽度、 座椅宽度、座椅靠背宽度和高度以及座椅靠背倾角。座椅的几何参数是通过在我国拖拉机座椅设计的基础上编制完成人体测量数据,回顾相关文献,遵循是ISO(4253)标准29 ，确定的。图8为人体测量的尺寸，在设计拖拉机座椅时，根据人体测量资料书可获得：(一) 拖拉机座椅高度、座椅长度、 座椅宽度、座椅靠背宽度和高度以及座椅靠背倾角。结果和讨论显示，我国拖拉机驾驶员的平均年龄是33岁，选男性受试者10年，平均身高和体重分别为163367毫米和54.58.7公斤。通过在设计原则的基础上，拖拉机座椅人体测量数据可以通过我国驾驶员每15分座椅底座和靠背座位后改变一次，他们得到的最优值是拖拉机座椅宽度、座椅长度,靠背的宽度,座椅高度和靠背倾角。图8 人体测量的尺寸2.1 座椅底座设计座椅底座的设计是整个设计的重点，它是驾驶员工作过程中一直接触的第一工作环境，因此，它是影响驾驶员安全舒适驾驶的直接的、关键性的因素，对座椅进行仿真分析以获得实际的数值和真实的工作状况是至关重要的。2.1.1 座椅主动振动仿真分析拖拉机乘坐舒适性包括静态舒适性和动态舒适性,前者主要与尺寸参数、表面质量、调节特性等有关,后者主要与振动特性有关。在3个减振环节中, 座椅系统动态参数的改变对拖拉机的实用性能不会有明显影响。设计表明,就坐时人体模型的动态特性对拖拉机座椅的动态性能有很大的影响,因此,结合科学合理的人体模型来综合设计和改善座椅的动态性能及隔振效果,对于提高拖拉机乘坐舒适性有着十分重要的意义12 。（a） 人体座椅系统模型由于乘员所受到的振动冲击当中,影响最大的是垂直方向的振动,为此,设计人员建立了许多种垂直方向的人体线性模型。虽然建立的模型越来越复杂,但模型性能并没有显示出比简单模型有更大的改进13 。1997 年Boileau14 提出了四自由度人体模型,根据该模型计算出的理论曲线,在频域中与实验结果无论在幅值上还是在相位上都比较吻合,所以本文采用了该模型。该模型将座椅上的人体分为4 个质量块: 头部质量块,主要包括头部和颈部; 上躯干质量块,包括手臂、肩部和胸部; 下躯干质量块,包含上躯干和臀部之间的各个器官; 臀部质量块,包括臀部和大腿。4 个质量块间通过刚度阻尼系统连接,如图7所示。图9 人体座椅系统模型六自由度人体座椅模型如图9 所示,其中,mh 为头部质量; kh 为颈部等效刚度; ch 为颈部等效阻尼; mu 为上部躯干质量; ku 为上下躯干间等效刚度; cu 为上下躯干间等效阻尼; ml 为下部躯干质量; kl 为下部躯干与臀部间等效刚度; cl 为下部躯干与臀部间等效阻尼; mt 为臀部及大腿质量; kt 为臀刚度; ct 为臀部阻尼; kc 为座垫刚度; cc 为座垫阻尼; ms 为座椅质量; ks 为座椅刚度; cs 为座椅阻尼; zh 为头部质量块垂直位移; zu为上部躯干质量块垂直位移; zl 为下部躯干质量块垂直位移; zt 为臀部质量块垂直位移; zc 为座垫垂直位移; zs 为座椅质量块垂直位移; z0 为车身垂直位移;AVC 为主动振动控制器。经过对座椅结构的设计,建立了二自由度的座椅系统模型,在模型当中将质量集中为一个座椅质量块,座垫抽象为无质量模块,通过刚度阻尼系统与座椅质量块相连,同时座椅质量块也通过弹簧和阻尼系统与车身相连。如图7所示。(b) 座椅座垫震动仿真分析在人体座椅AVC 系统仿真中, 人体模型各项数据如下15 :mh = 5.131kg , kh =310kN/ m , ch = 014kN s/ m , mu = 28.149kg ,ku =183 kN s/ m , cu = 4175 kN s/ m , ml =8162kg , kl = 16218kN/ m , cl = 41585 kN s/ m ,mt = 12178kg , kt = 90kN/ m , ct = 21064kN s/ m。座垫质量mc = 0 , 座垫的刚度kc一般为718 1118kN/ m , 这里取kc = 8kN/ m ,cc =01357 kN s/ m。座椅质量一般取为人体质量的5/ 716 ,所以取ms = 40kg ; 座椅刚度ks =34kN/ m、阻尼cs = 0125 kN s/ m。根据以上数据,在Simulink 下建立Gs 、Gsh 、Gsu 、Gsl 、Gst 传递函数模块。AVC 系统通过提前编制好的程序实现。(c) 座椅座垫震动的性能仿真由于人体的共振峰值一般处于46Hz 频率区间17 ,所以这里采用频率为5Hz 的正弦信号作为车身的振动输入,振幅取为15mm。仿真得到人体4 个质量块的加速度曲线,如图10所示。由图10可知,在没有AVC 系统的情况下,人体各个部分的振动加速度幅值几乎都在5m/ s2 以上。所以说,普通的被动隔振座椅的隔振效果较差;相对而言,加入AVC 系统后,头部和上躯干的振动加速度幅值在1s 后降到了115m/ s2 以下,下躯干的加速度幅值也几乎都在3m/ s2 以下,臀部和大腿质量块的振动加速度幅值虽没有前3个质量块降低明显,但也有约20 %的降低。所以加入AVC 后,身体各部分的振动有了明显的降低,主动振动控制座椅的隔振效果明显。(d) 座椅座垫震动得出的结论(1)仿真结果表明,采用AVC 系统,可有效降低车身振动对人体的影响,提高了拖拉机座椅的动态舒适性。(2) 仿真结果同时表明,目前拖拉机上普遍采用的被动隔振座椅的隔振效果较差,直接影响了拖拉机座椅的动态舒适性。（a) 头部加速度曲线(b) 上躯干加速度曲线（c) 下躯干加速度曲线（d) 臀部和大腿加速度曲线图10 仿真结果(3) 由仿真结果也可以看出,AVC 系统的收敛速度不快,几乎都是在1s 后才有较好的控制效果,而且系统对臀部质量块的减振效果并不明显,这些将是系统进一步完善解决的问题。2.1.2 座椅底座高度、宽度、长度、倾角的尺寸设计座椅高度应该足够,这样可以避免过度的压力压在下方的大腿上。而这种压力可能会降低小腿血液循环。座椅高度应低于距离下方的脚凳腿当驾驶员坐在座椅上即通过座椅高度来减少过多的压力。我国标准建议座椅高度不能超过540毫米。座椅高度理想值对我国农业工人应为366毫米。因此, 即使驾驶员穿上鞋子，在我国拖拉机最佳座椅高度（图11）应为380毫米30。 图11 座椅底座高度 图12 座椅底座宽度和长度为了保证驾驶员舒适、方便姿势变化,座位宽度应大于驾驶员臀部宽度。它不应小于400毫米。我国的农业工人的理想值介于362和396毫米之间。根据统计局的资料，我国标准(GB),这个座椅宽度（图12）应不少于450毫米18。因此,基于这个值应该考虑人体测量420 - 450毫米,包括保障操作工作的波动幅度。 座椅长度要大于臀部长度值，应该有足够间隙的小腿与背前沿的位置。座椅长度不应太长了,让驾驶员双腿支撑抵抗振动。我国西部的男农业工人臀部长度介于379和362毫米之间。因此,这个座位长度（图12）不应低于362 mm。国际推荐的座位长度为40050毫米。Zander推荐的座椅长度为380毫米，我国男性的身材有1750毫米，因此,座位长度为37010毫米的适合我国拖拉机驾驶员19。 一个座位向后倾斜,会产生两个方面的作用。第一,重力的作用使背走向座椅靠背,从而支持背部肌肉。第二,稍微倾斜的座位将有助于防止打滑的渐进的驾驶员的座位。我国标准推荐一个座椅底座倾角（图13）介于3 - 12之间。最佳座位向后倾斜倾角=5 - 7，这样舒适性和安全性是适合拖拉机驾驶员31。图13 座椅底座倾角2.2 座椅靠背设计 座椅靠背设计主要考虑驾驶员的舒适性，由于拖拉机驾驶速度较慢，不易发生车祸，可以不设计靠背头枕，但拖拉机驾驶环境较差，因此，座椅靠背的设计是至关重要的。2.21 座椅靠背宽度、高度、倾角尺寸设计一个座椅靠背的功能是维持一个轻松的脊髓的姿势。一定形状和倾斜的靠背都是非常重要的20。该尺寸很简单联系座椅靠背上腰椎地区距离下方的臀部和座椅宽度。我国农业工人座椅靠背宽度值（图14）介于253和357毫米之间。梯形形状可以提供座位靠背上具有较小宽度等因素对拖拉机的上方有操作工的空闲的那只手的运动。因此,建议的座位靠背宽度在底部和顶部应为380 - 400和270 - 290毫米,分别包括补助给操作工的波动幅度21。如果有座椅衬垫，背垫高度测量压缩在座位上面。许多设计人员建议靠背的一个开放的地方应该至少容纳125 - 200毫米的部分及臀部上方座椅里,让腰部很好地靠上。一个高靠背防止全面的移动手臂和肩膀后面和运行期间观看在拖拉机上液压控制杠杆。国际推荐的座位靠背最低高度为260毫米。我国驾驶员座椅靠背低于448毫米。因此,靠背的高度应该是348毫米(350毫米),减去100毫米自由座椅高度。拖拉机座椅应该支持的背腰部,只应独立可调21。 图14 座椅靠背宽度 图15 座椅靠背倾角座椅靠背的倾角有两个目的。首先,它防止了驾驶员打滑；其次,它使驾驶员靠着背垫(腰部)与下他的背和臀部部分的支持。为了使这些拖拉机座椅的角度在舒适区域,该角度应该在95 - 105之间。最好有一个可调靠背倾角（图15）该倾角定为100，提供更好的拖拉机座椅倾角支持21。调整方法：通过驾驶员压座椅左杠杆与座椅底座的相对轴向位置来使座椅靠背和座椅底座相对运动，而座椅左套手与座椅底座与靠背连接杆通过圆柱螺旋拉伸弹簧固定靠背连接杆或者使靠背连接杆浮动的作用来（如图16）产生一定的角度，座椅右套手通过旋转弹簧在5的范围使的靠背的旋转角度在95-105变换，从而达到调整座椅靠背倾角的目的。拉伸弹簧的选择：表4 螺旋拉伸弹簧参考资料所选弹簧的节距t=（H0-D）/n=(15.5-7)/8.5=1圆柱螺旋拉伸弹簧的结构： 图a 图b图16 座椅底座与靠背连接杆作用图示连接原理：座椅左套手通过拉伸弹簧与座椅底座和座椅靠背连接杆连接，如图b所示，座椅底座和座椅靠背连接示意图，座椅左套手只能在轴的轴向方向进行运动，因此，通过左套手上的8个棘与座椅底座侧面的8个空进行棘条拔出与插入的转向调节，即可实现座椅靠背转动获得所需功能。3 拖拉机座椅截锥螺旋压缩弹簧分析分析的意义：拖拉机驾驶员驾驶过程中，由于路面的不平整，拖拉机主动震动的因素，使驾驶员感觉在座椅上颠簸，本次设计的座椅旨在消除这些因素，让驾驶员安全舒适的驾驶。座椅主要采用截锥螺旋压缩弹簧减震系统来实现其功能要求。 3.1 截锥螺旋压缩弹簧实体模型的建立阿基米德螺线 ，亦称“等速螺线”。当一点P沿动射线OP一等速率运动的同时，这射线有以等角速度绕点O旋转，点P的轨迹称为“阿基米德螺线，它的极坐标方程为：r = a22。中心线同时在z方向上匀速上升。为了便于加载，约束，我们将弹簧分为三段建模：下部支撑段，有效工作圈，上部支撑段。这3段在z方向上分别上升d，nt，d。通过*do循环命令，建立中心线上的481个关键点，然后利用BSPLIN语句光滑连接各个关键点形成空间曲线，最后通过lcomb命令将每个工作段内的线加成一整条线，以便于拖拉形成体。利用ANSYS分析软件，生成实体模型图17：图 17 截锥螺旋压缩弹簧实体模型3.12 截锥螺旋压缩弹簧静力分析对于接触问题，应该考虑接触非线性影响23。调用上部所得有限元模型，通过接触向导，设置目标面单元targe170，接触面单元contac174，并设置单元实参，控制法向接触刚度因子FKN为0.1，最大渗透范围FTLON为0.1，将目标面单元和接触面单元附属到所有面上，进行接触网格划分，然后进行静力求解24。因为求解的问题是从线性到非线性的变化过长，激活自动时间步长以便根据需要自动调整时间步长。对有限元模型下部支撑段下面的线的节点进行所有方向的约束，在加载时通过选中上部支撑段线上的节点，将1000N的集中力均布加到各个节点上。结果如下：图18 弹簧荷载-变形曲线图19 弹簧刚度-变形曲线由此可得ANSYS模拟的变刚度弹簧的刚度曲线基本符合实际规律，在线性阶段刚度基本不变。由于所加荷载较小，所以刚度曲线的上升段不是很明显。图20 弹簧变形图图21 弹簧应力图通过压并图，可以发现弹簧压并后并不是所有的簧圈都落在一平面上，而是重重叠加在一起。根据实际经验发现，当时，弹簧可以压并在同一平面内，否则弹簧不能被压并到同一面上，在该题中，所以不能被压并到一平面上，拟合效果与实际一致。通过应力图分析，发现该弹簧模型在1000N的压力作用下，大部分区域的mises应力在500Mpa左右，在上部支撑段和下部支撑段，应力较小，在几十Mpa范围内，应力最大的区域在弹簧下部支撑段顶点与工作圈接触的地方，应力达到上千Mpa，但是该区属于应力奇异区，对实际应用影响不大，不作分析。根据实际受力分析可以发现，弹簧的上部支撑段和下部支撑段的截面上的应力主要是有剪应力引起的切应力，而有效工作段除了受剪力引起的切应力外，还包括扭矩引起的切应力。由此可以发现ansys的应力模拟效果基本与实际一致。因为本题建模时考虑的是将荷载均布到上部支撑圈顶端的节点上，所以偏心效果不明显，基本看不到。3.13 截锥螺旋压缩弹簧的自振频率计算（1）、手算弹簧刚度及质量弹簧系统在压并前的自振频率弹簧参数： 20 30 6.5 4 1+1 11.5 200（2）质量弹簧系统在压并前的自振频率v = （9）式中 为弹簧的刚度，为当量质量。查得相关资料如下25：表5 弹簧数据资料弹簧的质量ms=*=*s*L=*d*d/4*n*（R2+R1） 得到ms=1.62610-4kg （10）质量块的质量m=F/g=20kg （11）可见，ms/m =1.626x0.0001/20=18.1310-6，从而由表（5）查得,=0.2故当量质量me=4* *(m+* ms)= 789.6kg （12）由（9）式可得质量弹簧系统在压并前的自振频率为：=(33010/789.6)0.5=6.466Hz在实际应用中，应该尽量使外扰激励避开这个自振频率范围67Hz，防止共振出现。分析得出结论:采用截锥螺旋压缩减震弹簧可以在非共振频率范围内，当震动较为剧烈时，由截锥螺旋压缩减震弹簧的线性区域特性进行快速减震；当震动频率高时，由截锥螺旋压缩减震弹簧的非线性区域特性进行稳稳减震；因此，这将非常有效的减少座椅底部对驾驶员的震动作用，使驾驶员舒适驾驶。4 结论本次设计过程中，首先充分利用网络资源，对我国整个拖拉机市场进行调查，集合自己的农业经验，并综合老师给的资料，结果表明：我国拖拉机市场处于很大的缺口状态，拖拉机座椅的安全舒适性较差。所以，对于拖拉机中的驾驶员驾驶座椅设计有着至关重要的意义。设计过程中，主要考虑拖拉机座椅的安全和舒适性（其中，舒适性为着中设计的内容），对座椅的设计分总体设计和零部件设计。总体设计主要是对座椅设计的内容选择、座椅整体机构的设计以及几种方案的比较，然后选择其中较为合理的。零部件设计主要是座椅底座和座椅靠背两部分，座椅底座考虑到是驾驶员的第一工作环境，保证其对驾驶员的安全舒适性是整个设计中最关键的内容之一。由于拖拉机不采用座椅安全带，座椅底座采用两个侧板以保证拖拉机在侧翻时对驾驶员的身体保护；拖拉机工作时，震动较为剧烈，采用好的减震系统就很必要了，设计中，对选择截锥还是圆柱弹簧进行了一点的方案比较，结果表明最终采用截锥螺旋压缩弹簧进行整个座椅第一减震体系较好；拖拉机工作环境不稳定，因此，拖拉机工作环境中的震动作用在设计中也进行了仿真分析，得出了拖拉机座椅的震动自振频率，对设计座椅舒适性起到指导性作用。参考文献1龚锦编译.人体尺度与室内空间M.天津：天津科学技术出版社，1987:35-41.2中国农机院，中国农机学会.拖拉机与拖拉机驾驶员M.中国农业机械出版社，1985：54-62.3许英，朱序璋等.拖拉机驾驶座椅的人机工程学设计N.机电产品开发与创新杂志，2008，3:2-44王继成.产品设计中的人机工程学M.北京：化学工业出版社，2004：11-345中国农机院,中国农机学会.拖拉机拖拉机驾驶员J.中国农机院，中国农机协会，1985,1:3-86刘春荣.人机工程学应用M.上海：上海人民美术出版社，2004:21-347孙凌玉，陈全世.人机工程学在轿车车身安全性设计中的应用J.西安：“中国公路学报”，2001,1:3-58周一鸣.拖拉机人机工程学M.北京：机械工业出版社，1988，第一版:21-349张超勇，冯佩兰，李峰.拖拉机制造工业工程M.北京：机械工业出版社，2009:11-2310程悦荪.拖拉机设计M.北京：中国农业机械出版社，1981，第一版:46-7111张祖立主编. 机械设计M.第一版.北京：中国农业出版社,2004:98-17912王金武主编.互换性与测量技术M. 北京：中国农业出版社,2002:23-6713周静卿,张淑娟,赵凤芹主编. 机械制图与计算机绘图M. 第一版.北京：中国农业大学出版社,2007:65-118 14张本华主编.理论力学M.北京：中国农业出版社，2007：6-3715刘鸿文主编.材料力学M.第四版.北京：高等教育出版社，2004：12-4816鄢景华主编.自动控制原理M.修订版.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2001:14-5717洪庆章等编著.ANSYS教学范例M.北京：中国铁道出版社,2002年5月：3-5818傅志方.模态分析理论与应用M.上海：上海交大出版社, 2000年7月:7-31319巩云鹏等编著.机械设计课程设计M.沈阳：东北大学出版社，2000年7月：98-10720魏峥主编.solidworks教程M.北京：高等教育出版社，2006:35-7721黄斌,蒋祖华. 拖拉机座椅系统动态舒适性的设计综述. 拖拉机科技,2001 (6) :131622陈克安. 有源噪声控制. 北京: 国防工业出版社,200323Bylund S H; Burstrm L . Power absorption in women and men exposed to handarm vibration. International Archives of Environmental and Occupational Health, 2003,76, 31331724Gupta P K; Sharma A P; Gupta M L . Anthropometric survey of Indian farm workers. Agriculture Mechanisation in Asia Africa and Latin America, 2001,14(1), 273025Karunanithi R; Tajuddin A;