一种多维减振座椅

1.本发明涉及工程机械多维减振座椅和智能材料的技术领域，特别地，涉及一种多维减振座椅。


背景技术：

2.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。
3.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cn 106627287 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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.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液材料和磁流变弹性体材料。磁流变液材料的阻尼系数可在磁场环境作用下迅速发生变化，磁流变弹性体材料在磁场环境作用下可发生伸缩变化并改变刚度。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，并用基于磁流变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。
8.因此，现有技术中亟需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。


技术实现要素：

9.针对上述问题，本发明提供了如下的技术方案。
10.一种多维减振座椅，包括：
11.上平台和下平台；
12.减振器前导杆和减振器后导杆，所述减振器前导杆套设在所述减振器后导杆的前端，所述减振器后导杆与所述上平台铰接连接，所述减振器前导杆与所述下平台铰接连接；
13.其中，所述减振器前导杆包括：
14.减振器套筒；
15.挤压式磁流变弹性体，设置在所述减振器套筒内；
16.上线圈绕组，设置在所述减振器套筒内壁并缠绕在挤压式磁流变弹性体周围；
17.两个永磁体，分别设置在所述挤压式磁流变弹性体的上方和下方；和
18.传力弹簧，上端与设置在所述挤压式磁流变弹性体的下方的所述永磁体连接，所述传力弹簧下端与所述减振器后导杆连接；
19.所述减振器后导杆包括：
20.减振器缸筒，所述减振器套筒套设在所述减振器缸筒的上端，所述减振器缸筒的顶部盖设有减振器缸盖；
21.减振器活塞，设置在所述减振器缸筒内，所述减振器活塞中设置有流量控制杆；
22.流量控制盘，设置在所述减振器活塞的底部，并且与所述流量控制杆的底端固定连接；所述流量控制盘上设置有控制盘磁流变液流通孔；
23.步进电机，设置在所述减振器活塞的上方空间；
24.下线圈绕组，缠绕设置在所述减振器活塞中部；和
25.浮动活塞，设置所述减振器缸筒内，并且位于所述减振器活塞下方，所述浮动活塞将所述减振器缸筒的内部分为上下两部分，其中，上半部分为充满磁流变液的变阻尼工作
腔，下半部分为气室，所述气室中容纳有压缩空气；和
26.减振器活塞杆，设置在所述减振器套筒内，并贯穿两个所述永磁体、所述挤压式磁流变弹性体、所述传力弹簧和所述减振器缸盖，并且，所述减振器活塞杆的下端插入所述减振器缸筒中并与所述减振器活塞连接；
27.其中，所述减振器活塞内部设置有用于磁流变液流动的通道式结构，所述减振器活塞的下部设置有活塞磁流变液流通孔，所述活塞磁流变液流通孔与所述通道式结构和所述控制盘磁流变液流通孔均连通；并且
28.其中，步进电机带动所述流量控制杆和所述流量控制盘旋转，改变所述控制盘磁流变液流通孔和所述活塞磁流变液流通孔的重合面积，进而改变所述减振器的阻尼，与改变所述下线圈绕组的通电电流相结合，从而对所述减振器的阻尼进行多级调节。
29.所述减振器套筒的上方套设有减振器上盖，所述减振器后导杆通过所述减振器上盖与所述上平台铰接连接，
30.所述减振器缸筒的下方套设有减振器下盖，所述减振器前导杆通过所述减振器下盖与所述下平台铰接连接。
31.所述传力弹簧上端和下端分别通过弹簧卡盘与设置在所述挤压式磁流变弹性体的下方的所述永磁体和所述减振器缸盖连接。
32.所述浮动活塞上安装有浮动活塞密封圈，从而将浮动活塞上方的腔体中的磁流变液与浮动活塞下方的所述气室隔绝。
33.所述减振器活塞上部和下部分别安装有两道减振器活塞密封圈，从而与所述减振器缸筒的内壁配合。
34.所述减振器缸盖中间设置有活塞杆密封圈以保证所述减振器活塞杆与所述减振器缸盖的密封。
35.所述上平台的下侧设置有上铰接台，所述上铰接台上设置有上铰接球，所述下平台的上侧设置有下铰接台，所述下铰接台上设置有下铰接球，所述减振器上盖通过上安装孔与所述上铰接球连接，所述减振器前导杆通过下安装孔与所述下铰接球连接。
36.本发明与现有技术相比的有益效果是：
37.1.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。
38.2.采用新型磁流变材料，并通过两路电流分别控制挤压式磁流变弹性体材料和磁流变液材料所处的磁场环境，达到变刚度和变阻尼的目的。
39.3.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
40.图1为智能材料减振器的结构示意图。
41.图2为智能材料减振器工作活塞的具备放大图。
42.图3为智能材料减振器流量控制盘的俯视图。
43.图4为多维减振座椅平台的主视图。
44.图5为多维减振座椅平台的俯视图。
45.图中，1—减振器上安装孔；2—减振器上盖；3—减振器活塞杆；4—减振器套筒；
5—上线圈绕组；6—永磁体；7—磁流变弹性体；8—弹簧卡盘；9—传力弹簧；10—减振器缸筒；11—减振器缸盖；12—活塞杆密封圈；13—减振器活塞；14—流量控制盘；15—磁流变液；16—下线圈绕组；17—减振器活塞密封圈；18—浮动活塞；19—浮动活塞密封圈；20—气室；21减振器下盖；22—减振器上安装孔；23—步进电机；24—流量控制杆；25—流量控制盘；26—控制盘磁流变液流通孔；27—上平台；28—上铰接台，29—上铰接球；30—减振器后导杆；31—下平台；32—下铰接台；33—下铰接球；34—减振器前导杆。
具体实施方式
46.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。
47.本发明通过对励磁线圈的电流的控制改变挤压式磁流变弹性体所处位置磁场强度的方法控制刚度变化。通过步进电机来对流量控制盘进行调整，以及对励磁线圈的电流的控制来实现对缸内磁流变液的粘度进行调整两种方法，实现阻尼的多级调整。两种方法结合最终实现减振器刚度和阻尼同时可调的目的。
48.如图1-5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27、下平台31、智能材料半主动减振器三部分组成。智能材料半主动减振器包括减振器前导杆34和减振器后导杆30，减振器前导杆34套设在减振器后导杆30的前端，减振器后导杆30通过上铰接球29与上平台27铰接连接，减振器前导杆34通过下铰接球33与下平台31铰接连接。
49.工作时，将半主动控制多维减振平台的下平台31通过螺栓与驾驶室地板刚性连接，上平台27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分别与上平台27和下平台31铰接。具体地，上平台27的下侧设置有上铰接台28，上铰接台28上设置有上铰接球29，下平台31的上侧设置有下铰接台32，下铰接台32上设置有下铰接球33，减振器后导杆30与上铰接球29连接，减振器前导杆34与下铰接球33连接。分别布置于上平台27和下平台31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。
50.减振器的阻尼控制主要在减振器活塞13中完成，在减振器活塞13的中部缠绕有下线圈绕组线圈16，通过控制下线圈绕组16通电电流的大小并产生不同磁感应强度大小的磁场，使通过活塞通道内的磁流变液黏度发生改变，从而改变减振器阻尼。
51.通过活塞上方空间内的步进电机23带动下方的流量控制杆24和流量控制盘25旋转，改变流量控制盘磁流变液流通孔26和活塞下方的活塞磁流变液流通孔的重合面积，从而改变磁流变液流过减振器活塞时的通过面积，进而改变减振器的阻尼，与改变下线圈绕组通电电流相结合，实现对减振器阻尼的多级调节。
52.减振器的刚度控制主要由两个永磁体6挤压式磁流变弹性体7以及缠绕在减振器套筒4内壁的上线圈绕组5完成。减振器在工作时通过调节上线圈绕组5的电流改变磁流变弹性体7周围的磁场环境从而改变减振器的刚度。在减振器受到压缩时，其上下两永磁体间距也随之改变，间距减小，磁场增强，间距增大，磁场减弱，减振器此变化磁场也叠加在弹性体上。受此规律影响，减振器受到载荷越大，上下两永磁体间磁场强度越大，磁流变弹性体
的刚度也越大，这使减振器的刚度变化达到主被动一体化控制的减振效果。
53.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。
54.上平台27的下侧设置有上铰接台28，上铰接台28上设置有上铰接球29，下平台31的上侧设置有下铰接台32，下铰接台32上设置有下铰接球33，减振器上盖2通过上安装孔1与上铰接球29连接，减振器前导杆34通过下安装孔22与下铰接球33连接。
55.减振器前导杆34包括：减振器套筒4、挤压式磁流变弹性体7、上线圈绕组5、两个永磁体6和传力弹簧9。减振器后导杆30包括：减振器缸筒10、减振器活塞13、流量控制盘25、步进电机23、下线圈绕组16和浮动活塞18。
56.减振器活塞杆3设置在减振器套筒4内，并贯穿两个永磁体6、挤压式磁流变弹性体7、传力弹簧9和减振器缸盖11。
57.减振器活塞杆3外套设传力弹簧9，其中，传力弹簧9安装在上下两个弹簧卡盘8上。减振器刚度元件包括永磁体6和挤压式磁流变弹性体7，两个弹簧卡盘分别和永磁体6以及减振器缸盖11相连接。挤压式磁流变弹性体7设置在两个永磁体6之间，两个永磁体6和挤压式磁流变弹性体7以及缠绕在减振器套筒4内壁的上线圈绕组5作为变刚度原件。
58.减振器活塞杆3的下端插入减振器缸筒10中并与与减振器活塞13相连，减振器缸筒10的上方与减振器缸盖11相连接，减振器缸盖中间安装有活塞杆密封圈12保证减振器缸体内的密封。减振器活塞13的上下部分安装有两道减振器活塞密封圈17与减振器缸筒10内壁配合。在活塞内部设有通道式结构14用于磁流变液流动。在减振器活塞13中部缠绕有下线圈绕组线圈16，用于产生磁场实现变阻尼的目的。在减振器活塞13下方安装有浮动活塞18将减振器缸筒内部分为上下两部分。上半部分为变阻尼工作腔，其中，充满磁流变液15作为工作介质，浮动活塞18上安装有浮动活塞密封圈19可以将上方工作腔中的磁流变液15与下方气室20隔绝。浮动活塞18下方为气室20，气室20中的高压气体会起到一定的缓冲作用并补偿减振器拉伸行程活塞杆伸出工作腔之后产生的体积差，压缩行程的工作过程反之。
59.如图2-3所示，通过控制下线圈绕组通电电流的大小并产生不同磁感应强度大小的磁场，使通过活塞通道内的磁流变液黏度发生改变，从而改变减振器阻尼。减振器活塞13内部设置有用于磁流变液流动的通道式结构，减振器活塞13的下部设置有活塞磁流变液流通孔，活塞磁流变液流通孔27与通道式结构和控制盘磁流变液流通孔26均连通。通过减振器活塞13上方空间内设置的步进电机23带动下方的流量控制杆24和流量控制盘25旋转，改变流量控制盘磁流变液流通孔26和活塞下方的活塞磁流变液流通孔的重合面积，从而改变磁流变液15流过减振器活塞13时的通过面积，进而改变减振器的阻尼，与改变下线圈绕组16通电电流相结合，实现对减振器阻尼的多级调节。
60.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。减振器在工作时通过调节上线圈绕组5的电流改变磁流变弹性体7周围的磁场环境从而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。在减振器受到压缩时，其上下两个永磁体6的间距也随之改变，间距减小，磁场增强，间距增大，磁场减弱，减振器此变化磁场也叠加在弹性体上。受此规律影
响减振器受到载荷越大，上下两个永磁体6间的磁场强度越大，磁流变弹性体的刚度也越大，这使减振器的刚度变化达到主被动一体化控制的减振效果。综合利用磁流变液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刚度，挤压磁流变弹性体与弹簧串联，进而改变减振器刚度大小；通过控制上层线圈的磁场大小，来控制磁流变液的输出阻尼力，进而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。
61.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“内”、“外”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示和暗示所指的装置或原件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为本发明的限制。
62.以上的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。