CN115303150B - 一种基于负刚度的座椅悬架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了座椅悬架技术领域的一种基于负刚度的座椅悬架，座椅悬架系统模型由一个对称放置的负刚度弹簧减振器和一个具有正刚度结构的弹簧减振器组成，每个负刚度机构由两个水平放置的负刚度弹簧与两根无质量杆串联，整个负刚度机构再与垂直正刚度弹簧减振器并联，采用负刚度调整系统整体刚度，使其具有良好的非线性性能和良好的承载性能；系统总刚度较低，能够获得较低的减振频率和较宽的减振频带；系统的承载力由正刚度弹簧确定，而系统的动刚度则由负刚度来减小。通过特定的控制策略，可以使系统在外部激励下作出相应的反应。

Description

一种基于负刚度的座椅悬架

技术领域

本发明涉及座椅悬架技术领域，具体为一种基于负刚度的座椅悬架。

背景技术

汽车座椅在最初是没有专门的悬架系统，单纯的依靠座椅坐垫实现部分减振。随着时代发展，对汽车舒适性的要求提高，相关座椅悬架系统逐渐被研究和应用。时至今日，座椅减振已经成为汽车减振系统中重要的一环。

目前广泛应用的座椅减振元件有金属弹簧、空气弹簧和阻尼器。

金属弹簧是出现最早且使用最多的减振元件。金属弹簧力学性能稳定，对于冲击载荷有很好的缓冲性能，并且针对自振频率不同的减振器可以设计出不同刚度的弹簧，但金属弹簧对振动的阻尼作用较小，衰减振动的时间较长。且当弹簧出现疲劳断裂时，其尖锐的断口容易对周围部件造成损伤。为了改善金属弹簧的自适应性，出现了组合弹簧，即将不同螺旋角或不同刚度的弹簧组合使用，使其刚度呈非线性，满足振动的动态特性，减小了发生共振的几率，使其减振性进一步优化。

空气弹簧是在柔性密闭容器中充入压缩空气，利用空气自身的可压缩性实现弹性作用的一种非金属弹簧。空气弹簧其早期主要用于普通机械设备的隔振和降噪处理之上。座椅用空气弹簧可以将其特性曲线设计成理想形状，在标准座椅高度附近有较低的刚度，而当发生压缩变形或伸张变形时刚度增加，从而限制座椅主体的振幅，达到减振效果。空气弹簧质量轻，经济性好，具有非线性弹性特性，自振频率基本不变，但制造工艺复杂，密封要求严格，成本较高。

阻尼器是以油液或其他流体作为阻尼介质的流体减振器。包括被动阻尼减振器器和变阻尼减振器，其中变阻尼减振器中的磁流变阻尼器是当前的研究热点。与被动阻尼器相比，磁流变阻尼器是利用磁流变液的粘性实现减振，且利用磁流变液的粘性会随外加电流的变化而变化这一特性，实现阻尼可调的目的。磁流变阻尼器控制存在应力范围大，阻尼力无级可调，响应速度快等一系列优点，成为结构半主动控制的理想元件，但也存在着耗能大的缺点。

综上，普通金属弹簧属于线性被动控制减振元件，可以实现一定的减振效果，但是想具备较低的隔振频率和较宽的隔振频段，大多会通过降低其悬架刚度来实现，这种方式虽然可以改善座椅的舒适性，但静态刚度下降的同时，座椅的承载能力也会相应下降，并产生较大静位移。空气弹簧和磁流变阻尼器属于半主动控制减振元件，由减振和控制两部分组成，通常由电脑控制，是一种复杂的高技术装置，耗能大，成本高。基于此，本发明设计了一种基于负刚度的座椅悬架，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于负刚度的座椅悬架，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于负刚度的座椅悬架，座椅悬架系统模型由一个对称放置的负刚度弹簧减振器和一个具有正刚度结构的弹簧减振器组成，每个负刚度机构由两个水平放置的负刚度弹簧与两根无质量杆串联，整个负刚度机构再与垂直正刚度弹簧减振器并联，水平压缩弹簧的一个侧固定在座椅框架上，另一侧与水平滑块相连，水平滑块可以在两个平行导向套的水平平面上自由滑动，水平滑块的另一侧通过铰链接头固定在杆上；

其中，弹簧阻尼器的一端垂直固定在机舱地板上，另一端与质量块相连，可以在竖直方向上做自由伸缩运动。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。

一种基于负刚度的座椅悬架参数设定方法：

将人体重量及座椅重量简化为质量块M，当质量块M处在自由状态时距离客舱地板的垂直高度H，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；双连杆作为刚性无质量杆，并记其长度为b；两水平压缩弹簧的刚度为k_h，当弹簧处于平衡状态时记弹簧起始长度为，当质量块受L₀垂向载荷时，水平弹簧受压后的弹簧长度为L_x。质量块距离座椅内壁的距离记为α；

其中，负刚度调节机构对称布置，两压缩弹簧水平方向固定在圆柱形导向套内，导向套固定在座椅内壁上，压缩弹簧一端固定在导向套底部另一端与滑块相连，滑块可以在导向套内压缩负刚度弹簧水平方向移动，并通过铰接的方式与无质量连杆相连，连杆的另一端与限位块铰接，在分析参数时忽略铰接摩擦和滑块质量和摩擦。

负刚度是由负刚度机构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，即两水平负刚度弹簧不受力，中间垂直方向产生微弱正刚度。而当质量块M受垂向载荷下移时，通过无质量杆对载荷向压缩弹簧传递，即对水平负刚度弹簧两端进行加压，中间会产生垂直方向上的分力，从而产生负刚度特性，起到调节系统总刚度作用。

刚度K的定义是结构所受的载荷增量ΔF与变形增量Δx之比，反映了结构在受外力作用时，该结构的形变抑制能力，刚度K的正负由载荷增量ΔF与变形增量Δx的比值决定，即当载荷随结构变形的增加而增加时，结构为正刚度即ΔF/Δx为正值；反之，当载荷随结构变形的增加而减小时，结构为负刚度即ΔF/Δx为负值；

设立A、B分别是刚度为K_v的正刚度弹簧和刚度为K_h的负刚度弹簧，质量块M代表被减振物体的质量，当受到垂向力F作用时，机构将产生一个小幅度的振幅Z，并联后系统的总刚度K为：

当K_h小于0时，则K＝K_v+K_h<K_v，所以正负弹簧并联后的系统的总刚度在负簧的负刚度调节下要小于正簧的刚度，其中减少的部分就是由负刚度弹簧调节产生的，这便是正负刚度并联相消原理；

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：

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；

由振动理论可推导出系统振动传递率为：

由上式(2)可得，当时，系统传递率T<1，即系统可以起到减振作用，并且当T越小时，减振效果越佳。因为λ＝w/wn＞λ1＝w/wn1，所以T<T₁，即正负刚度并联后的传递率要小于只有正刚度弹簧时的传递率，从而可得正负刚度并联后结构的减振效果更好；

其中，但当系统的总刚度K小于0时，系统处于一个不稳定的状态。因此，在座椅悬架的设计时要避免系统总刚度K小于0的情况出现，即要将正负刚度结构进行合理的配置。

系统在载荷质量M的作用下，Ze为系统处在静平衡时的位置，ZQ为小幅度振动区域，将负刚度机构布置在Z_Q范围内，用来调节系统的总刚度，使整个控制系统在Z_e附近具有准零刚度特性；

系统的总刚度K＝K₊+K_-，当系统在Z_Q范围内振动时，调整K₊，令K₊正向趋近于K_-，使得总刚度正方向趋于0，降低系统固有频率，从而优化系统的减振性能。

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；水平负刚度弹簧与质量块M之间的无质量连杆长度为b；质量块M到水平弹簧固定端的距离为α；ab连杆与水平面的角度为a；虚线框的位置是质量块的初始状态，在车辆行驶过程中，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。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明

(1)采用负刚度调整系统整体刚度，使其具有良好的非线性性能和良好的承载性能；

(2)系统总刚度较低，能够获得较低的减振频率和较宽的减振频带；

(3)系统的承载力由正刚度弹簧确定，而系统的动刚度则由负刚度来减小。通过特定的控制策略，可以使系统在外部激励下作出相应的反应。

附图说明

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。

图1为本发明基于负刚度机构的座椅悬架结构示意图；

图2为本发明正负刚度弹簧并联图；

图3为本发明准零刚度系统刚度控制原理图；

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。

具体实施方式

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。

请参阅图1-4，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一个对称放置的负刚度弹簧减振器和一个具有正刚度结构的弹簧减振器组成，每个负刚度机构由两个水平放置的负刚度弹簧与两根无质量杆串联，整个负刚度机构再与垂直正刚度弹簧减振器并联，水平压缩弹簧的一个侧固定在座椅框架上，另一侧与水平滑块相连，水平滑块可以在两个平行导向套的水平平面上自由滑动，水平滑块的另一侧通过铰链接头固定在杆上；

其中，弹簧阻尼器的一端垂直固定在机舱地板上，另一端与质量块相连，可以在竖直方向上做自由伸缩运动。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。

一种基于负刚度的座椅悬架参数设定方法：

将人体重量及座椅重量简化为质量块M，当质量块M处在自由状态时距离客舱地板的垂直高度H，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；双连杆作为刚性无质量杆，并记其长度为b；两水平压缩弹簧的刚度为k_h，当弹簧处于平衡状态时记弹簧起始长度为，当质量块受L₀垂向载荷时，水平弹簧受压后的弹簧长度为L_x。质量块距离座椅内壁的距离记为α；

其中，负刚度调节机构对称布置，两压缩弹簧水平方向固定在圆柱形导向套内，导向套固定在座椅内壁上，压缩弹簧一端固定在导向套底部另一端与滑块相连，滑块可以在导向套内压缩负刚度弹簧水平方向移动，并通过铰接的方式与无质量连杆相连，连杆的另一端与限位块铰接，在分析参数时忽略铰接摩擦和滑块质量和摩擦。

负刚度是由负刚度机构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，即两水平负刚度弹簧不受力，中间垂直方向产生微弱正刚度。而当质量块M受垂向载荷下移时，通过无质量杆对载荷向压缩弹簧传递，即对水平负刚度弹簧两端进行加压，中间会产生垂直方向上的分力，从而产生负刚度特性，起到调节系统总刚度作用。

刚度K的定义是结构所受的载荷增量ΔF与变形增量Δx之比，反映了结构在受外力作用时，该结构的形变抑制能力，刚度K的正负由载荷增量ΔF与变形增量Δx的比值决定，即当载荷随结构变形的增加而增加时，结构为正刚度即ΔF/Δx为正值；反之，当载荷随结构变形的增加而减小时，结构为负刚度即ΔF/Δx为负值；

设立A、B分别是刚度为K_v的正刚度弹簧和刚度为K_h的负刚度弹簧，质量块M代表被减振物体的质量，当受到垂向力F作用时，机构将产生一个小幅度的振幅Z，并联后系统的总刚度K为：

当K_h小于0时，则K＝K_v+K_h<K_v，所以正负弹簧并联后的系统的总刚度在负簧的负刚度调节下要小于正簧的刚度，其中减少的部分就是由负刚度弹簧调节产生的，这便是正负刚度并联相消原理；

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：

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；

由振动理论可推导出系统振动传递率为：

由上式(2)可得，当时，系统传递率T<1，即系统可以起到减振作用，并且当T越小时，减振效果越佳。因为λ＝w/w_n＞λ₁＝w/w_n1，所以T<T₁，即正负刚度并联后的传递率要小于只有正刚度弹簧时的传递率，从而可得正负刚度并联后结构的减振效果更好；

其中，但当系统的总刚度K小于0时，系统处于一个不稳定的状态。因此，在座椅悬架的设计时要避免系统总刚度K小于0的情况出现，即要将正负刚度结构进行合理的配置。

系统在载荷质量M的作用下，Ze为系统处在静平衡时的位置，ZQ为小幅度振动区域，将负刚度机构布置在Z_Q范围内，用来调节系统的总刚度，使整个控制系统在Z_e附近具有准零刚度特性；

系统的总刚度K＝K₊+K_-，当系统在Z_Q范围内振动时，调整K₊，令K₊正向趋近于K_-，使得总刚度正方向趋于0，降低系统固有频率，从而优化系统的减振性能。

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；水平负刚度弹簧与质量块M之间的无质量连杆长度为b；质量块M到水平弹簧固定端的距离为α；ab连杆与水平面的角度为a；虚线框的位置是质量块的初始状态，在车辆行驶过程中，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。

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。

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。

Claims (1)

1.一种基于负刚度的座椅悬架，其特征在于：座椅悬架系统模型由一个对称放置的负刚度弹簧减振器和一个具有正刚度结构的弹簧减振器组成，每个负刚度机构由两个水平放置的负刚度弹簧与两根无质量杆串联，整个负刚度机构再与垂直正刚度弹簧减振器并联，水平压缩弹簧的一个侧固定在座椅框架上，另一侧与水平滑块相连，水平滑块可以在两个平行导向套的水平平面上自由滑动，水平滑块的另一侧通过铰链接头固定在杆上；

其中，弹簧阻尼器的一端垂直固定在机舱地板上，另一端与质量块相连，可以在竖直方向上做自由伸缩运动。