CN112172632B - 变压主动液体隔振座椅系统 - Google Patents

变压主动液体隔振座椅系统 Download PDF

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Abstract

变压主动液体隔振座椅系统，属于振动控制领域，提供了一种用于乘员隔振的变压主动液体隔振座椅系统。可安装于运载设备乘员座椅，实现将载具设备传递给乘员的振动隔离作用。本发明变压主动液体隔振座椅系统主要由剪切式悬架、中空座椅主体、外接变压设备、座椅液体隔振设备，隔振器支座等组成。通过调节中空座椅主体的外接压力，能改变座椅液体隔振设备的隔振频率和隔振效率，使得本发明隔振座椅的隔振范围和效率更好。

Description

变压主动液体隔振座椅系统
技术领域
本发明属于振动控制领域，涉及用于载具驾驶舱用乘员隔振的变压主动液体隔振座椅系统。
背景技术
随着汽车、直升机、船舶等在军民用领域的广泛应用，对运载工具的减振设计提出了更高的要求。为提高乘员(驾驶员、武器操作员、兵员、乘客等)的舒适性，不影响乘员完成预定的任务的能力，保证各类精密电子设备的正常工作，发挥最大的作战效能，需要载具平台提供一个良好的振动环境。
振动是影响载具性能、安全性和舒适性的主要问题之一，降低振动是机械结构设计中必须考虑的重要问题，常用的减振技术有以下几种：1)消振，就是减小激振力，进而减小由其引起的振动响应。这是治本的方法，但通常很多振源是难以减小到预期水平，这时就需要辅以其它减振措施了。2)动力吸振，即采用附加子系统改变结构的振动状态，使振动能量从主结构转移到附加子系统上。3)弹簧隔振，用弹性元件将振源与需减振的结构隔开，以减小结构的振动。弹簧隔振设计的一个重要特点是弹簧必须刚度较低，使外激励频率与隔振后的结构固有频率之比大于20.5，才能有隔振效果，这样就会降低结构静态刚度，对结构位移和稳定性造成影响。4)阻尼减振，及通过附加系统的阻尼运动消耗振动能量，降低结构振动。目前在机械结构中，经常采用橡胶接头进行减振和隔振，为保证足够连接刚度，避免过大的结构变形，导致其隔振效率和阻尼减振效率很低。
发明内容
本发明要解决的技术问题：提供了一种用于乘员隔振的变压主动液体隔振座椅系统。可安装于运载设备乘员座椅，实现将载具设备传递给乘员的振动隔离作用。
本发明的技术方案：
变压主动液体隔振座椅系统，包括：中空座椅主体、悬架滑块、隔振器主体、隔振器支座、限位滑槽、剪切式悬架；
所述中空座椅主体的座椅底面为中空腔体，所述中空座椅主体两侧后端分别设有一个限位滑槽，且中空座椅主体下方两侧地板上也分别设有一个限位滑槽；所述限位滑槽内均设有悬架滑块且所述悬架滑块可在限位滑槽内滑动；所述中空座椅主体两侧分别设有一个剪切式悬架，所述剪切式悬架前端两个连接点分别与中空座椅主体前端和下方地板铰接；所述剪切式悬架后端两个连接点分别与中空座椅主体后端和下方地板上的两个限位滑槽内的悬架滑块连接；
隔振器主体通过中段铰接点接与隔振器支座上，支座固接在地板上。
进一步，所述隔振器主体为中空上下端开口结构，上端开口与中空腔体连接，下端开口连接封闭腔体，所述中空腔体、隔振器主体内部和封闭腔体联通且密封形成联合腔体，且所述联合腔体内充满液体。
进一步，所述封闭腔体中部设有弹性密封圈，弹性密封圈上部填充液体形成液体腔，弹性密封圈下部填充空气形成弹性空气腔。
进一步，所述隔振器主体上端开口扩张边沿通过橡胶弹簧与座椅密封盖连接，所述隔振器主体可在橡胶弹簧作用下垂直运动。
进一步，所述系统还包括：变压充气孔；所述变压充气口设置在座椅底面后端并连接所述中空腔体，所述变压充气孔用于与充气设备相连为所述中空腔体充放气。
进一步，通过所述变压充气孔调节中空腔体内气压以调节联合腔体内的工作压力从而改变座椅系统的隔振频率。
进一步，通过调节中空腔体内气压使得座椅系统的隔振频率与外界激振频率相同。
进一步，所述隔振器数量为多个。
本发明关键点是：
对比传统的座椅系统，这种变压主动液体隔振座椅系统更好地利用柔软的橡胶弹簧和液体的运动吸收振动，同时利用密封腔体内的液体及橡胶材料提供消耗振动能效的阻尼，使共振状态或振动冲击下位移减小，从而能更好的改善乘员乘坐舒适性和载具的可靠性，亦可根据载具的不同，设计不同个数的隔振器主体，在单个隔振器主体失效的情况下，仍能满足隔振需求。有助于提升我国隔振技术的研制水平和市场的竞争力。
变压主动液体隔振座椅系统的另一个性能是方便可调的吸振功能。在特定的频率点或频率范围内，液体在腔内流动代替了传统反共振的质量块，利用少量液体在腔体细管内的加速流动来的放大效应，产生很大的惯性载荷来抵消载具振动载荷。一般在频率范围内，动态刚度比静态刚度要小。这种吸振功能在主频下能很好地起到减振的作用。同时，可根据载具运行状态和外部环境的变化，调节变压孔压力，来调节隔振器的隔振效率和最佳隔振频率，以达到在各状态下，均有较高的隔振效率。
本发明的有益效果：变压主动液体隔振座椅系统可根据外激励频率和激励幅值，设计实现相应的功能：第一，由隔振系统及剪切式悬架系统代替座椅原有的固定支撑，即能提供座椅系统应有的支撑刚度，还能提供弹性运动空间，隔离地板传递给乘员的振动；第二，橡胶弹簧、运动的液体自身粘性及扩张边与孔径收缩产生的阻尼等，都能有效消耗振动能量，维持结构的振动稳定性；第三，充满液体的座椅可以提供缓冲作用，降低冲击载荷对乘员的冲击伤害；第四，可调吸振功能，可通过改变隔振器变压孔的压力，达到动态改变隔振系统的隔振效率及最佳隔振频率。
附图说明
图1是变压主动液体隔振座椅系统原理图；
图2是变压主动液体隔振座椅系统结构示意图；
图3是隔振器局部放大图；
图中:101中空座椅主体、102悬架滑块、103变压充气孔、104隔振器主体、105隔振器支座、106限位滑槽、107剪切式悬架、108中段铰接点、109悬架固定点、110载具地板；
201橡胶弹簧、202座椅密封盖、203中空结构、204封闭腔体、205座椅腔体、206上端开口扩张边、207弹性密封圈、208弹性空气腔、209密封盖。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的变压主动液体隔振座椅系统做进一步详细说明。
变压主动液体隔振座椅系统，如图2所示，包括：中空座椅主体101、悬架滑块102、变压充气孔103、隔振器主体104、隔振器支座105、限位滑槽106、剪切式悬架107等组成。
所述中空座椅主体座椅底面为中空结构，后端通过变压充气孔与充气设备相连。通过调节中空座椅主体的外接压力，能改变座椅液体隔振设备的隔振频率和隔振效率，使得本发明隔振座椅的隔振范围和效率更好。
所述中空座椅主体下端通过剪切式悬架固定在载具地板110上，悬架一段通过固定端109铰接与载具地板或中空座椅底部，另一端铰接于滑块上，滑块安装于座椅及载具的限位滑槽中，滑块可以在滑槽中有限的范围内左右移动，通过此装置，座椅可以在载具上做垂向移动。
如图3所示，所述隔振器主体为中空上下端开口结构，上端开口与中空座椅腔体205连接使得中空结构203联通且密封，上端开口扩张边沿206通过橡胶弹簧201与座椅密封盖202连接，使隔振器能在橡胶弹簧的弹性范围内做垂向运动，下端开口通过弹性密封圈207形成封闭腔体204，中空结构203、封闭腔体204、中空座椅腔体205形成联合腔体且腔内充满液体。同时，密封圈与隔振器主体下端腔体壁及密封盖209形成弹性空气腔208。隔振器主体通过中段铰接点108接与隔振器支座上，支座固接在载具地板上。
其中，隔振器主体个数可根据乘员座椅主体质量及需求被隔振的频率决定，隔振器主体上端均与座椅主体中空结构相连，即隔振器上端相通，内部压力相同。
本发明工作原理如下：
当载具在载荷作用下发生振动时，载具地板会相对于平衡位置做上下往复运动。在没有隔振系统的情况下，座椅主体也会受到载具振动作用，随载具做上下往复运动。
安装隔振系统后，给连通的封闭腔体充入适当的液体，通过变压充气孔加压后密封。载具地板振动引起的上下往复运动会引起与座椅腔体相连的隔振器主体上下运动，此时隔振器上端开口扩张边在中空座椅腔体内的运动，扩张边的运动导致座椅腔体空间发生变化，当扩张边向上运动时，座椅腔体内部空间减小，部分液体在压力作用下挤入隔振器中空和其底部的腔体内。而当载具地板向下运动时，在橡胶恢复力及内腔压力作用下，扩张边向下运动，液体在空气腔压力及弹性密封圈等恢复力作用下，通过隔振器中空结构回流到座椅内部。
通过上述运动关系，载具振动所产生上下运动，会部分转换成为液体在腔体内的上下流动，由于隔振器中空孔径相对扩张边较小，液体在隔振器中的运动会被加速，振动能量转换为液体快速运动的动能，座椅的相对运动对比未安装隔振系统的时大幅下降。使用变压充气孔充压或降压，能改变腔体内整体的压强，同时能改变隔振器底端的空气腔的强度，即改变隔振器液体恢复运动的等效刚度，达到主动调节隔振频率和效率的目的。
假设变压主动液体隔振座椅系统拥有N件隔振器，将载具及乘员座椅部分的质量和受力均布分配到每一件隔振器上。则有载具及其它设备总质量为M1，座椅主体及乘员的总质量为M2，隔振器中空结构内的液体质量为m，隔振器主体中空结构面积为A0，上端开口扩张边面积为A1，底部封闭腔体的面积为A2，橡胶弹簧的动态刚度为K1，弹性空气腔的等效刚度为K2。其力学模型可等效为图1所示。其中K2与弹性密封圈刚度K3和外部充压压强Pw的关系如下：
Figure BDA0002700980850000071
其中，P0为标准大气压力，Ae为空气腔面积，Vs为空气腔体积，α、β为与空气腔形状有关的参数，k为空气腔的绝热指数，此处认为常数项。
由刚度K2的公式可以知道，变压主动液弹隔振器可通过变压充气孔调解其空气腔的的等效动刚度。
在垂向力fs的作用下，载具及其它设备总质量的位移为X1，座椅主体的位移为X2，液体腔内液体移动的位移为X0，
隔振器封闭腔体内液体相对于外壳移动的位移为Xd。隔振器封闭腔体底部所受液体的压力记为f2，下腔的压强记为P2，上腔顶部所受液体的压力记为f1，上腔的压强记为P1，液体的压力方向与它作用面的法向同向，故压强为标量，没有方向，压强的正负表示相对于原平衡位置时压强的增大或减小。
液体在隔振器中空通道流动时，将受到由于流体的粘性产生的粘性阻尼力以及通道扩张和收缩产生局部损失阻尼力。设阻尼系数为c，橡胶的损耗系数为η。假设：
R1＝A1/A0 R2＝A2/A0
由流体的连续性方程A0·X0＝A1·(X1-X2)＝A2·X2，压强方程P2＝(-K2·X2)/A2，及隔振器中空结构内的流体m、载具及其它设备重量M1、座椅主体M2的平衡方程可以得到如下平衡方程：
Figure BDA0002700980850000081
Figure BDA0002700980850000082
Figure BDA0002700980850000083
通过上述公式，可以知道单个隔振器的振动传递率为：
Figure BDA0002700980850000084
当f为频率为ω谐波激励时，隔振器使座椅乘员的振动趋近于0，有最佳隔振频率为：
Figure BDA0002700980850000085
由上述公式可知，通过变压孔改变隔振器空气腔体的压力引起其K2的变化，即会改变隔振座椅系统中单件隔振器的隔振效率及最佳隔振频率。

Claims (4)

1.变压主动液体隔振座椅系统，其特征在于，所述系统包括：中空座椅主体、悬架滑块、隔振器主体、隔振器支座、限位滑槽、剪切式悬架、变压充气孔；
所述中空座椅主体的座椅底面为中空腔体，所述中空座椅主体两侧后端分别设有一个限位滑槽，且中空座椅主体下方两侧地板上也分别设有一个限位滑槽；所述限位滑槽内均设有悬架滑块且所述悬架滑块可在限位滑槽内滑动；所述中空座椅主体两侧分别设有一个剪切式悬架，所述剪切式悬架前端两个连接点分别与中空座椅主体前端和下方地板铰接；所述剪切式悬架后端两个连接点分别与中空座椅主体后端和下方地板上的两个限位滑槽内的悬架滑块连接；
隔振器主体通过中段铰接点接与隔振器支座上，支座固接在地板上；
隔振器主体为中空上下端开口结构，上端开口与中空腔体连接，下端开口连接封闭腔体，所述中空腔体、隔振器主体内部和封闭腔体联通且密封形成联合腔体，所述联合腔体内充满液体；
所述封闭腔体中部设有弹性密封圈，弹性密封圈上部填充液体形成液体腔，弹性密封圈下部填充空气形成弹性空气腔；
所述隔振器主体上端开口扩张边沿通过橡胶弹簧与座椅密封盖连接，所述隔振器主体可在橡胶弹簧作用下垂直运动；
所述变压充气口设置在座椅底面后端并连接所述中空腔体，所述变压充气孔用于与充气设备相连为所述中空腔体充放气。
2.根据权利要求1所述的变压主动液体隔振座椅系统，其特征在于：通过所述变压充气孔调节中空腔体内气压以调节联合腔体内的工作压力从而改变座椅系统的隔振频率。
3.根据权利要求2所述的变压主动液体隔振座椅系统，其特征在于：通过调节中空腔体内气压使得座椅系统的隔振频率与外界激振频率相同。
4.根据权利要求1所述的变压主动液体隔振座椅系统，其特征在于：所述隔振器数量为多个。
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