山地车后悬架的优化设计与动态仿真外文翻译资料

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山地车后悬架的优化设计与动态仿真

摘要:本文研究了后悬架山地车的动态设计方法。首先，建立了骑手与山地车耦合系统的多刚体动力学模型。骑手模型包括19具骨骼，18个关节和118块主要肌肉。其次，为了验证模型的可行性，设计了一个实验测试来反映真实的循环状态。最后，针对提高驾驶员振动舒适性的性能，通过计算机仿真和统一设计，对后悬架的比例参数进行了优化。通过回归分析，建立了振动性能中的数学模型和设计变量。结果表明，当侧链长度为90mm，连杆长度为336.115 1 mm，吸收器与侧杆的夹角为60°时，山地车具有更好的振动舒适性。本研究及相关结论对山地车后悬架系统的设计具有现实意义。

关键词：山地车、模型构建、动态仿真、实验试验、活力舒适性、优化设计

1引言

从现代社会开始，越来越多的机器人和自动化设备进入我们的生活，为人类服务。在过去的20年里，山地自行车，或越野自行车，已经发展成为普通公众生活的一个重要元素。与公路自行车不同，山地自行车的主要特点是它的粗糙骑行。因此，充满活力的舒适性性能一直被认为是骑行安全性和可操作性的重要标准，而动态设计是获得更好的性能的有效方法。在山地车（1）的动态分析中，需要考虑三个重要因素来建立精确的骑手-山地车耦合系统数学模型；（2）建立振动对骑手舒适度影响的可行评价标准；（3）设计一种有效的山地自行车测量方法。

多年来，已经有了许多有价值的尝试来对山地车进行动态分析。早期的模型是基于多体系统动力学理论。“参考资料”[1–3]是一个很好的开始，有一个很好的参考文献列表。他们开发了一个具有6个刚体的山地车和骑手的动态模型来估计结构负荷和骑手引起的能量损失。创建了一个带有固定骑手的硬尾山地车的结合图模型，以发展对自行车在极端机动时的性能的预测。韦克特[6]等人，雷德菲尔德建立了一个骑自行车系统的数学模型，将自行车作为四个刚体，而骑手作为一个单个刚体。Chen等[7]用亚当斯和LifeMOD软件建立了摩托车和骑行的模型，讨论了骑行的舒适性。MENG等[8]也用亚当斯和LifeMOD软件构建了自行车和骑手模型来分析下肢肌肉活动。

在文献中没有关于振动对自行车骑手舒适度影响的评价标准的信息。一般振动性能的评估总是参照ISO2631-1机械振动和冲击评估人体接触全身振动-第1部分：一般要求[9]，标准中的身体是一个被动振动物体，它不同于自行车骑手，他不仅是被动振动物体，而且是驾驶物体。因此，ISO2631-1可能不适用于这里。

在实验试验中，泰特尔斯塔德[10]等人建造了一个滚动的道路试验装置，前叉抓住支架，后轮在钢滚轮上旋转，以测量自行车的加速度和力。雷德菲尔德等[11]用特殊相机和专业的图像处理技术，用视频标记跟踪自行车和骑手。韦克特[6]等人，展示了一种测试方法，它可以达到真实的骑行状态，将测试仪器放在一个由骑手携带的背包中。因为测量是在一个在现实生活中遇到的越野路面，是由背包内的仪器表面同时引起的误差。

本文对上述文献的工作进行了以下方面的扩展：骑行者与山地自行车耦合系统的复杂模型、评价骑行者振动舒适性的相关方法、山地自行车的实验试验，以及通过仿真优化后悬架的尺度参数。

2动态仿真和循环实验试验

2.1动态模拟

2.1.1自行车模型

本文利用多刚体系统动力学理论建立了山地车的数学模型。

原型自行车是一辆全悬挂的山地车，车轮直径为660毫米（26英寸），材料为a-合金。前悬架采用了一个简单的套筒，后悬架是一个四杆联动机构，以摇杆（链保持）作为驱动杆。考虑到各刚体之间的复杂关系，利用亚当斯建立了动态模型。

利用Pro/E软件，建立了该组件的几何模型。得到了质量、转动惯量、重心位置等物理参数。然后，将该组件的物理模型作为亚当斯的输入，以添加约束和运动。动态模型如图1所示。

图1.骑山地车耦合系统的动态模型

自行车由一个由10个刚体组成的机械系统来表示，它与旋转和线性接头、弹簧和阻尼器连接在一起。刚体代表自行车系统的各个部分，即车架和车把（包括鞍座）、前叉套筒、后叉（座椅支柱）、后下叉（链条支柱）、连接杆（安装吸收器的一部分）、曲柄和中轴、前轮和后轮刚性部分、左踏板和右踏板。弹簧和减震器元件代表前后悬架系统的轮胎、弹簧和减震器。

2.1.2骑手模型

该骑手采用生物力学研究小组的LifeMOD[12]软件包进行建模。LifeMOD是最流行和最先进的生物建模工具。利用LifeMOD开发计算机模型来模拟人类的运动和活动，人类被视为一个机械系统。因此，人体由各个部分、关节、力量和一个反映四肢、关节、肌肉和神经肌肉系统的控制系统组成。它是亚当斯的一个插件模块，因此骑手模型可以与自行车模型相结合，以实现完整的动态互动。

在本文中，骑手是一名26岁的男性，身高1 750 毫米，体重65公斤。该模型由19个身体节段、18个关节和118个软组织（肌肉）组成。这些片段的质量属性和尺寸是用来自人体测量数据库的数据创建的。这些关节是运动学约束，用于连接两个相邻的身体节段。每一个都由一个三轴铰链关节约束和作用于特定关节的三个自由度上的被动或主动力组成。该模型采用了混合Ⅲ强度接头和被动刚度接头的组合。在逆动力学模拟过程中，被动关节在腿上以稳定模型，混合Ⅲ关节位于脊柱和手臂上，以便在正向动力学模拟过程中对自行车力的被动响应。LifeMOD中可用产生力的软组织类型是韧带和肌肉肌腱。这两种组织元素都只传递张力。韧带是被动的弹簧和阻尼器，肌肉-肌腱力由用于逆动力学模拟的训练元素和用于正向动力学模拟的训练元素组成。骑手模型如图1所示。

骑手的姿势被调整为连接在自行车的手，脚和骨盆与总线力元件。得到了骑手与山地车耦合系统的动态模型。

2.1.3运动模拟

假定自行车在x-y平面上移动，轮胎不允许离开地面。

骑行面为振幅25mm、500mm波长的正弦波路面。图1中自行车下的红色球体用于描述自行车与地面之间的相对运动关系。后轮可以向法线方向移动，前轮可以向法线和水平方向移动。

自行车模型配备了一个恒速运动的司机的曲柄臂，可驱动自行车踏板。由于脚附着在踏板上，腿在踏板循环中被驱动。在这个逆动力学模拟阶段，肌肉收缩的历史被记录下来。然后，肌肉被用于线性pd-伺服配方，以产生一个力来重建运动历史。这个过程需要停用运动代理和更新肌肉。最后，运动驱动从曲柄上移除，自行车由骑手模型踩踏。

可以得到车把、鞍座和后轴在y方向上的加速度振幅谱。均方根(有效值)加速度的计算并列在表1中。

表1.系统仿真的结果

2.2实验试验

为了验证该动态模型，需要对山地自行车进行实验的试验。裁判员[6]开发了一种测试方法，将测试仪器放在骑手携带的背包中。它相对精确，但引入了由于越野路面造成的测量误差。本文的实验结果为解决这一问题提供了一种更有效的方法。

试验在具有规范路面的摩托车试验场上进行，如正弦波路面、斜正弦波路面、比利时块路面、鹅卵石路面和颠簸路面。振动测量系统由一套安装在车把、鞍座和后轴向y轴上的加速度传感器组成。数据通过LMS测试进行放大和记录。实验室系统(SC305)由一辆汽车携带。整个条件几乎与模拟的条件相同，包括骑手的年龄、身高、体重、自行车和骑车的速度。当原型山地车运行时，带有仪器的汽车在与测试道路平行的平面上以相同的速度行驶。这样，确保测试自行车骑在一个真正粗糙的表面上，仪器不受表面的影响，因此获得的振动数据被认为是准确的。测试仪器及条件如图2所示。

图2.测试仪器及条件

为了给出一个有详细比较的例子，我们选择了模拟中常见的正弦波面。可以得到测试车把、鞍座和后轴在y方向上的加速度振幅谱。均方根加速度的计算结果如表2所示。

表2.试验结果

2.3结果分析

仿真和实验的均方根加速度比较如图3所示。

图3.仿真与试验加速度的比较

对于车把和后轴，测量和仿真对应较好，仿真值较低。对于鞍座，模拟值与测试值相比太小。原因可能如下：建模时以零件为刚体，不考虑变形；只模拟x-y平面的运动，认为轮胎总是与地面接触；以车把和主框架作为刚体，没有相对运动；不包括减震器端冲程或轮胎回弹引起的冲击力。

但振动的趋势是一致的：鞍座最低，车把下一个，后悬架的优化设计和动态模拟山地车后轴最高。因此，我们可以利用上述的动力学模型来研究其振动性能。

3后悬架的参数优化

对于山地车来说，充满活力的舒适性能一直被认为是骑行安全性和可操作性的重要标准。在山地自行车比赛中，骑手的反应主要是由粗糙表面的激发引起的。前后悬架均能有效地降低振动强度。前悬架通常采用伸缩式分叉，便于操作，而后悬架的设计更加灵活，并因其对振动舒适性的影响而受到人们的广泛关注。因此，本文希望优化后悬架的比例参数，以提高振动的舒适性。

3.1目标功能

国际标准ISO2631-1规定了人体暴露于全身振动下的机械振动和冲击评估。坐姿下的人体模型包括三个输入点（骨盆、背部和脚），轴向有12个振动。加权均方根加速度由人体对频率和轴向振动的敏感性加权，是评价振动的基本因素。身体舒适反应被定义为不同程度的均方根加速度。由于自行车骑手在驾驶体和被动振动体下的反应不同，因此在参考文献中规定的加权均方根加速度的极限值。裁判员[9]可能不适合自行车骑手。因此，本文仅根据加权均方根加速度法对振动舒适性进行了相对的评价。

本文将骑手-山地车系统看作是一个二维的动力学系统。骑手和自行车有三个接触面：手、骨盆和脚。手部振动性能的评估总是参考ISO5349-1机械振动-人体接触手部传递振动[13]的测量和评估。该标准的应用范围仅限于从8Hz至1 000 Hz的八度频带所覆盖的工作频率范围。在本文报道的实验中，激发态频率低于8hz。因此，我们认为手的振动的影响是可以忽略的。此外，在骑行过程中，自行车的摆动也被忽略了。

另一种假设是，骑手总是坐在自行车上，以恒定的速度移动。由于骑手的躯干具有自动调节的能力，且骨盆的俯仰振动较小，因此也忽略了单轴向旋转振动。因此，该振动模型可以简化为骨盆的两个轴向垂直（x和y方向）振动和足脚的单轴向垂直（y方向）振动。因此，利用振动加速度参数的均方根值可以评价振动舒适性，显示为

在该处 —骨盆x方向的有效值加速度；—骨盆y方向的有效值加速度；—足部y方向的有效值加速度；

，-频率权重[9]，在本文中，激发频率为2.8Hz，因此=2/2.8=0.7143和=2.8/4=0.7；

kx1，ky1，ky2-轴的权重[9]，在本文中，kx1=1，ky1=1和ky2=0.4。

因此，等式（1）成为

要最小化的目标函数是等式 (2).体积越小，振动舒适度越好。

3.2设计变量

为了帮助确定设计变量及其范围，在图4中建立了一个坐标。中心轴点O是坐标的原点。D点和A点是连接后悬架系统和自行车车架的点，G点是后轴，三角形DCG是摇臂（链杆），杆BC是连杆，杆AB是侧连杆，E点是安装吸收器的位置，吸收器的另一个位置是框架上的F点。

图4.设计变量及其范围

以车轮中心距离和车架结构为单位，后悬架的唯一设计参数为：1）侧杆长度，LAB表示；2）连杆长度，LBC表示；3）吸收器与侧杆的夹角，alpha;表示。所有这些都如图4所示。

3.3约束条件

考虑了空间限制、四杆连杆传动角限值、最大减震器长度和最大减震器长度和行程。假设E点的位置在AB条的中心。吸收器的另一端连接自行车车架，可以在JK内变化。后悬架系统上的其他杆的长度为：LDG=403mm、LDC=386mm和LDA=207mm。在本例中，假设有以下约束条件：LAB=90minus;130mm，LBC=310minus;380mm，alpha;=60°minus;100°。

3.4方法

基于骑手和山地车耦合系统的动力学模型，设计了一系列的仿真实验，得到了不同变量条件下的振动结果。为了减少仿真实验时间，采用均匀设计[14]，采用三个因素和21个水平。实验项目及实验结果见表3。

表3.实验项目及试验结果

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