CN114889506A - 一种特种车辆上专用的永磁减震椅及其减震效果验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特种车辆上专用的永磁减震椅及其减震效果验证方法，该特种车辆上专用的永磁减震椅，由磁环主减震系统、侧面辅助系统以及导向及支撑系统所组成；磁环主减震系统主要由椅子体、磁环、底座三部分组成；磁环设有两个且分别对应位于椅子体和底座上；侧面辅助系统主要由底座侧翼和若干个磁条组成；底座侧翼与底座一体化，磁条分布安装于底座侧翼以及椅子体上；导向及支撑系统由导向部分和支撑部分所组成；本发明有效避免弹性流失、塑性变形等失效；有效避免零件的磨损；有效减少对零件冲击载荷，提高零件使用寿命；且不需要额外的动力系统，降低能耗。本发明还能够准确验证座椅的减震效果。

Description

一种特种车辆上专用的永磁减震椅及其减震效果验证方法

技术领域

本发明涉及一种应用于汽车上的座椅，具体的说是一种特种车辆上专用的永磁减震椅及其减震效果验证方法。

背景技术

相对于传统静态的座椅，特种车辆上的座椅为了确保人体乘坐的舒适性，需具备良好的减震效果。目前的减震系统主要有机械弹簧和减震器避震器组合形成，减震器可分为气压、液压式等。路面不平或速度加速度突变时，由弹簧吸收震动。其中液压式由减震器壳体内油液反复出入狭小空隙形成的阻尼抵抗震动，气压式由工作活塞在油液中的往复运动产生的腔体油压差推动压力油推开压缩阀和伸张阀来回流动产生的阻尼衰减震动。

上述传统减震系统存在两大缺陷，一是传统的机械弹簧会随着使用时间的增加而减小弹力，其弹簧会发生塑性变形等失效形式；二是液压和气压装置对设备的密封性要求较高，在震动过程中不易保证良好的密封性，因此成本较高，且泄露会造成环境污染。

发明内容

现为了能够使用非接触力有效减少特种车辆行驶过程中的震动，并且以较低的成本、较简单的结构达到减震效果，本发明提出了一种特种车辆上专用的永磁减震椅及其减震效果验证方法。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种特种车辆上专用的永磁减震椅，由磁环主减震系统、侧面辅助系统以及导向及支撑系统所组成；磁环主减震系统主要由椅子体、磁环、底座三部分组成；磁环设有两个且分别对应位于椅子体和底座上；磁环为整体式永磁体；椅子体和底座上镶嵌的两个磁环同极相对。磁环主减震系统为本减震椅的主要减震系统，当车辆运行在不平整路面或其速度加速度突变产生震动时，由镶嵌在椅子体和底座上同极相对的磁环产生的斥力抵抗冲击，其磁力随着相对位置的靠近而增大。磁环为整体式永磁体，保证在椅子运动时能时刻保持同极相对。

侧面辅助系统主要由底座侧翼和若干个磁条组成；底座侧翼与底座一体化，磁条分布安装于底座侧翼以及椅子体上；

底座侧翼设有两个且两个底座侧翼分别位于底座上左右两侧。

每一条磁条都是整体式永磁体；椅子体的左右两侧各设有一条磁条；每个底座侧翼上设有两条沿竖直方向排列的磁条。两条沿竖直方向排列的磁条上下抵合。

每个底座侧翼上的两个磁条中，位于上侧的磁条磁极与椅子体上的磁条磁极相反，位于下侧的磁条磁极与椅子体上的磁条磁极相同。两个磁极分别为N极和S极。

侧面辅助系统的磁条依据磁悬浮原理布置，当椅子相对于底座的相对位置偏下时，椅子受到来自底座上方磁条的吸引力以及来自字多下方磁条的斥力，使得椅子体能保持在相对与底座稳定的位置。

导向及支撑系统由导向部分和支撑部分所组成；支撑部分主要由支撑杆、导轨、滑块、限位块组成；导向部分主要由导向杆、导向槽、滑轮组成。

支撑杆设有两对且每一对的支撑杆中部相互穿插而过，每一对支撑杆的后上端、后下端分别对应与椅子体上的凸起、底座上的凸起连成转动副；每一对支撑杆的前上端、前下端分别与对应的滑块连成转动副。

导轨以及限位块在椅子体以及底座上均有安装，滑块对应滑动安装于导轨上。导轨在椅子体以及底座上均设有两个。限位块则一一对应位于每个导轨旁侧，限位块用于限定滑块滑动的极限位置。

导向及支撑系统的四根支撑杆两两相互穿插成X型布置，支撑杆与底座、椅子体之间形成转动副，滑块在导轨内的滑动保证了椅子体的上下浮动；

导向杆安装于底座上，滑轮竖直排布安装于导向杆上，导向槽焊接在的椅子体的椅背上，导向杆与导向槽竖直滑动配合。具体地说，椅子体背部的导向槽套入底座的导向杆中，导向杆上每隔一定距离布置有定滑轮，保证导向机构良好的滑动性能。

本发明的技术关键点在于：

1、利用永磁体同极相对产生的斥力达到缓冲减震的效果；

2、运用铰链机构和导向机构限制椅子体在位移过程中的位移方向。

本发明的有益效果是：

1、采用充磁简单的永磁弹簧代替传统弹簧，有效避免弹性流失、塑性变形等失效；

2、结构简单，初期投入后有高回报，整个减震系统采用非接触力，有效避免零件的磨损；

3、永磁体工作可靠，磁力可控性较好，属于无级变力减震，有效减少对零件冲击载荷，提高零件使用寿命；

4、导向机构的设立保证了椅子体运动时位移方向的可控性，定滑轮的设置使得导向机构的内部摩擦大大减小，增加零件使用寿命；

5、永磁体无环境污染，绿色环保，不需要额外的动力系统，降低能耗。

6、能够准确验证座椅的减震效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的立体示意图一；

图2是本发明的立体示意图二；

图3是本发明的主视图；

图4是图3的A-A剖视图；

图5是磁条分布状态图；

图6是模拟磁环主减震系统的三维模型图；

图7是模拟磁环主减震系统的三维模型在选材以及充磁后的模型图；

图8是计算步划分设置图；

图9是精度设置图；

图10是磁场分布云图；

图11是磁场分布矢量图；

图12是磁场俯视云图；

图13是磁场主视云图；

图14是在主要工作平面内的磁场径向幅值图；

图15是图14所对应的磁场分布云图；

图16是两磁环受到的斥力变化；

图17是试验台的搭建方式示意图。

图中：1、椅子体；2、磁环；3、底座；4、磁条；5、底座侧翼；6、支撑杆；7、导轨；8、滑块；9、限位块；10、导向杆；11、滑轮；12、导向槽；13、道路颠簸振动试验机；14、激光测振仪；15、数据接收采集系统。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面将结合实施例中的附图，对本发明进行更清楚、更完整的阐述，当然所描述的实施例只是本发明的一部分而非全部，基于本实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动性的前提下所获得的其他的实施例，均在本发明的保护范围内。

实施例一：

如图1至图4所示，一种特种车辆上专用的永磁减震椅，由磁环主减震系统、侧面辅助系统以及导向及支撑系统所组成；磁环主减震系统主要由椅子体1、磁环2、底座3三部分组成；磁环2设有两个且分别对应位于椅子体1和底座3上；磁环2为整体式永磁体；椅子体和底座上镶嵌的两个磁环同极相对。磁环主减震系统为本减震椅的主要减震系统，当车辆运行在不平整路面或其速度加速度突变产生震动时，由镶嵌在椅子体和底座上同极相对的磁环产生的斥力抵抗冲击，其磁力随着相对位置的靠近而增大。磁环为整体式永磁体，保证在椅子运动时能时刻保持同极相对。

侧面辅助系统主要由底座侧翼5和若干个磁条4组成；底座侧翼5与底座3一体化，磁条4分布安装于底座侧翼5以及椅子体1上；

底座侧翼5设有两个且两个底座侧翼5分别位于底座3上左右两侧。

每一条磁条4都是整体式永磁体；椅子体1的左右两侧各设有一条磁条4；每个底座侧翼5上设有两条沿竖直方向排列的磁条4。两条沿竖直方向排列的磁条4上下抵合。

每个底座侧翼5上的两个磁条4中，位于上侧的磁条4磁极与椅子体1上的磁条4磁极相反，位于下侧的磁条4磁极与椅子体1上的磁条4磁极相同。两个磁极分别为N极和S极，那磁条4具体的磁极分布状态可如图5所示。

侧面辅助系统的磁条依据磁悬浮原理布置，当椅子相对于底座的相对位置偏下时，椅子受到来自底座上方磁条的吸引力以及来自字多下方磁条的斥力，使得椅子体能保持在相对与底座稳定的位置。

导向及支撑系统由导向部分和支撑部分所组成；支撑部分主要由支撑杆6、导轨7、滑块8、限位块9组成；导向部分主要由导向杆10、导向槽12、滑轮11组成。

支撑杆6设有两对且每一对的支撑杆6中部相互穿插而过，每一对支撑杆6的后上端、后下端分别对应与椅子体1上的凸起、底座3上的凸起连成转动副；每一对支撑杆6的前上端、前下端分别与对应的滑块8连成转动副。

导轨7以及限位块9在椅子体1以及底座3上均有安装，滑块8对应滑动安装于导轨7上。导轨7在椅子体1以及底座3上均设有两个。限位块9则一一对应位于每个导轨7旁侧，限位块9用于限定滑块8滑动的极限位置。

导向及支撑系统的四根支撑杆两两相互穿插成X型布置，支撑杆与底座、椅子体之间形成转动副，滑块在导轨内的滑动保证了椅子体的上下浮动；

导向杆10安装于底座3上，滑轮11竖直排布安装于导向杆10上，导向槽12焊接在的椅子体1的椅背上，导向杆10与导向槽12竖直滑动配合。具体地说，椅子体背部的导向槽套入底座的导向杆中，导向杆上每隔一定距离布置有定滑轮，保证导向机构良好的滑动性能。

实施例二：

仿真分析

仿真过程分为：

1、建模

2、材料选择及充磁

3、结果后处理

1、建模

在Maxwell软件中建立模拟磁环主减震系统的三维模型，具体如图6所示。

其参数设置如下：

外圈直径为500mm，两磁环间隔300mm，

内圈直径为150mm，厚度为50mm；

磁轭与磁环外圈相隔10mm，磁轭厚度为10mm，磁轭总高度70mm。

2、材料选择及充磁

磁轭采用steel_1008，其磁导率较好，可有效防治磁力外漏。

磁环采用NdFe_35作为材料，并分别对其进行z轴方向充磁，其相对磁导率为0.05H/m，上方磁体延z轴负方向充磁，下方磁体相反。

选材以及充磁后的模型图如图7所示。

所设长方体边界，所设长方体边界，并对其进行如下假设：

1)假定其内部真空；

2)假定其边界外无绝对漏磁。

软件自动划分网格，以长度为单位，网格长度44mm，运算精度为1，最大迭代次数为15次，至少运算2次，每道工序精细度为30％，最小收敛过程为1，具体计算步划分如图8所示，精度设置如图9所示。

3、结果后处理

磁场分布云图如图10所示，磁场分布矢量图如图11所示。

其中磁场最强处大约为0.8tesla，最弱处大约为0.0001tesla。磁场主要呈环形分布。

磁场俯视云图如图12所示，磁场主视云图如图13所示。

在主要工作平面内的磁场径向幅值如图14所示。

由图14可知磁场强度在尺寸突变出有较大增幅，其磁场分布云图如图15所示。

以圆心为中心对称分布。其中取28个经典位置，每相邻两个计算梯度，对于一元函数来说其梯度计算公式为：

得出结果如下表1所示

表1

假设下磁环固定，上磁环浮动，通过图16反应了两磁环在间距为150mm～350mm时上磁环受到的斥力变化。

由图16可知随着距离减小，斥力逐渐增强。由图可观察到可以承受的体重范围为46kg～176kg左右，基本符合一个成年人类的体重。

实施例三：

当车辆行驶于坑洼路面即造成震动时，椅子体承受驾驶员向下的惯性力，此时主减震系统发挥作用，两磁环相对距离减小，斥力增大，在椅子体侧面的一体式磁条相对于底座侧翼的位置偏下，受到来自底座侧翼下方磁条的斥力和底座侧翼上方磁条的吸引力，起到辅助减震的作用。椅子体背部的导向槽随着定滑轮滚动延着导向杆向下运动，保证其在水平方向无较大位移，使得主减震系统的两磁极始终保持较好的相对位置。安装在底座和椅子体上的导轨内滑块移动保证椅子体能够有足够的位移缓冲，同时限位块限制了最大的位移距离。

实施例四：

永磁减震椅的减震效果验证方法，其具体实验原理为：

本验证方法采用道路颠簸振动试验机模拟不同路况，为减振椅提供激振源。借助数据采集系统，利用激光测振仪测量减振椅的底座3和减振椅的椅子体1两处的振幅和频率数据，计算减震振动系数η和振动舒适度指数ε，以此来验证减振椅的减震效果。

进一步的，搭建试验台，该试验台由道路颠簸振动试验机13、激光测振仪14(HT-P/HT-PP)以及数据接收采集系统15所构成。

具体搭建方法为：

将减震椅的底座3放置于道路颠簸振动试验机13的振动平台上，两处激光测振仪14分别对准减振椅的椅子体1和减振椅的底座3，将收集到的平均振幅、最大振幅、最小振幅、频率等数据传输到数据接收采集系统15中分析处理。试验台搭建好的结构如图17所示。

试验台搭建后的验证步骤为：

S1、试验台准备：

调试好道路颠簸振动试验机13的振动平台、激光测振仪14和数据接收采集系统15。

S2、选择道路模式：

道路颠簸振动试验机13的振动平台可以提供多种道路模拟环境，选择三种特殊路况的道路模式，包括：

1强化坏路，包括搓板、石块、卵石、扭曲、坑洼、鱼鳞坑、砂石、混凝土等公路特性。

2越野路，常由山坡、侧坡、荒野、碎石、沙土、沙地、泥泞坑、灌木林、草地、急弯等特征路段组成。

3通过性试验路，通过性试验路常包括涉水池、溅水池、垂直障碍、路沟、壕沟等。

通过选择道路颠簸振动试验机的不同道路模式，开始试验测试，测试时间为t。

S3、数据采集：

打开数据采集系统，分别采集三种道路模式下的六个参数数据，包括减振椅的底座3和减振椅的椅子体1的平均振幅A₁和A₀、减振椅的椅子体1的最大振幅A_max、最小振幅A_min、平均频率f和试验时间t。

S4、数据处理：

本试验用振动系数η以及振动舒适度指数ε来衡量减震特性；

η＝A₁/A₀ (1)

A₁：减振椅的椅子体1的平均振幅；

A₀：减振椅的底座3的平均振幅；

A_max：减振椅的椅子体1最大振幅；

A_min：减振椅的椅子体1最小振幅；

f：减振椅的椅子体1平均频率；

t：试验总时间；

将上述六个参数数据，带入公式1和公式2计算；计算出振动系数振动系数η1、η2、η3，和振动舒适度指数ε1、ε2、ε3，最终，取最优值。

S5、结果分析：

若η<1，说明本减震椅具有减震效果，根据本设计的减震要求；若η≤0.5时，说明减震效果良好，符合本次设计要求；三个舒适度指数ε越大，则说明人体感觉越舒适。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种特种车辆上专用的永磁减震椅，由磁环主减震系统、侧面辅助系统以及导向及支撑系统所组成；其特征在于：磁环主减震系统主要由椅子体(1)、磁环(2)、底座(3)三部分组成；磁环(2)设有两个且分别对应位于椅子体(1)和底座(3)上；侧面辅助系统主要由底座侧翼(5)和若干个磁条(4)组成；底座侧翼(5)与底座(3)一体化，磁条(4)分布安装于底座侧翼(5)以及椅子体(1)上；导向及支撑系统由导向部分和支撑部分所组成；支撑部分主要由支撑杆(6)、导轨(7)、滑块(8)、限位块(9)组成；导向部分主要由导向杆(10)、导向槽(12)、滑轮(11)组成。

2.根据权利要求1所述的一种特种车辆上专用的永磁减震椅，其特征在于：磁环(2)为整体式永磁体；椅子体和底座上镶嵌的两个磁环同极相对。

3.根据权利要求1所述的一种特种车辆上专用的永磁减震椅，其特征在于：底座侧翼(5)设有两个且两个底座侧翼(5)分别位于底座(3)上左右两侧。

4.根据权利要求3所述的一种特种车辆上专用的永磁减震椅，其特征在于：每一条磁条(4)都是整体式永磁体；椅子体(1)的左右两侧各设有一条磁条(4)；每个底座侧翼(5)上设有两条沿竖直方向排列的磁条(4)。

5.根据权利要求4所述的一种特种车辆上专用的永磁减震椅，其特征在于：每个底座侧翼(5)上的两个磁条(4)中，位于上侧的磁条(4)磁极与椅子体(1)上的磁条(4)磁极相反，位于下侧的磁条(4)磁极与椅子体(1)上的磁条(4)磁极相同。

6.根据权利要求1所述的一种特种车辆上专用的永磁减震椅，其特征在于：支撑杆(6)设有两对且每一对的支撑杆(6)中部相互穿插而过，每一对支撑杆(6)的后上端、后下端分别对应与椅子体(1)上的凸起、底座(3)上的凸起连成转动副；每一对支撑杆(6)的前上端、前下端分别与对应的滑块(8)连成转动副。

7.根据权利要求6所述的一种特种车辆上专用的永磁减震椅，其特征在于：导轨(7)以及限位块(9)在椅子体(1)以及底座(3)上均有安装，滑块(8)对应滑动安装于导轨(7)上。

8.根据权利要求1所述的一种特种车辆上专用的永磁减震椅，其特征在于：导向杆(10)安装于底座(3)上，滑轮(11)竖直排布安装于导向杆(10)上，导向槽(12)焊接在的椅子体(1)的椅背上，导向杆(10)与导向槽(12)竖直滑动配合。

9.一种特种车辆上专用的永磁减震椅的减震效果验证方法，利用权利要求1至8中任意一项所述的一种特种车辆上专用的永磁减震椅，其特征在于：搭建试验台，该试验台由道路颠簸振动试验机(13)、激光测振仪(14)以及数据接收采集系统(15)所构成；

具体搭建方法为：

将减震椅的底座(3)放置于道路颠簸振动试验机(13)的振动平台上，两处激光测振仪(14)分别对准减振椅的椅子体(1)和减振椅的底座(3)，将收集到的平均振幅、最大振幅、最小振幅、频率等数据传输到数据接收采集系统(15)中分析处理。

10.根据权利要求9所述的永磁减震椅的减震效果验证方法，其特征在于：试验台搭建后的验证步骤为：

S1、试验台准备：

调试好道路颠簸振动试验机(13)的振动平台、激光测振仪(14)和数据接收采集系统(15)；

S2、选择道路模式：

道路颠簸振动试验机(13)的振动平台可以提供多种道路模拟环境，选择三种特殊路况的道路模式，包括：

1)强化坏路，包括搓板、石块、卵石、扭曲、坑洼、鱼鳞坑、砂石、混凝土等公路特性；

2)越野路，常由山坡、侧坡、荒野、碎石、沙土、沙地、泥泞坑、灌木林、草地、急弯等特征路段组成；

3)通过性试验路，通过性试验路常包括涉水池、溅水池、垂直障碍、路沟、壕沟等；

通过选择道路颠簸振动试验机的不同道路模式，开始试验测试，测试时间为t；

S3、数据采集：

打开数据采集系统，分别采集三种道路模式下的六个参数数据，包括减振椅的底座(3)和减振椅的椅子体(1)的平均振幅A₁和A₀、减振椅的椅子体(1)的最大振幅A_max、最小振幅A_min、平均频率f和试验时间t；

S4、数据处理：

本试验用振动系数η以及振动舒适度指数ε来衡量减震特性；

η＝A₁/A₀ (1)

A₁：减振椅的椅子体(1)的平均振幅；

A₀：减振椅的底座(3)的平均振幅；

A_max：减振椅的椅子体(1)最大振幅；

A_min：减振椅的椅子体(1)最小振幅；

f：减振椅的椅子体(1)平均频率；

t：试验总时间；

将上述六个参数数据，带入公式1和公式2计算；计算出振动系数振动系数η1、η2、η3，和振动舒适度指数ε1、ε2、ε3，最终，取最优值；

S5、结果分析：

若η<1，说明本减震椅具有减震效果，根据本设计的减震要求；若η≤0.5时，说明减震效果良好，符合本次设计要求；三个舒适度指数ε越大，则说明人体感觉越舒适。

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