国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司 南瑞集团有限公司 戴迎宏 胡华锋 孙万士

针对车载电子设备在运输和使用过程中，无法避免的会受到各种振动、冲击等因素的影响，设计出一种基于并联机构的减振装置，并通过仿真分析，验证了这一减振装置的有效性，为其大规模推广应用提供理论依据。

如今，在科技快速发展的支持下，车载电子设备类型越来越多，使用也逐渐广泛，不同行业对设备有着不同的要求。当车载电子设备在运输和使用时，无法避免的会受到各种机械力的作用，其中破坏力最大的是振动和冲击的影响。它们造成的破坏主要有强度破坏和疲劳破坏两种形式。为了减少或防止振动与冲击对电子设备的影响，对车载电子设备整体进行减振设计，减小外部激励对电子设备的作用力，研制出一种简单可行的基于并联机构的减振装置是具有重要现实意义的。

1 车载减振装置的现状

就减振的基本原理而言，当存在具有一定弹性及阻尼的材料进行振动能量吸收时，就可以达到减振目标。基于此，对于传统减振装置，多由塑料或者是橡胶加工而成，也可直接安装弹性阻尼类的减振装置，用于实现基于多个自由度实际情况的减振目标。然而，对非金属材料而言，由于它容易老化而丧失基本特性，寿命相对较短另外，对于弹性阻尼类的减振装置，其多为单自由度，想要在多自由度的情况下实现减振，要采用多层结构相组合的形式，但这样会使装置变得十分复杂。国外学者提出的基于单自由度条件的多层结构，即防振担架床，其结构十分复杂，其成本较高。为克服传统装置在结构及材料性能等方面的缺陷，可直接将并联机构作为全新形式的减振装置，目前这一想法已经在国内外得到初步讨论。但真正把并联机构用于多维减振当前还没有形成系统研究。对此，探讨将基于三自由度的并联机构用于车载减振的可行性，具体做法为在车载电子设备的安装表面及车厢地板衔接部位进行减振装置的安装，以此达到减振的目标（张俊红,徐子喻,李德胜,刘海.基于3-RPC并联机构的车辆座椅减振装置研究[J].机械设计,2015,32(02):26-31）。

2 车载减振装置的设计

2.1 车载减振装置基本要求

（1）当车辆正常行驶时，因路面不平整、车辆起步和刹车、中途加速与减速及转弯等实际因素的持续影响，车辆必定存在多维振动。对于多维振动，由于其十分复杂，所以要进行简化，仅沿着x向、y向与z向的振动。因此，对于连接车载电子设备和车体的减振装置，其主体机构存在至少三个自由度（黄贤群,杨桂浩,赖锦坤,陈晓萍.基于多维弹簧振子的减振蓄能装置的设计[J].电子世界,2017(14):187），且减振装置的自由度应与车辆行驶过程的振动维度相匹配。

（2）由振动产生的系统能量可通过包含机械、电磁等在内的多种形式来消耗及储存。对此，需要设置必要的弹簧和阻尼设置在主动副当中，借助弹簧具有的阻力特性进行缓冲及吸收外部激励的振动能量，以起到有效减振作用。

（3）因车辆中的空间有限，所以减振装置的结构应尽可能的简单，体积不能太大，为安装提供方便。

2.2 并联机构型综合

针对三自由度并联机构型综合这一实际问题，目前已经有许多专家及学者给予大量研究，比如以螺旋理论为基础对型综合方面的问题进行分析研究，实践表明，这具有良好指导作用与意义；以微动并联机构为依据，分析微操作机构方面的型综合问题；通过对群论等方法的合理应用，对三维平动并联对应的型综合进行分析。上述分析研究都提出相应机型，并且还有很多机型目前已经投入使用，取得了良好的效果。

将单开链确定为一个单元，基于现有研究成果进行机构类型的选择，在类型选择时，主要存在下列基本条件：第一，期望输出运动确定为三平移运动，而非期望的输出运动则是一个常量；第二，机构可以由下列部分组成：转动副R，移动副P，圆柱副C，万向节U，螺旋副H与球副S，同时尽量减少运动副的实际数量；第三，所有主动副都处在相同的平台上；第四，所有或个别的单开链支路都有一只的结构类型（朱小蓉,朱伟,沈惠平.磁流变并联减振系统半主动控制及实验[J].机械设计与研究,2010,26(01):40-43+47）。

对于减振装置的核心机构，即以多自由度为基础的并联机构，应满足基本条件，同时施以尺度优选，机构选型方面不仅要满足以上条件，还应根据输出维数开展针对性分析。对于输出维数，是指坐标系当中减振运动对应的自由度实际数量。在一系列运动输出类型当中，自由度为6的机型相比之下较多，对此，学者对这一并联机构实施了型综合，获取各个回路的一种等基本理论。而自由度在2-5范围内的机型则相对较少。找到和不同输出类型对应的机型，对基于并联机构的机型创新而言，是一个亟待解决的重难点。在这一方面已有报告给出了详细分析及统计，可为本次研究奠定良好的理论基础。

2.3 主体机构选型

在选择具体的主体机构类型时，应严格按照以下基本原则进行。

其一，所选择的并联机构的自由度由振动的维数决定；动、静平台一般互相平行。

其二，机构的构型应尽量简单，尽可能采取对称结构，各支路尽量采用相同的结构形式；选择的机构对应的构件数量和运动副的数量需要尽量少，运动副之间的空隙应尽可能的小。

其三，机构在进行正、反向的传动过程中，应具有良好传力特性，保证在传动的过程中不会自锁；转动中机构的最大压力角不大于许用压力角，提高实际传动效率，符合减振装置基本设计原理（刘芳华,吴洪涛,马履中,卢道华.空间三自由度减振装置在陀螺仪抗冲击中的应用研究[J].机械科学与技术,2008(03):379-381+385）。

其四，机构的实际运动幅值需要处在工作空间范围内，不会出现奇异位置；频率尽可能避开对工作性能有较大影响的共振点。

其五，在机构中，弹簧要有合适的刚度，以能够承受足够的载荷，又要避免车载电子设备发生较大的位移而影响减振效果。

其六，机构的构型尽量选择能完全或部分解耦的机型，方便分析机构的运动学、动力学和振动学。

其七，对阻尼值大小进行严格控制，确保其减振效果能够达到最佳。

根据车载减振装置的实际要求和选型原则，选择出性能优良，结构简单的有很实用的并联机构作为减振装置的主体结构。

2.4 模型构建

如图1所示，三平移减振装置模型中，下平台为静平台，上平台为动平台，外侧3个支路为对称分布，每个支路两端采用单自由度的移动副与动、静平台相连接。其中每个支路一端与静平台垂直固定连接，三个固定点均匀分布在在静平台的同一个圆周上；另一端通过平行四边形杆组以转动副相连接，平行四边形杆组的上部与动平台以转动副相连接，三个转动副的连接点也均匀分布在同一圆周上。平行四边形杆组内部通过转动副两两相连接，能在平面内转动。在每个移动 副P处安装弹性阻尼构成浮动支持。本机构中的三个支路关于圆心对称分布，因此，三个移动副的刚度系数和阻尼系数相同。下平台直接与车辆底板相连，上平台与车载电子设备相连。上平台相对于下平台可产生x 、y、z 3个方向的平移，通过设计弹性阻尼刚度来调节系统的固有频率，从而使可调阻尼器消耗车辆振动冲击的能量来实现减振。

图1 三平移并联机构减振装置的模型

3 减振装置的性能仿真分析

当汽车正常行驶时，如果遇到突发状况进行急刹车，或由于路况等因素进行急转弯及急刹车，都会以力及力矩施加到减振装置所在动平台，同时产生多维振荡，具体的振荡幅度和衰减速度能直接反映出装置具有的性能。当外部激励对静平台施加作用力后，对动平台而言，其多维振荡可对沿着三个方向上的不同特征进行测量来描述。对此，借助Adams具有的测量功能，对动平台具有的各项运动参数进行分析，同时用运动线图的方式表达参数分析结果。

设置模型当中各参数的数值，具体如表1所示。

当外部激励对静平台施加X方向的瞬时冲击力为20N时，动平台在X、Y、Z三个方向均有平动位移，采用Adams软件进行仿真分析，得出三个方向的加速度曲线如图2所示。

表1 结构参数

图2 加速度曲线图

从以上运动线图可以看出，三个方向上的运动特征均在不超过1s的时间内明显衰减，当时间变为3s时，整体机构处在相对平衡的位置，此时的加速度等于零，平台受到的冲击得以很大程度的抑制，说明这一减振装置有良好减振效果。（莫亚梅,吴努,钱永明,林航.基于Adams的车载多维减振装置的设计[J].南通大学学报(自然科学版),2008(01):66-69）

4 结束语

并联机器人目前已经可以用在工业生产领域，但我国却处在前期研制阶段。当前主要选择的是结构为对称形式的并联机构，这样做的目的是该结构较为简单，容易实现。基于此，利用Adams进行建模，开展仿真试验，以此验证设计的合理性及可行性。经分析与研究得知，该机构除了位置与速度容易计算以外，奇异位形的确定也十分容易。对此，研制出基于并联机构的车载电子设备减振装置样机，并进行了仿真分析验证，由分析结果可知，这种装置因采用了并联机构和弹簧阻尼，所以可以取得良好减振效果，值得大范围推广应用。