CN108275039A - 一种基于Stewart机构和智能材料的工程机械减振座椅 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Stewart机构和智能材料的工程机械减振座椅，包括减振平台，所述的减振平台包括上平台、下平台以及多个减振器，各个减振器的两端分别与上平台和下平台铰接并作为支链，从而形成基于Stewart机构的多维减振平台；各个减振器，包括减振器上导杆、缸筒和置于其内的传力弹簧，缸筒内放置有变刚度机构；在上平台和下平台上分别布置有用于采集上下两平台振动加速度信号的振动传感器，加速度传感器信号用于控制加载在两个线圈绕组的电流大小。

Description

一种基于Stewart机构和智能材料的工程机械减振座椅

技术领域

本发明涉及工程机械多维减振座椅以及智能材料领域，尤其涉及一种多维减振座椅。

背景技术

工程机械车辆经常工作在恶劣工况环境中，由于地面输入的振动激励较大，而车辆悬架性能较差，严重影响了车辆乘坐舒适性。来自地面的高频振动激励可由轮胎和悬架系统快速衰减掉，而对人体影响较大的低频振动激励则经过车辆地板、座椅传递到驾驶员或乘客身上。车辆驾驶员长时间处于低频振动环境中，会引起驾驶疲劳、反应迟钝进而引发交通、操作事故，剧烈的低频振动严重影响和损害驾驶员的身体健康，尤其是对驾驶员腰椎、脊柱和内脏都会造成较大损伤，也会导致乘员身体组织损伤以及晕车等现象。座椅是非道路车辆的重要隔振装置，其主要功能是支承驾驶员的身体，减缓路面不平传给人体的冲击并衰减由此而引起的振动，为驾驶员提供舒适、安全的乘坐环境和便于驾驶操纵的良好工作条件。

中国专利CN 101695908 B发明了一种并联多自由度汽车减振座椅，具有x、y轴转动、z轴移动三个方向的减振功能，并联机构由四条单开支链、一条主链并联组成，单开支链是由球副、移动副、球副依次组成的，主链由中间为移动副、虎克铰组成。中国专利CN106627287 A发明了一种磁流变六自由度并联减振座椅平台，六自由度并联减振结构为三支链空间并联结构，每条支链由球副、转动副、转动副、移动副依次组成，用单筒双杆磁流变阻尼器代替每条支链上的移动副，并且在转动副处设置单筒单杆磁流变阻尼器，增强该座椅的自适应特性。

传统的被动式座椅由于其振动参数如刚度、阻尼系数均为固定值，不同体重的驾驶员或乘客会导致其固有频率不同，并且无法适应各种冲击路面。被动式车辆减振座椅难以满足日益提高的舒适度要求，而且考虑实际工作中座椅受到的激励是多维振动，所设计的减振座椅应具备多维减振能力。最佳解决方案便是设计减振性能良好的半主动控制多维座椅悬置系统，因此使用多个减振器组成并联机构对座椅进行多维减振是一种非常可行的方法。

Stewart机构作为一种经典并联机构，具有刚度大、承载能力强、操作空间要求小的特点，并且控制精度高，可用于各种主动控制机构。20世纪五六十年代，最初的Stewart机构用于轮胎质量检测机构以及飞行员飞行训练模拟器机构，后广泛应用于并联手术机器人、卫星中精密仪器隔振控制、整星隔振及太空望远镜姿态陀螺反作用力隔振等。国内外各研究机构对Stewart机构开展了深入研究，其中美国加州理工学院和我国哈尔滨工业大学走在了航天领域研究应用前列。Stewart机构结构简单，可满足六自由度多维减振要求，其可靠度高，在工程减振降噪领域具有广泛的应用前景。

组成Stewart机构的六个减振器从减振方式上分为被动式减振器、半主动减振器、主动式减振器三种。被动式减振器由弹簧和阻尼器组成，其性能参数刚度和阻尼系数一旦确定无法改变，减振性能在某一承载质量与某一激励频率下效果最佳，结构简单，制造成本低，可靠性高；主动式减振器是在被动式减振器的基础上附加可控制力发生器，通过控制力发生器的作用力大小实现减振控制，其主动减振效果良好，但需要外界提供控制力的能源装置，制造成本高，能耗大，并用于减振控制的且力发生器一旦失效，减振效果会急剧下降；半主动控制减振器的特点是，刚度或阻尼系数可调节，其减振性能优于被动式减振器，耗能量低于主动控制减振器，综合性能较高。

近年来，磁流变智能材料发展迅速，目前应用较为广泛的是磁流变材料和磁致伸缩材料。磁流变材料的刚度及阻尼系数可在磁场环境作用下迅速发生变化，磁致伸缩材料在磁场环境作用下可发生伸缩变化并输出控制力。目前，利用智能材料已经研制出了许多新型可控减振器。综合以上特点，本发明采用Stewart机构实现车辆座椅多维减振的目的，并用基于智能材料的半主动控制减振器替代Stewart机构各支链的减振机构，通过控制每个减振器的刚度、阻尼参数来实现系统振动参数的控，最终实现不同体重驾驶员、各种路面工况下最佳的多维减振效果。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种能够衰减多个方向振动、结构简单可靠，制造成本低，刚度及阻尼参数均可控制的新型多维半主动减振座椅。本发明提出的基于Stewart机构和智能材料的半主动控制多维减振座椅，最终实现在衰减多个方向振动的同时，控制刚度与阻尼参数的目的。技术方案如下：

一种基于Stewart机构和智能材料的工程机械减振座椅，包括减振平台，所述的减振平台包括上平台、下平台以及多个减振器，其特征在于，各个减振器的两端分别与上平台和下平台铰接并作为支链，从而形成基于Stewart机构的多维减振平台；各个减振器，包括减振器上导杆、缸筒和置于其内的传力弹簧，缸筒内放置有变刚度机构，拉力弹簧置于变刚度机构的上方，变刚度机构的主体由硅钢片与磁流变弹性体薄片相互叠加组成，在变刚度机构主体的侧面设置有下线圈绕组，缸筒的底部作为减振器固定端；拉力弹簧的上端与活塞底部相连，作为减振器活动端，活塞带有挡体，在拉力弹簧与挡体之间置有由超磁致伸缩材料制成的块体，在块体的侧面设置有上线圈绕组，上线圈绕组的外周通过摩擦片与缸筒相接触活塞与减振器上导杆固定连接；在上平台和下平台上分别布置有用于采集上下两平台振动加速度信号的振动传感器，加速度传感器信号用于控制加载在两个线圈绕组的电流大小。

本发明的积极效果在于：

(一)本发明将变刚度变阻尼减振器与Stewart并联机构相结合，得到一种半主动控制的多维减振机构，可同时衰减多个自由度的振动。

(二)本发明采用磁流变材料，并通过两路电流分别控制挤压式磁流变材料和磁致伸缩材料所处的磁场环境，达到变刚度和变阻尼的目的。

(三)本发明结构简单，可靠性高，制造安装方便，适用于工程机械领域座椅减振应用。

附图说明

图1为智能材料减振器结构示意图；

图2为智能材料减振器A-A向结构剖视图；

图3为多维减振座椅平台主视图；

图4为多维减振座椅平台俯视图；

在图1、图2中，1—下导杆；2—缸筒；3—下线圈绕组；4—保护套筒；5—上导杆；6—滑动轴承；7—超磁致伸缩材料；8—上线圈绕组；9—摩擦片；10—紧固螺钉；11—上弹簧卡盘；12—传力弹簧；13—下弹簧卡盘；14—双面粘性硅钢片；15—磁流变弹性体薄片；16—活塞；17—活塞挡板；18—螺纹孔。

图3中，19—上平台；20—铰接台，21—铰接球；22—减振器上导杆；23—下平台；24—铰接台；25—铰接球；26—减振器。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本发明将基于智能材料的变刚度变阻尼减振器与Stewart机构相结合，以Stewart并联机构为基础，在Stewart的每个支链中加入一个变刚度变阻尼减振器，通过对线圈施加电流的方式改变减振器的刚度和阻尼，最终将六条支链组合，得到一种可以衰减多个方向振动，并可以根据振动激励变化调节减振器刚度和阻尼，达到最佳减振效果的半主动多维减振座椅。综合利用磁致伸缩材料和挤压式磁流变弹性体材料的工作模式特点。通过加速度传感器检测出座椅机构的振动信号大小，经过处理器运算分析输出控制电流，分别控制上、下线圈绕组的通电电流大小，进而控制感应电磁场的强度。通过控制下层线圈的磁场大小，来控制磁流变弹性体薄片的刚度，多层磁流变弹性体薄片叠加并与弹簧串联，进而改变减振器刚度大小；通过控制上层线圈的磁场大小，来控制磁致伸缩材料的输出力，进而改变减振器阻尼的大小。

如图3和图4所示，本发明通过由六个装备智能材料的减振器支链构建而成的六自由度减振座椅实现半主动控制多维减振。六自由度减振平台由上平台19、下平台23、智能材料半主动减振器22三部分组成。工作时，将半主动控制多维减振平台的下平台23通过螺栓与驾驶室地板刚性连接，上平台19与车辆座椅通过螺栓刚性连接。六个智能材料减振器通过球铰链20、21、24、25分别与上、下平台铰接。分别布置于上、下平台的振动传感器用于采集上下两平台的振动加速度信号，同时也用于对智能材料减振器刚度和阻尼的控制。加速度传感器信号分别由数据采集仪器和上位机接受，上位机对控制目标信号进行处理，并通过控制板卡发出电流控制信号。

减振器22的结构如图1和图2所示，下导杆1与缸筒2底部通过螺纹连接，缸筒2、下导杆1及上导杆5均由高磁阻材料制成，缸筒2底部开有凹槽，用于缠绕下线圈绕组2，保护套筒4外径与缸筒2内径相同，可保护下线圈绕组2防止被磁流变弹性体15上下挤压造成磨损，保护套筒4由导磁性材料制成，也可作为励磁线圈内部的铁芯起到增加磁感应强度作用；变刚度机构由双面粘性硅钢片14与磁流变弹性体薄片15相互叠加组成，变阻尼机构由超磁致伸缩材料7、上线圈绕组8及摩擦片9组成，传力弹簧12通过上、下弹簧卡盘11、13固定，上导杆5的底端活塞部分与上弹簧卡盘11通过紧固螺钉10连接，超磁致伸缩材料7为圆环状并与上导杆5底端的活塞部分相配合。

通过控减振器上线圈绕组8的电流大小，来控制超磁致伸缩材料7所处磁场的磁感应强度大小，控制其磁致伸缩力大小并与摩擦片9相互挤压产生摩擦阻尼力，进而控制减振器阻尼大小；通过控减振器下线圈绕组3的电流大小，来控制磁流变弹性体薄片15所处磁场的磁感应强度大小，改变磁流变弹性体刚度大小，多层磁流变弹性体15与双面粘性硅钢片14相叠加并与传力弹簧12串联，进而控制减振器的刚度大小。通过改变每个减振器的刚度、阻尼大小，最终使该半主动控制多维减振座椅在六自由度方向上的刚度和阻尼都随振动激励的改变而不断调整，使车辆行驶于各种工况下，座椅机构均具有最佳的减振效果。

Claims (1)

1.一种基于Stewart机构和智能材料的工程机械减振座椅，包括减振平台，所述的减振平台包括上平台、下平台以及多个减振器，其特征在于，各个减振器的两端分别与上平台和下平台铰接并作为支链，从而形成基于Stewart机构的多维减振平台；各个减振器，包括减振器上导杆、缸筒和置于其内的传力弹簧，缸筒内放置有变刚度机构，拉力弹簧置于变刚度机构的上方，变刚度机构的主体由硅钢片与磁流变弹性体薄片相互叠加组成，在变刚度机构主体的侧面设置有下线圈绕组，缸筒的底部作为减振器固定端；拉力弹簧的上端与活塞底部相连，作为减振器活动端，活塞带有挡体，在拉力弹簧与挡体之间置有由超磁致伸缩材料制成的块体，在块体的侧面设置有上线圈绕组，上线圈绕组的外周通过摩擦片与缸筒相接触活塞与减振器上导杆固定连接；在上平台和下平台上分别布置有用于采集上下两平台振动加速度信号的振动传感器，加速度传感器信号用于控制加载在两个线圈绕组的电流大小。