基于双滚子负刚度座椅悬架、参数设定方法及其存储介质

1.本发明涉及座椅悬架技术领域，具体为一种基于双滚子负刚度座椅悬架、参数设定方法及其存储介质。


背景技术：

2.汽车的出现改变了交通方式，成为人们生活中不可或缺的一部分。随着生活质量的提高，人们对舒适驾驶的需求也在提高。汽车制造商现在更加重视开发车辆的机舱，以满足司机和乘客的舒适需求。造成驾驶不适感的主要因素是路面振动，路面振动通过汽车悬架和座椅悬架间接影响人体，引起不良的生理和心理反应，甚至危害人体健康。研究发现，长期暴露在车辆振动中会对心血管系统和神经组织造成损害，导致听力损失、反应迟钝和腰椎间盘突出症等健康问题。因此，减少车辆振动对于提高驾驶舒适性和维护人体健康至关重要。
3.汽车减振主要通过三个部分来实现：轮胎、汽车悬架、座椅悬架。降低轮胎的垂直刚度以提高乘坐舒适性会缩短轮胎的使用寿命。改变悬架的刚度会影响车辆的性能，且应用起来相对复杂。相比之下，改变座椅悬架参数对其他车辆性能影响较小，且易于制造，性价比高。驾驶员和乘客直接连接到座椅上，使其成为防止振动的最后一道防线。因此，座椅必须有效地隔离大部分振动和冲击，以提高驾驶舒适性。虽然大多数乘用车仅依赖泡沫缓冲，但在恶劣工作环境下的商用车需要更有效的座椅悬挂系统来充分隔离振动。
4.正负刚度并联弹簧作为一种新型非线性被动控制元件，己广泛应用于航空航天、空间微重力、引力波探测等领域，可实现低频振动隔离。用正负刚度弹簧并联作弹性元件的汽车座椅，既克服螺旋弹簧作弹性元件的座椅固有频率高的缺点，又保留了它强度高，寿命长，性能稳定的优点，同时由于座椅固有频率可按设计原则进行设计而振动幅值又小，因此舒适性可以得到改善，对提高汽车舒适性具有重要意义。
5.座椅减振元件从控制方面可以分为主动控制、半主动控制和被动控制。其中被动控制又可分为线性和非线性。线性振动是指弹性恢复力与运动参数(位移、速度)成线性关系，否则称为非线性振动。传统的线性被动控制减振元件结构简单，成本低，但隔振频带窄，自适应性差。新型的主动、半主动控制减振元件隔振效果好，但耗能大，可靠性不高。近年出现了非线性被动隔振元件，它既能克服主动控制元件能耗大的缺点，又能改善弹性的自适应性，弹性可以根据振动特性设计，呈非线性。正负刚度并联弹簧减振机构作为一种新兴的非线性隔振元件，具有很多优点，可以显著提高隔振效果，特别是低频隔振效果更好。本发明基于正负刚度并联原理设计了汽车座椅减振机构，对于行驶环境差的工程车辆及越野汽车减振具有重要意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于双滚子负刚度座椅悬架、参数设定方法及其存储介质，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于双滚子负刚度座椅悬架，座椅悬架的机构由竖直空气弹簧和负刚度机构组成，竖直空气弹簧主要起支撑载荷的作用，负刚度机构包括对向设置的弹簧套筒，设置在弹簧套筒内的水平弹簧、水平弹簧一侧连接的通过小滚轮连杆安装的小滚轮、大滚轮支架、设置大滚轮支架上的大滚轮以及底座；
8.水平弹簧一端固定在底座上，随小滚轮的移动不断改变被压缩量，两个小滚轮水平对称放置，两个小滚轮与大滚轮的两侧接触。
9.由振动理论推导出系统振动传递率，改变传递绿的参数，调整悬架系统的动态刚度，最终座椅悬架达到准零刚度。
10.更进一步，所述大滚轮和大滚轮支架通过螺栓螺母连接，大滚轮的高度可进行调整。
11.更进一步，所述大滚轮竖直放置与两个小滚轮正中间，大滚轮支架下端与大滚轮相连。
12.优选的，大滚轮支架上端固定到座椅上端面，底座底端固定在机舱地板上，另一端与汽车座椅相连。
13.一种基于双滚子负刚度座椅悬架的参数设定方法：
14.将人体重量及座椅重量简化为质量块m，当质量块m处在自由状态时，大小滚轮接触角为0，当质量块m受到垂向载荷时，质量块m距离自由状态平衡位置的下降位移为z，此时大小滚轮接触角为θ；小滚轮连杆作为刚性无质量杆，其长度为a；两个水平弹簧的刚度为kh，当弹簧处于平衡状态时记弹簧起始长度为l0，当质量块m受垂向载荷时，水平弹簧长度为l
x
，大滚轮中心距离座椅内壁的距离记为l，大滚轮半径为r，小滚轮半径为r，竖直空气弹簧刚度为kv；
15.刚度k是零件在载荷作用下抵抗变形的能力，即载荷增量df与变形增量dx之比：
16.k＝df/dx
17.当k为正值时为正刚度,即随着载荷的增加变形量增加,正刚度值为kp，k为负值时为负刚度，即随着载荷的增加变形量反而减少，负刚度值为kn，并联弹簧的总刚度公式k＝kp+kn(kp》0，kn《0)，并联后的k《kp，即并联后的系统的总刚度比正刚度弹簧机构的总刚度要低；
18.正刚度弹簧和负刚度弹簧其刚度分别记为kv和kh，m为被隔振物体，在力f的作用下产生微小振幅z，并联后系统的总刚度k＝kv+kh《kv(kn《0),故并联后的总刚度在负刚度弹簧的负刚度区比正刚度弹簧刚度要小，其减小部分由负刚度弹簧造成，此为正负刚度并联相消原理；
19.在平衡位置时，由牛顿第二定律得到并联结构的微幅运动方程为：
[0020][0021]
此时系统的固有频率为由于kv+kh《kv，所以由于kv+kh《kv，所以由此，正负刚度弹簧并联后降低了系统的固有频率；
[0022]
由振动理论推导出系统振动传递率为：
[0023]
[0024]
由振动理论可知当时，t《1，系统才起隔振作用，此时t随λ的增大而减小，t越小隔振效果越好，因为λ＝w/wn》λ1＝w/w
n1
，故t《t1，即并联负刚度后的传递率比正刚度弹簧要小，隔振效果更佳，通过改变上述参数，调整悬架系统的动态刚度，最终座椅悬架达到准零刚度。
[0025]
一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现所述的参数设定方法。
[0026]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0027]
(1)本发明采用负刚度调整系统整体刚度，使其具有良好的静态承载性能和动态隔振能力；
[0028]
(2)本发明的系统设计的固有频率较低，低频隔振效果较好；
[0029]
(3)本发明的系统能有效减小振动响应幅值，缩短振动衰减时间，改善座椅舒适性。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1为本发明基于双滚子负刚度机构的座椅悬架结构示意图；
[0032]
图2为本发明双滚子负刚度机构的座椅悬架结构剖视内部结构示意图；
[0033]
图3为本发明正负刚度弹簧并联图；
[0034]
图4为本发明基于负刚度机构的座椅悬架结构控制原理图；
[0035]
图5为本发明正刚度特性图；
[0036]
图6为本发明负刚度特性图；
[0037]
图7为本发明正负刚度并联系统刚度特性图。
具体实施方式
[0038]
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种基于负刚度的座椅悬架，座椅悬架系统模型由该悬架机构由竖直空气弹簧3、负刚度机构2组成。竖直空气弹簧3主要起支撑载荷的作用，负刚度机构2由2个水平弹簧4，2个弹簧套筒5、1个大滚轮6、1个大滚轮支架7、2个小滚轮8、2个小滚轮连杆9以及1个底座1构成。水平弹簧4套在弹簧套筒5中，一端固定在底座1上，另一端通过小滚轮连杆9与小滚轮8相连，随小滚轮8的移动不断改变被压缩量。2个小滚轮8和小滚轮连杆9对平对称放置，一端连接水平弹簧4和弹簧套筒5，另一端与大滚轮6接触。大滚轮6和大滚轮支架7通过螺栓螺母连接，这使得大滚轮6的高度可以根据需要进行调整，二者竖直放置与两个小滚轮8正中间，大滚轮支架7下端与大滚轮6相连，上端固定到
座椅上端面。底座1底端固定在机舱地板上，另一端与汽车座椅相连。
[0040]
在本发明中系统配置设计及其对称性布置使所有的旋转自由度都受到限制，从而座椅只能垂直移动。
[0041]
一种基于负刚度的座椅悬架的参数设定方法：
[0042]
将人体重量及座椅重量简化为质量块m，当质量块m处在自由状态时，大滚轮6与小滚轮8接触角为0，当质量块受到垂向载荷时，质量块距离自由状态平衡位置的下降位移为z，此时大滚轮6与小滚轮8接触角为θ；小滚轮连杆9作为刚性无质量杆，并记其长度为a；两水平弹簧4的刚度为kh，当水平弹簧4处于平衡状态时记弹簧起始长度为l0，当质量块m受垂向载荷时，水平弹簧4长度为l
x
，大滚轮6中心距离座椅内壁的距离记为l，大滚轮6半径为r，小滚轮8半径为r，竖直空气弹簧3刚度为kv；
[0043]
其中，负刚度机构2对称布置，两水平弹簧4水平方向固定在弹簧套筒5内，弹簧套筒5固定在底座1内壁上，水平弹簧4一端固定在弹簧套筒5内侧，另一端通过小滚轮连杆9与小滚轮8相连，小滚轮8可以在弹簧套筒5内压缩，并在水平方向移动，小滚轮8通过铰接的方式与小滚轮连杆9相连，在分析参数时忽略小滚轮连杆9在弹簧套筒5内的摩擦因素。
[0044]
负刚度是由负刚度机构2在一定的条件下实现的，当质量块m处于平衡位置不下移时，即两水平弹簧4被压缩，在水平方向的回复力相互抵消，垂直方向没有分力。而当质量块m受垂向载荷下移时，通过小滚轮8和大滚轮6接触对水平弹簧4向载荷传递，即水平弹簧4两端对载荷会产生垂直方向上的分力，且分力的合力方向与竖直空气弹簧3相反，从而产生负刚度特性，起到调节系统总刚度作用。
[0045]
刚度是指零件在载荷作用下抵抗变形的能力。即载荷增量df与变形增量dx之比。
[0046]
定义式为
[0047]
k＝df/dx
[0048]
式中df
‑‑
弹性元件所承受的载荷增量；
[0049]
dx
‑‑
弹性元件的变形量。
[0050]
图5、6、7为载荷形量关系曲线图。当为k正值时为正刚度,即随着载荷的增加变形量增加,正刚度值为kp，如图5所示。k为负值时为负刚度，即随着载荷的增加变形量反而减少，负刚度值为kn，如图6所示。单独的负刚度机构具有静力不稳定特性，因此在工程上很少应用，通常与正刚度弹簧并联使用。由并联弹簧的总刚度公式k＝kp+kn(kp》0，kn《0)可知，并联后的k《kp，即并联后的系统的总刚度比正刚度弹簧机构的总刚度要低。图7为既具有正刚度区又具有负刚度区的弹性元件。ab段具有负刚度特性，bc和ad段具有正刚度特性，在a、b点刚度为零，其刚度呈现非线性。
[0051]
图3中a、b分别是正刚度弹簧和负刚度弹簧，其刚度分别为kv和kh，m为被隔振物体，在力f的作用下产生微小振幅z，并联后系统的总刚度k＝kv+kh《kv(kn《0),故并联后的总刚度在负刚度弹簧的负刚度区比正刚度弹簧刚度要小，其减小部分由负刚度弹簧造成，此为正负刚度并联相消原理。
[0052]
在平衡位置时，由牛顿第二定律可得并联结构的微幅运动方程为：
[0053][0054]
此时系统的固有频率为由于kv+kh《kv，所以
由此可得，正负刚度弹簧并联后可降低系统的固有频率；
[0055]
由振动理论可推导出系统振动传递率为：
[0056][0057]
由振动理论可知当时，t《1，系统才起隔振作用，此时t随λ的增大而减小，t越小隔振效果越好。因为λ＝w/wn》λ1＝w/w
n1
，故t《t1，即并联负刚度后的传递率比正刚度弹簧要小，隔振效果要好。
[0058]
相对于被减振物体的静力平衡位置在垂直方向上的微小位移为z；垂直方向和水平方向弹簧刚度分别为kv和kh；大滚轮半径为r，小滚轮8半径为r，大滚轮6中心到水平弹簧4固定端的距离为l；大小滚轮接触角度为θ；初始状态下座椅悬架系统的每个弹簧都处于压缩状态。通过改变上述参数，可以调整悬架系统的动态刚度，最终是座椅悬架达到准零刚度。
[0059]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0060]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：
1.一种基于双滚子负刚度座椅悬架，其特征在于：座椅悬架的机构由竖直空气弹簧和负刚度机构组成，竖直空气弹簧主要起支撑载荷的作用，负刚度机构包括对向设置的弹簧套筒，设置在弹簧套筒内的水平弹簧、水平弹簧一侧连接的通过小滚轮连杆安装的小滚轮、大滚轮支架、设置大滚轮支架上的大滚轮以及底座；水平弹簧一端固定在底座上，随小滚轮的移动不断改变被压缩量，两个小滚轮水平对称放置，两个小滚轮与大滚轮的两侧接触；由振动理论推导出系统振动传递率，改变传递绿的参数，调整悬架系统的动态刚度，最终座椅悬架达到准零刚度。2.根据权利要求1所述的一种基于双滚子负刚度座椅悬架，其特征在于：所述大滚轮和大滚轮支架通过螺栓螺母连接，大滚轮的高度可进行调整。3.根据权利要求1所述的一种基于双滚子负刚度座椅悬架，其特征在于：所述大滚轮竖直放置与两个小滚轮正中间，大滚轮支架下端与大滚轮相连。4.根据权利要求3所述的一种基于双滚子负刚度座椅悬架，其特征在于：大滚轮支架上端固定到座椅上端面，底座底端固定在机舱地板上，另一端与汽车座椅相连。5.一种如权利要求1-4任一所述的基于双滚子负刚度座椅悬架的参数设定方法，其特征在于：将人体重量及座椅重量简化为质量块m，当质量块m处在自由状态时，大小滚轮接触角为0，当质量块m受到垂向载荷时，质量块m距离自由状态平衡位置的下降位移为z，此时大小滚轮接触角为θ；小滚轮连杆作为刚性无质量杆，其长度为a；两个水平弹簧的刚度为k
h
，当弹簧处于平衡状态时记弹簧起始长度为l0，当质量块m受垂向载荷时，水平弹簧长度为l
x
，大滚轮中心距离座椅内壁的距离记为l，大滚轮半径为r，小滚轮半径为r，竖直空气弹簧刚度为k
v
；刚度k是零件在载荷作用下抵抗变形的能力，即载荷增量df与变形增量dx之比：k＝df/dx当k为正值时为正刚度,即随着载荷的增加变形量增加,正刚度值为kp，k为负值时为负刚度，即随着载荷的增加变形量反而减少，负刚度值为kn，并联弹簧的总刚度公式k＝kp+kn(kp>0，kn<0)，并联后的k<kp，即并联后的系统的总刚度比正刚度弹簧机构的总刚度要低；正刚度弹簧和负刚度弹簧其刚度分别记为k
v
和k
h
，m为被隔振物体，在力f的作用下产生微小振幅z，并联后系统的总刚度k＝k
v
+k
h
<k
v
(k
n
<0),故并联后的总刚度在负刚度弹簧的负刚度区比正刚度弹簧刚度要小，其减小部分由负刚度弹簧造成，此为正负刚度并联相消原理；在平衡位置时，由牛顿第二定律得到并联结构的微幅运动方程为：此时系统的固有频率为由于kv+kh<kv，所以由于kv+kh<kv，所以由此，正负刚度弹簧并联后降低了系统的固有频率；由振动理论推导出系统振动传递率为：
由振动理论可知当时，t<1，系统才起隔振作用，此时t随λ的增大而减小，t越小隔振效果越好，因为λ＝w/w
n
>λ1＝w/w
n1
，故t<t1，即并联负刚度后的传递率比正刚度弹簧要小，隔振效果更佳，通过改变上述参数，调整悬架系统的动态刚度，最终座椅悬架达到准零刚度。6.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被执行时实现权利要求5所述的参数设定方法。

技术总结
本发明公开了座椅悬架技术领域的一种基于双滚子负刚度座椅悬架、参数设定方法及其存储介质，座椅悬架的机构由竖直空气弹簧和负刚度机构组成，竖直空气弹簧主要起支撑载荷的作用，负刚度机构包括对向设置的弹簧套筒，设置在弹簧套筒内的水平弹簧、水平弹簧一侧连接的通过小滚轮连杆安装的小滚轮、大滚轮支架、设置大滚轮支架上的大滚轮以及底座。本发明采用负刚度调整系统整体刚度，使其具有良好的静态承载性能和动态隔振能力；本发明的系统设计的固有频率较低，低频隔振效果较好；本发明的系统能有效减小振动响应幅值，缩短振动衰减时间，改善座椅舒适性。改善座椅舒适性。改善座椅舒适性。


技术研发人员：左希栋 陈庆樟 刘竹星
受保护的技术使用者：常熟理工学院
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/8/23