CN109703762A - 基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅 - Google Patents

Abstract

基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，包括由椅盆、背靠构成的座椅本体，椅盆下方设有隔振平台机构；隔振平台机构包括静平台、第二磁流变阻尼器组件和动平台，动平台与椅盆固定连接，第二磁流变阻尼器组件的上、下两端通过球铰分别与动平台、静平台连接，第二磁流变阻尼器组件设置有六套，第二磁流变阻尼器组件包括磁流变阻尼器；球铰设有上、下两组共六套，每组球铰以等边三角形结构布置在动平台或静平台上，每套球铰与两套第二磁流变阻尼器组件端部配合，具有相同球铰连接端的两套第二磁流变阻尼器组件所相对的另一端错开成夹角设置。本发明可适应直升机不同的坠毁高度和机身坠毁姿态要求，采用的吸能器耗能大、抗冲击效果好。

Description

基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅

技术领域

本发明涉及航空座椅技术领域，尤其涉及一种基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅。

背景技术

随着直升机技术的发展，各类直升机被广泛、大量的应用于军事和民用领域。不同于固定翼飞机，直升机飞行高度较低、飞行环境复杂，虽然飞行速度不高，但却经常需要超低空悬停和作业。直升机被攻击或者出现故障发生坠落时，驾驶员进行应急处理的反应时间短，坠地易发生机毁人亡的严重后果，因此要求直升机具备相应的抗坠毁能力。

直升机的抗坠毁措施，除了采用吸能起落架、抗坠毁机头和机身结构、抗坠毁油箱和旋翼结构外，另外重要的就是抗坠毁座椅，而吸能器又是抗坠毁座椅的核心部件。抗坠毁座椅不仅需要满足飞行人员的人机功效和舒适性要求，同时，更重要的是其抗坠毁性能将直接影响飞行人员的生存率。

早期的固定载荷吸能器通常是针对95％生存率坠机环境，按第50百分位的男性体重设计的，座椅中吸能器的启动载荷是固定的，对特定体重的乘用人员效果最佳，但是不能随座椅乘用人员体重变化而调节，对于体重超过此范围的乘用人员，由于固定载荷吸能器提供的缓冲力太小，座椅可能超出允许的最大行程而与地板刚性碰撞，反而造成乘用人员更严重伤害；而体重小于此范围的乘用人员，则不能充分利用有效的缓冲行程，降低了保护效果，极限条件下可能出现不能启动吸能器而完全失效的情况。因此，固定载荷吸能器的抗坠毁座椅适用范围窄，不能为所有乘用人员提供最佳过载保护，也无法适应不同的坠毁高度和机身坠毁姿态。

基于传统变载荷吸能器的抗坠毁座椅，虽然弥补了固定载荷吸能器的一些不足，但仍存在问题：(1)大都只能为5百分位到95百分位男性乘用人员提供保护，体重超出范围的乘用人员仍无法得到充分保护；(2)不能适应不同的坠毁高度和机身坠毁姿态；(3)变载荷吸能器在有限冲程内耗能不大，抗冲击效果不足；(4)这些基于变载荷吸能器的抗坠毁座椅结构和控制十分复杂，所使用的变载荷吸能器响应时间太慢而不能很好适应极短的坠毁时间。

如中国专利(授权公告号：CN202381619U)公开了“一种新型磁流变阻尼器”，包括工作缸体、活塞杆和设置于工作缸体内的活塞，活塞同轴套设于活塞杆外，活塞杆带动活塞在工作缸体内运动，工作缸体内设置有两个密封体，两个密封体之间的区域构成活塞的运动区域，活塞的运动区域内充满磁流变液，活塞上沿其周向设置有两个轴向分布的活塞环形凹槽，活塞环形凹槽内设置有永磁环，永磁环外设置有环形绝缘层，环形绝缘层外绕设有励磁线圈，励磁线圈的外周围与工作缸体的内周壁接触，优点在于通过在活塞的活塞槽内设置永磁环，再在永磁环外设置励磁线圈，这样磁流变阻尼器工作时可有效增强励磁线圈通过电流时的磁场，从而能够增强工作缸体内处于可控状态的磁流变液的阻尼力。

如中国专利(申请公布号CN106627287A)公开了“一种用于车辆座椅的磁流变六自由度并联减振平台”，包括车辆座椅和设置在座椅底部的六自由度并联减振结构；所述六自由度并联减振结构为三支链空间并联结构，包括动平台、静平台和安装在动平台、静平台之间结构相同且并联的三条支链；所述座椅与动平台固接，静平台固接在车辆底板上；六自由度并联减振机构的动平台与静平台通过三条相同的支链并联连接，每条支链由P(球副)、R(转动副)、R(转动副)、 P(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。

上述磁流变阻尼器以及减震平台，依然存在无法适应不同的坠毁高度和机身坠毁姿态；耗能较小、抗冲击效果不足等方面的问题。

发明内容

本发明提供一种基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，用于解决现有的变载荷直升机抗坠毁座椅无法适应不同的坠毁高度和机身坠毁姿态、所采用的吸能器耗能较小、抗冲击效果不足等方面的问题。

本发明通过以下技术方案予以实现：

基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，包括由椅盆、背靠构成的座椅本体，所述椅盆下方设有隔振平台机构；所述隔振平台机构包括静平台、第二磁流变阻尼器组件和动平台，所述动平台与椅盆固定连接，第二磁流变阻尼器组件的上、下两端通过球铰分别与动平台、静平台连接，第二磁流变阻尼器组件设置有六套，第二磁流变阻尼器组件包括磁流变阻尼器；所述球铰设有上、下两组共六套，每组球铰以等边三角形结构布置在动平台或静平台上，每套球铰与两套第二磁流变阻尼器组件端部配合，具有相同球铰连接端的两套第二磁流变阻尼器组件所相对的另一端错开成夹角设置。

为进一步实现本发明的目的，还可以采用以下技术方案：

如上所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，所述磁流变阻尼器包括密封的外筒、内筒，所述內筒设在外筒中，外筒与內筒之间设有线圈，內筒中安装活塞和活塞杆，活塞安装在活塞杆上，內筒内腔填充有磁流变液，內筒内腔轴向两侧通过外部的节流通道连通，所述活塞杆一端伸出外筒端部并安装球头轴承，与活塞杆伸出端相对的外筒端部安装连接杆，连接杆外端安装球头轴承。

如上所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，所述內筒内腔填充有漂浮在磁流变液中的弹性球。

如上所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，所述连接杆为中空结构，所述活塞安装在活塞杆中部，活塞杆的端部伸入连接杆的中空结构内。

如上所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，所述第二磁流变阻尼器组件还包括蝶形弹簧，蝶形弹簧安装在伸出外筒与球头轴承之间的活塞杆外周。

如上所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，所述背靠上设有第一磁流变阻尼器组件，第一磁流变阻尼器组件包括磁流变阻尼器，所述第一磁流变阻尼器组件一端通过球铰与所述背靠连接，另一端通过球铰与外部支架或直升机舱壁连接。

如上所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，所述背靠中部设有横梁，第一磁流变阻尼器组件设有两套，两套所述第一磁流变阻尼器组件一端均与横梁的横向中心位置连接，并呈倒人字形结构对称安装。

如上所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，所述座椅本体安装用于检测座椅乘用人员体重的传感器，传感器的信号输出端与控制器的输入端电连接，控制器的信号输出端与磁流变阻尼器电连接。

如上所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，所述隔振平台机构下方设置底板，底板与所述静平台固定。

如上所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，所述座椅本体上设有保护人体的约束系统。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、针对直升机在不同速度、不同姿态坠落时，本发明设置的隔振平台机构，可实时调节并联的六个支腿中磁流变阻尼器的输出载荷，不断吸收能量以适应不同的坠毁速度和机身坠毁姿态。

2、本发明所采用的磁流变阻尼器，节流通道结构外置，磁流变液腔可整体置于线圈覆盖范围，使磁流变阻尼器作为吸能器实现最佳效果，在有限冲程内耗能更大，乘用人员所受的冲击载荷影响更小。

3、本发明所采用的磁流变阻尼器响应时间只需毫秒级，线圈通入较低电流就能完成工作，因此，基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅耗能小，整体结构简单、控制精确、响应时间快，能较好的适应直升机极短的坠毁时间。

4、通过设置的传感器和控制器，可根据不同乘用人员体重实时调整输出载荷，结合本发明所采用的磁流变阻尼器，通过外置的节流通道使可调阻尼力范围增大，对不同体重的座椅乘用人员实现充分保护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3是图1的另一种状态参考图(即本发明在直升机坠毁后的状态示意图)；

图4是图3的左视图；

图5是图1中所述磁流变阻尼器的内部结构示意图。

附图标记，1-椅盆，2-坐垫，3-背垫，4-背靠，5-头靠，6-仓壁，7-球铰一， 8-第一磁流变阻尼器组件，9-横梁，10-动平台，11-传感器，12-控制器，13-第二磁流变阻尼器组件，14-底板，15-静平台，16-静平台球铰，17-碟形弹簧，18- 动平台球铰，19-球铰二，20-电源线，21-线圈，22-弹性球，23-节流通道，24- 磁流变液，25-外筒，26-活塞杆，27-活塞，28-下端杆，29-球头轴承。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1-图5所示，本实施例公开的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，包括座椅本体、隔振平台机构、磁流变阻尼器组件以及控制系统。

如图1、图2所示，本实施例所使用的座椅本体，包括椅盆1、坐垫2、背垫3、背靠4、头靠5、横梁9、球铰二19。

靠背4固定安装在椅盆1后侧上方，坐垫2设置在椅盆1上，背垫3附在靠背4前侧，头靠5固接于背靠4上方中间。该直升机抗坠毁座椅为背架式结构，设置坐垫2、背垫3和头靠5，可增加座椅乘用人员的使用舒适性。

横梁9固定于背靠4后侧中部，横梁9中间部位设有球铰二19，球铰二19 与第一磁流变阻尼器组件8的下端连接，第一磁流变阻尼器组件8的上端与外部固定部分连接，如图1所示，本实施例中将第一磁流变阻尼器组件8的上端直接与直升机仓壁6通过球铰7连接。

控制系统包括传感器11、控制器12，传感器11安装在座椅本体上，用于自动感应和检测座椅乘用人员的体重，该传感器11可以选用重量传感器或柔性压力传感器，控制器采用单片机，如PIC系列或STM32系列单片机。传感器11 的信号输出端连接单片机的信号输入端，单片机的信号输出端分别连接第一磁流变阻尼器组件、第二磁流变阻尼器组件中的线圈。

如图1、图2、图5所示，本实施例中第一磁流变阻尼器组件8设置有两套，如图2所示，每套第一磁流变阻尼器组件8均带有一磁流变阻尼器，两套磁流变阻尼器呈倒人字形结构，对称安装在横梁9与仓壁6之间。

以一套磁流变阻尼器组件的安装为例进行说明，第一磁流变阻尼器组件8 一端与座椅本体上的球铰二19连接，另一端与仓壁6上的球铰一7连接。在座椅本体受冲击向下位移时，带动磁流变阻尼器产生位移，从而达到消耗能量的目的。

第二磁流变阻尼器组件13设在隔振平台机构中，参见下段说明。

如图1-图4所示，本实施例的隔振平台机构为基于Stewart结构构建的六轴隔振平台，包括动平台10、第二磁流变阻尼器组件13、底板14、静平台15、静平台球铰16、动平台球铰18。动平台10固定在椅盆1下方，静平台15固定在底板14上。第二磁流变阻尼器组件13构成座椅本体的支腿，共设有六套，并分别通过球铰安装在动平台10与静平台15之间。

静平台球铰16、动平台球铰18分别设置有三套，对应的以等边三角形结构布置在动平台或静平台上，每套球铰与两套第二磁流变阻尼器组件13端部配合，具有相同球铰连接端的两套第二磁流变阻尼器组件13所相对的另一端错开设置，即每套静平台球铰16或动平台球铰18上固定两个支腿，相近的两条支腿在空间平面上互成一夹角，该夹角范围为30～60°之间。

每一第二磁流变阻尼器组件13均由磁流变阻尼器与碟形弹簧17串联构成。

如图5所示，磁流变阻尼器包括线圈21、弹性球22、节流23、磁流变液 24、外筒25，活塞杆26、活塞27、连接杆28、球头轴承29。电源线20从外筒 25一端引出，弹性球22、磁流变液24充满整个内筒内腔，活塞套装在活塞杆的中部外周。磁流变阻尼器在受冲击时时活塞产生位移，弹性球22悬浮在磁流变液中，因此可以第一时间反应并迅速吸收部分能量，相对于单出杆磁流变阻尼器的储能器，采用弹性球22吸能启动更快。磁流变液24通过节流23产生阻尼力消耗冲击能量，线圈21通电流增大，节流23内磁场就会增强，磁流变液流过节流23通道的阻力随之增大，使得磁流变阻尼器输出的阻尼力增大，消耗的冲击能量也就越多。

磁流变阻尼器的工作介质为磁流变液，磁流变液在无磁场时呈现低粘度的牛顿流体特性，当磁场发生变化时，磁流变液粘度发生变化，输出阻尼力变大，当磁场消失，又变回牛顿流体。

传统的磁流变阻尼器使用节流通道内置结构，节流通道的横截面积与活塞的大小及阻尼器的其它尺寸是关联的，节流通道大小不能独立设计。节流通道横截面积较小的情况下，活塞相对运动速度较大时，磁流变液会以很高的流速流经节流通道，产生很大的不可控的黏性阻尼力，使得磁流变阻尼器在高速冲击下的缓冲性能降低，不适用于高速冲击缓冲控制。

如图5所示，本实施例的磁流变阻尼器采用节流通道23外置结构，节流通道23外置结构的好处，是实现节流通道23大小与活塞尺寸分开设计，避免相互影响，从而可以实现磁流变阻尼器具备较低的粘性阻尼力，较高的库伦阻尼力，从而提高可调阻尼倍数，更适宜在冲击环境下使用，在有限的行程中消耗更多的能量。

磁流变阻尼器的阻尼力，由不可控的粘性阻尼力、摩擦阻尼力和可控阻尼力两部分构成，粘性阻尼力与速度成正比，摩擦阻尼力与活塞、活塞杆等材料有关，可控阻尼力受电流控制。本发明的磁流变阻尼器节流通道23外置，具备较低的粘性阻尼力、较高的可控阻尼力，即总阻尼力曲线斜率较低，在阻尼器受冲击高速运动时，仍能保证有一半可控阻尼力，而传统磁流变阻尼器可控阻尼力不到总阻尼力1/4，在实际冲击中甚至更低。所以本发明的磁流变阻尼器更能适应不同乘用人员体重，阻尼力可调范围广，高速时可控阻尼力大，更适应冲击环境下使用。

在冲击过程中，冲击力波峰会超过人体承受极限致使人受伤，磁流变阻尼器配合蝶形弹簧，可以将冲击力限制在人体可承受力范围内，而在冲击载荷波峰到波谷过程中，需要阻尼器输出阻尼力有很大的可控阻尼力来实现，而本发明的磁流变阻尼器输出阻尼力可控阻尼力在高速时仍有很高占比，故能很好的在冲击环境下使用。

本发明采用的磁流变阻尼器响应时间只需毫秒级，通较低电流就能完成工作，耗能小，结构、控制简单，节流通道外置结构下可调阻尼倍数高，更适宜在冲击环境下使用，在有限的行程内消耗更多的能量。

为进一步提高本直升机抗坠毁座椅的安全性，在座椅本体上还可以安装保护人体的约束系统，该约束系统优先采用五点式约束系统或充气式人体约束系统。五点式约束系统由锁扣组件、腰带组件以及肩带组件三部分构成，可以对人体肩部两侧、腰部两侧以及裆部共5个约束点的安全保护；充气式约束系统主要由充气气囊、充气装置、撞击传感器以及监控系统工作状态的诊断系统构成，在约束点上充气式约束系统和五点式约束系统设置系统，通过增加气囊部件能更好的避免乘用人员在直升机坠毁时，头部所受到的撞击上，从而更好的提高本直升机抗坠毁座椅的安全性。

具体而言，本直升机抗坠毁座椅，在使用状态下传感器11能自动感应和检测乘用人员的体重及冲击载荷，通过控制器12控制磁流变阻尼器的输出载荷自动适应不同乘用人员体重，在冲击过程中始终保持最佳耗能状态，最大程度减少乘用人员过载，确保乘用人员安全。

当直升机以一定速度及姿态向下坠落的过程中，动平台10受冲击惯性作用产生向下位移，六套第二磁流变阻尼器组件构成的六条支腿向下压缩吸能，传感器11感知冲击载荷的大小及方向，控制器12根据传感器11的信号调整每条支腿中磁流变阻尼器的输出载荷，实现在每个方向上的减振和吸能；当直升机坠落速度及姿态变化时，传感器11随之感应并输出信号，控制器12重新调整每条支腿中的磁流变阻尼器的输出载荷，从而使本直升机抗坠毁座椅能适应不同的坠毁速度和机身坠毁姿态。

以图1、图3所示结构为例说明，蝶形弹簧17设在第二磁流变阻尼器组件 13中，套装在伸出外筒25与球头轴承29之间的活塞杆26外周，蝶形弹簧17 下端与活塞杆26固定，蝶形弹簧17上端与外筒25配合，实现在活塞杆26上移时的收缩。碟形弹簧17具有非线性刚度特性，能以较小的变形承受更大载荷，隔振平台受到冲击载荷时，磁流变阻尼器配合蝶形弹簧的非线性特性，能达到更好的吸能效果。

也可以在第一磁流变阻尼器组件8中配置蝶形弹簧17，具体的蝶形弹簧17 安装位置，根据该处的磁流变阻尼器活塞杆位置及动作方向调整。

在直升机正常飞行时，传感器11也可感应飞行中的颠簸信号，控制器12 根据信号控制每个支腿中磁流变阻尼器输出载荷，消耗横向、纵向的颠簸载荷，提高乘用人员舒适度。

如图3、图4所示，基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅在直升机坠毁后，隔振平台机构中动平台10，受冲击载荷作用产生向下位移，整体呈现压缩状态，此时，隔振平台机构的六条支腿已吸收一部分能量，背靠4后方的两套磁流变阻尼器，受座椅本体向下位移所带动，该处的两套磁流变阻尼器设置的活塞27 也产生动作；座椅本体位移过程中，传感器11实时感应冲击载荷变化，控制器 12根据传感器11输出信号控制磁流变阻尼器的线圈21电流大小，磁流变阻尼器根据冲击载荷变化调整输出载荷。在位移过程中磁流变阻尼器不断消耗能量，从而能更有效地在座椅有限冲程内耗能增大多倍，减少座椅对人体的冲击和伤害，从而较好的提高本直升机抗坠毁座椅的安全性能。

本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。

Claims (10)

1.基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，包括由椅盆、背靠构成的座椅本体，其特征在于，所述椅盆下方设有隔振平台机构；所述隔振平台机构包括静平台、第二磁流变阻尼器组件和动平台，所述动平台与椅盆固定连接，第二磁流变阻尼器组件的上、下两端通过球铰分别与动平台、静平台连接，第二磁流变阻尼器组件设置有六套，第二磁流变阻尼器组件包括磁流变阻尼器；所述球铰设有上、下两组共六套，每组球铰以等边三角形结构布置在动平台或静平台上，每套球铰与两套第二磁流变阻尼器组件端部配合，具有相同球铰连接端的两套第二磁流变阻尼器组件所相对的另一端错开成夹角设置。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，其特征在于，所述磁流变阻尼器包括密封的外筒、内筒，所述內筒设在外筒中，外筒与內筒之间设有线圈，內筒中安装活塞和活塞杆，活塞安装在活塞杆上，內筒内腔填充有磁流变液，內筒内腔轴向两侧通过外部的节流通道连通，所述活塞杆一端伸出外筒端部并安装球头轴承，与活塞杆伸出端相对的外筒端部安装连接杆，连接杆外端安装球头轴承。

3.根据权利要求2所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，其特征在于，所述內筒内腔填充有漂浮在磁流变液中的弹性球。

4.根据权利要求2所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，其特征在于，所述连接杆为中空结构，所述活塞安装在活塞杆中部，活塞杆的端部伸入连接杆的中空结构内。

5.根据权利要求2、3或4所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，其特征在于，所述第二磁流变阻尼器组件还包括蝶形弹簧，蝶形弹簧安装在伸出外筒与球头轴承之间的活塞杆外周。

6.根据权利要求1所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，其特征在于，所述背靠上设有第一磁流变阻尼器组件，第一磁流变阻尼器组件包括磁流变阻尼器，所述第一磁流变阻尼器组件一端通过球铰与所述背靠连接，另一端通过球铰与外部支架或直升机舱壁连接。

7.根据权利要求6所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，其特征在于，所述背靠中部设有横梁，第一磁流变阻尼器组件设有两套，两套所述第一磁流变阻尼器组件一端均与横梁的横向中心位置连接，并呈倒人字形结构对称安装。

8.根据权利要求1所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，其特征在于，所述座椅本体安装用于检测座椅乘用人员体重的传感器，传感器的信号输出端与控制器的输入端电连接，控制器的信号输出端与磁流变阻尼器电连接。

9.根据权利要求1所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，其特征在于，所述隔振平台机构下方设置底板，底板与所述静平台固定。

10.根据权利要求1所述的基于磁流变阻尼器的直升机抗坠毁座椅，其特征在于，所述座椅本体上设有保护人体的约束系统。