一种结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架系统

1.本发明涉及汽车座椅悬架技术领域，尤其涉及一种结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架系统。


背景技术：

2.汽车的乘坐舒适性与驾驶员的身心健康以及行车安全息息相关。特别是商用车和非公路车辆驾驶员经常超负荷工作在较为恶劣的环境中。道路条件较差以及行驶速度较低导致车辆的低频振动问题较为突出。人体可以抽象成由多个自由度组成的复杂振动系统，各部位的共振频率主要分布在30hz以内。另外，人体对4～8hz的低频振动最为敏感，故低频振动容易引起驾驶员的全身振动。虽然人体对4hz以下的振动敏感度开始变小，但是驾驶员长时间暴露在高幅值的低频振动环境中仍会出现腰酸、背疼以及脊椎疲劳等不适，甚至会出现永久性脊椎损伤。为保证驾驶员的身体健康，国际、国内均出台了有关车辆舒适性的标准。但是，如何有效地隔离低频振动一直是工程中重要的难题。
3.座椅悬架连接着车身和座椅，振动通过座椅悬架由车身传递到座椅，进而由座椅直接传递到人体，它对乘坐舒适度有着直接影响。考虑到座椅悬架的参数变化对整车系统的影响很小，因此与车身悬架相比，座椅悬架具有成本低、易实现、易维护等优点。座椅悬架可分为被动座椅悬架、主动座椅悬架以及半主动座椅悬架。主动和半主动座椅悬架由于存在能耗大、结构复杂、成本高昂等缺点，实际应用案例较少。
4.被动座椅悬架一般由不可调节的弹簧和阻尼器组成，其优势在于成本低、可靠性高、结构简单。虽然被动座椅悬架具有诸多优点，但是通过设置座椅悬架的刚度来提高其隔振性能仍然具有一定的局限性。对于传统线性被动座椅悬架，为了实现有效隔振，激励频率需要大于固有频率的倍。为了实现低频隔振，需要降低座椅悬架系统的固有频率。实际应用过程中，为了降低固有频率，一般通过降低座椅悬架的刚度来实现，但这一举动同时增大了座椅的静位移。这意味着座椅的静载荷能力会有所降低，而驾驶员的行车操作也会因为座椅运动行程的增大而受到影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架系统。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架系统，包括惯容、阻尼器和高静低动刚度机构，三者通过并联方式连接；其中，惯容的上端连接在汽车座椅底部，下端连接在外框底部，能够在座椅和外框发生相对运动时，产生一个与座椅和外框的相对加速度成比例的力；阻尼器的上端连接在汽车座椅底部，下端连接在外框底部，能够在座椅和外框发生相对运动时，吸收运动产生的能量；高静低动刚度机构包括两个对称水平布置的弹簧，弹簧的外端固定在外框上，而内端连接到滑块的外侧；滑块可在两个平行轨道上在水平面内自由滑动；滑块的内侧通过铰链连接到连杆的外端；连杆的内端通过另一个铰链连接到汽车座椅的水平侧；垂直布置的弹簧的上端连接在汽车座椅
底部，下端连接在外框底部。
7.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
8.(1)本发明中，由于高静低动机构中的两个对称水平布置的弹簧能够在汽车座椅垂直运动时，产生负刚度效应，所以汽车座椅悬架的动刚度会显著减小；而由于垂直布置的弹簧的存在，汽车座椅的静位移显著减小；
9.(2)本发明中，因为惯容是一个储能元件，同时具有负刚度效应和质量放大效应，所以汽车座椅悬架的刚度会显著减小；
10.(3)相比传统线性座椅悬架系统，本发明中提出的一种结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架系统，能够显著提升乘坐舒适度。
附图说明
11.图1是结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架结构原理图。
12.图2是传统线性汽车被动座椅悬架结构原理图。
13.图3是“人-椅-车”七自由度集中参数耦合模型示意图。
14.图4是b级路面下坐姿人体各部位频率加权加速度均方根传递率-车速曲线。
15.图5是c级路面下坐姿人体各部位频率加权加速度均方根传递率-车速曲线。
16.图6是b级路面下坐姿人体各部位频率加权加速度均方根传递率-车速曲线。
17.图7是c级路面下坐姿人体各部位频率加权加速度均方根传递率-车速曲线。
具体实施方式
18.结合图1，本发明提出一种结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架系统，包括惯容10、阻尼器11和高静低动刚度机构，三者通过并联方式连接；其中，惯容10的上端连接在汽车座椅3底部，下端连接在外框1底部，能够在座椅3和外框1发生相对运动时，产生一个与座椅3和外框1的相对加速度成比例的力，从而减小系统的固有频率；阻尼器11的上端连接在汽车座椅3底部，下端连接在外框1底部，能够在座椅3和外框1发生相对运动时，吸收运动产生的能量；高静低动刚度机构包括两个对称水平布置的弹簧8，弹簧8的外端固定在外框1上，而内端连接到滑块7的外侧；滑块7可在两个平行轨道2上在水平面内自由滑动；滑块7的内侧通过铰链4连接到连杆5的外端；连杆5的内端通过另一个铰链4连接到汽车座椅的水平侧；垂直布置的弹簧9的上端连接在汽车座椅3底部，下端连接在外框1底部；当座椅3和外框1发生相对运动时，两个对称水平布置的弹簧8释放在预压过程中储存的能量，产生一个辅助座椅3位移的力，即产生了负刚度效应；当座椅3和外框1处于静平衡位置时，垂直布置的弹簧9能够承载座椅的负载。结合以上两种情况下的描述，高静低动刚度机构能够表现出高静刚度和低动刚度的特性。
19.进一步的，所述外框1与车身之间为刚性连接。
20.当惯容10的两端点发生运动时，它会产生一个与两个端点的相对加速度成比例的力，该比例系数称为惯容量。
21.当汽车座椅3、水平布置的弹簧8、连杆5、铰链4和滑块7处于同一水平面时，称该位置为理想静平衡位置6。
22.当汽车座椅处于理想静平衡位置6时，其重力将由垂直布置的弹簧9承载，即垂直
布置的弹簧9保证了汽车被动座椅悬架系统的静载荷能力。
23.当汽车座椅由理想静平衡位置6发生位移时，两个水平布置的弹簧8会产生一个回复力，这个回复力将辅助汽车座椅3的位移，而不是抵抗其位移，也就是说，两个水平布置的弹簧8会产生负刚度效应。
24.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
25.实施例
26.本发明提供了一种结合惯容的高动低静刚度汽车被动座椅悬架，该座椅悬架可以安装在车身和汽车座椅之间，可以显著提升乘坐舒适度。
27.根据一种优选实施方式，参见附图1，本实例提供一种结合惯容的高动低静刚度汽车被动座椅悬架，该非线性被动座椅悬架包括外框1，水平导轨2，座椅3，铰链4，连杆5，滑块7，水平布置弹簧8，垂直布置弹簧9，惯容10，座椅悬架阻尼器11。
28.高静低动机构的构成为：两个对称水平布置的弹簧、两个滑块、两个水平轨道、两个连杆、四个铰链、一个垂直布置的弹簧和外框；
29.外围设备为：坐姿人体、汽车座椅、1/4整车、路面；
30.两个对称水平布置的弹簧的外端固定在外框上，而内端连接到滑块的外侧；
31.滑块的内侧通过铰链连接到连杆的外端，滑块可在两个平行轨道上在水平面内自由滑动；
32.连杆的内端通过另一个铰链连接到汽车座椅的水平侧；
33.一个垂直布置的弹簧的上端连接在汽车座椅底部，下端连接在外框底部；
34.定义滑块、铰链、连杆和汽车座椅处于同一水平面的位置为理想静平衡位置；
35.1/4整车的构成为：一个车轮、1/4车身和1/4车身悬架；
36.1/4车身悬架连接着1/4车身和车轮，其机械特性可以表示为一个1/4车身悬架弹簧和一个1/4车身阻尼器；
37.车轮位于路面上，车轮可以等效为由车轮弹簧连接至路面的集中质量；
38.坐姿人体可以等效为通过弹簧和阻尼器相互连接的几个集中质量，包括：头部质量、脏器质量、躯干及脊柱质量和臀腿部质量。
39.根据一种优选实施方式，本实例中，存在一个理想静平衡位置6，当座椅3以理想静平衡位置6为初始位置开始运动时，汽车被动座椅悬架能表现出优异的隔振性能。
40.惯容10具有两个独立的自由端，当两个独立自由端运动时，惯容产生的力与两个独立自由端的相对加速度成正比，惯容量即为两个独立自由端的之间的力与相对加速度的比值。
41.当座椅3以理想静平衡位置6为初始位置进行小位移时，忽略滑块7的宽度，通过静力学分析，高静低动刚度机构产生的回复力f为
[0042][0043]
其中，y为位移；a为连杆的长度；b为座椅上的铰链4到座椅悬架外框2的水平距离；l0为水平布置的弹簧的初始长度；kv为垂直布置的弹簧的刚度；kh为水平布置的弹簧的刚度。
[0044]
为了便于后续仿真，利用泰勒级数，对公式(1)进行五阶泰勒展开，回复力f的近似
表达式为
[0045][0046]
其中，k＝kh/kv为弹簧刚度比；α＝a/l0和β＝b/l0为结构参数。
[0047]
为了研究一种结合惯容的高动低静刚度汽车被动座椅悬架对乘坐舒适度的影响，根据一种优选实施方式，本发明提供“人-椅-车”七自由度集中参数耦合模型，由坐姿人体38、座椅悬架37和1/4整车36组成，参见附图3。
[0048]
根据一种优选实施方式，坐姿人体38等效为由脏器-臀腿部等效弹簧18、脏器-臀腿部等效阻尼器19、脏器-躯干及脊柱等效弹簧20、脏器-躯干及脊柱等效阻尼器21、躯干及脊柱-臀腿部等效弹簧22、躯干及脊柱-臀腿部等效阻尼器23、头部-臀腿部等效弹簧24、头部-臀腿部等效阻尼器25相互连接的头部集中质量26、脏器集中质量27、躯干及脊柱集中质量28和臀腿部集中质量29。
[0049]
根据一种优选实施方式，1/4整车36等效为由1/4车身质量31、1/4车身悬架35和轮胎34组成。
[0050]
根据一种优选实施方式，1/4车身悬架35由1/4车身悬架弹簧13和1/4车身悬架阻尼器14组成。
[0051]
根据一种优选实施方式，轮胎34等效为轮胎等效弹簧15和轮胎集中质量32组成。
[0052]
根据一种优选实施方式，坐姿人体臀腿部与座椅之间的机械特性，可以等效为由臀腿部-座椅等效弹簧16和臀腿部-座椅等效阻尼器17连接的臀腿部集中质量和座椅质量。
[0053]
根据一种优选实施方式，汽车座椅和汽车车身之间由座椅悬架37连接。座椅悬架37由惯容10、座椅悬架阻尼器11和座椅悬架弹簧12组成。
[0054]
对于附图1所描述的一种结合惯容的高动低静刚度汽车被动座椅悬架，惯容10的惯容量为正值，座椅悬架弹簧12在运动过程中产生的回复力可以由公式(2)描述的五阶泰勒展开近似表达式来表示。
[0055]
根据一种优选实施方式，参见附图2，本实例提供一种传统线性被动座椅悬架，该线性被动座椅悬架仅包括外框1，座椅3，垂直布置弹簧9，座椅悬架阻尼器11。
[0056]
对于附图2所描述的传统线性被动座椅悬架，弹簧9在运动过程中产生的回复力可以表示为
[0057]fl
＝kv·yꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，y为位移；kv为垂直布置的弹簧的刚度。
[0058]
对于附图3描述的“人-椅-车”七自由度集中参数耦合模型，其动力学方程可以表示为
[0059][0060][0061][0062]
[0063][0064][0065][0066]
其中，zi,i＝1,2,
…
,7分别为头部集中质量26、脏器集中质量27、躯干及脊柱集中质量28、臀腿部集中质量29、座椅质量30、1/4车身质量31和轮胎集中质量32的位移；和分别为各个质量的速度和加速度；mi,i＝1,2,
…
,7分别为头部集中质量26、脏器集中质量27、躯干及脊柱集中质量28、臀腿部集中质量29、座椅质量30、1/4车身质量31和轮胎集中质量32；c
14
为头部-臀腿阻尼；k
14
为头部-臀腿刚度；c
24
为脏器-臀腿阻尼；k
24
为脏器-臀腿刚度；c
34
为躯干-臀腿阻尼；k
34
为躯干-臀腿刚度；c
23
为脏器-躯干阻尼；k
23
为脏器-躯干刚度；c
45
为臀腿-座椅阻尼；k
45
为臀部-座椅刚度；c
56
为座椅悬架阻尼；k
56
为座椅悬架刚度；c
67
为1/4车身悬架阻尼；k
67
为1/4车身悬架刚度；k7为轮胎刚度；f为座椅悬架弹簧12在运动过程中产生的回复力；z0为随机路面激励。
[0067]
根据一种优选实施方式，头部集中质量26、脏器集中质量27、躯干及脊柱集中质量28、臀腿部集中质量29以及各个人体部位之间的刚度和阻尼系数通过参数识别获得。
[0068]
根据一种优选实施方式，座椅质量30、1/4车身质量31、轮胎集中质量32、座椅悬架阻尼、1/4车身悬架阻尼、1/4车身悬架刚度和轮胎刚度来源与某品牌轿车的参数。
[0069]
根据一种优选实施方式，水平布置弹簧的初始长度l0按照gb15083-2019的要求进行合理的选取。
[0070]
根据一种优选实施方式，垂直布置弹簧8的刚度kv以及结构参数α和β的合理设置，可以使得座椅3的初始位置保持在理想静平衡位置6，即
[0071]
(m1+m2+m3+m4+m5)g＝kv·hꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0072]
其中，为垂直布置弹簧被压缩9到理想静平衡位置6时，被压缩的长度；g＝9.8n/kg为重力系数。
[0073]
根据一种优选实施方式，iso 8608:2016按照路面概况由好到坏给出了a、b、c、d、e、f、g和h共8种路面等级，考虑到我国公路路面集中在b和c两种路面，随机路面激励将选取为b级路面和c级路面。
[0074]
根据一种优选实施方式，使用iso 2631-1:1997给出的频率加权加速度均方根来评估振动对人体产生的影响，表示为
[0075][0076]
其中，其中，aw(t)是在t时刻经过频率加权后的加速度，t是采样时间。
[0077]
根据一种优选实施方式，考虑到频率加权滤波函数wf可以用于考察低频坐姿人体全身部位的振动，为了评估汽车座椅悬架对乘坐舒适度的影响，采用wf作为频率加权滤波函数。
[0078]
根据一种优选实施方式，为了评估汽车座椅悬架对乘坐舒适度的影响，采用频率加权加速度均方根传递率作为评价指标，表示为
[0079][0080]
其中，ri,i＝1,2,3,4分别表示头部、脏器、躯干及脊柱和臀腿部的频率加权加速度均方根值，r0表示路面简谐激励的频率加权加速度均方根值。
[0081]
根据一种优选实施方式，设定η为惯容-座椅悬架负载质量比例系数，表示为
[0082][0083]
参见附图4，设定惯容-座椅悬架负载质量比例系数η＝0.2，在b级路面下，车速在20km/h～140km/h范围内，采用附图1表示一种结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架时，人体头部、脏器、躯干及脊柱和臀腿部的频率加权加速度均方根传递率均显著优于附图2表示的一种传统线性被动座椅悬架。
[0084]
参见附图5，设定惯容-座椅悬架负载质量比例系数η＝0.2，在c级路面下，车速在20km/h～140km/h范围内，采用附图1表示一种结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架时，人体头部、脏器、躯干及脊柱和臀腿部的频率加权加速度均方根传递率均显著优于附图2表示的一种传统线性被动座椅悬架，但随着车速的增大，两者的差距会减小。
[0085]
参见附图6，在b级路面下，车速在20km/h～140km/h范围内，采用附图1表示一种结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架时，随着惯容-座椅悬架负载质量比例系数η的增大，即惯容量bi的增大，人体头部、脏器、躯干及脊柱和臀腿部的频率加权加速度均方根传递率会逐渐减小。
[0086]
参见附图7，在c级路面下，车速在20km/h～140km/h范围内，采用附图1表示一种结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架时，随着惯容-座椅悬架负载质量比例系数η的增大，即惯容量bi的增大，人体头部、脏器、躯干及脊柱和臀腿部的频率加权加速度均方根传递率会逐渐减小。
[0087]
综上，与传统线性隔振器相比，本发明提出的一种结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架，能够在保证座椅悬架系统静载荷，防止座椅静位移过大的基础上，显著提高座椅悬架系统的低频隔振性能，提升汽车乘坐舒适度。
[0088]
需要注意的是，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架系统，其特征在于，包括惯容(10)、阻尼器(11)和高静低动刚度机构，三者通过并联方式连接；其中，惯容(10)的上端连接在汽车座椅(3)底部，下端连接在外框(1)底部，能够在座椅(3)和外框(1)发生相对运动时，产生一个与座椅(3)和外框(1)的相对加速度成比例的力；阻尼器(11)的上端连接在汽车座椅(3)底部，下端连接在外框(1)底部，能够在座椅(3)和外框(1)发生相对运动时，吸收运动产生的能量；高静低动刚度机构包括两个对称水平布置的弹簧(8)，弹簧(8)的外端固定在外框(1)上，而内端连接到滑块(7)的外侧；滑块(7)可在两个平行轨道(2)上在水平面内自由滑动；滑块(7)的内侧通过铰链(4)连接到连杆(5)的外端；连杆(5)的内端通过另一个铰链(4)连接到汽车座椅的水平侧；垂直布置的弹簧(9)的上端连接在汽车座椅(3)底部，下端连接在外框(1)底部。2.根据权利要求1所述的结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架系统，其特征在于，当惯容(10)的两端点发生运动时，会产生一个与两个端点的相对加速度成比例的力，该比例系数称为惯容量。3.根据权利要求1所述的结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架系统，其特征在于，当汽车座椅(3)、水平布置的弹簧(8)、连杆(5)、铰链(4)和滑块(7)处于同一水平面时，称该位置为理想静平衡位置(6)。4.根据权利要求1所述的结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架系统，其特征在于，当座椅(3)和外框(1)发生相对运动时，两个对称水平布置的弹簧(8)释放在预压过程中储存的能量，产生一个辅助座椅(3)位移的力，即产生负刚度效应；当座椅(3)和外框(1)处于静平衡位置时，垂直布置的弹簧(9)能够承载座椅的负载。5.根据权利要求1所述的结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架系统，其特征在于，所述外框(1)与车身之间为刚性连接。

技术总结
本发明公开了一个结合惯容的高静低动刚度汽车被动座椅悬架系统，该悬架系统包括一个惯容元件，上端连接在汽车座椅底部，下端连接在外框底部，用于减小系统的固有频率，加强低频隔振性能；一个阻尼器，上端连接在汽车座椅底部，下端连接在外框底部，能够吸收座椅运动过程中产生能量，主要是热能；一个高静低动刚度机构，利用水平布置的弹簧、滑块、铰链和连杆，产生负刚度效应，减小系统的固有频率，加强低频隔振性能，同时通过垂直布置的弹簧保证座椅悬架系统的静载荷能力，减小座椅静位移。本发明解决了传统线性悬架系统在低频隔振和静载荷能力中顾此失彼的问题，能够显著提升乘坐舒适度。舒适度。舒适度。


技术研发人员：陈志强 杨畅
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/8/16