Подвеска сиденья транспортного средства с активной системой изменения жёсткости на основе магнитоактивных эластомеров
VEHICLE SEAT SUSPENSION WITH ACTIVE RIGIDITY VARIATION SYSTEM BASED ON MAGNETOACTIVE ELASTOMERS

Изобретение относится к транспортному машиностроению, а именно к подвескам сидений транспортных средств, и может быть использовано на легковых, грузовых автомобилях и спецтехнике для обеспечения комфорта и безопасности водителя (пассажира).
Из уровня техники известны конструкции подвесок сидений транспортных средств, в которых возможна корректировка жесткости в зависимости от массы водителя или пассажира различными способами. Например, в патентах RU 2261809 C1, 16.08.2004 г.; RU 2266832 C1, 01.12.2004 г.; RU 2270108 C1, 02.12.2004 г. механизм регулирования жесткости подвески состоит из шарнирно закрепленного на основании подвески нижнего опорного фланца упругого составного элемента и верхнего упорного фланца, шарнирно связанного с ползуном из антифрикционного материала, взаимодействующим с верхней парой жестко связанных между собой планок, и имеющим взаимно перпендикулярные пересекающиеся отверстия, два из которых имеют резьбу, а два - гладкие. В гладкие отверстия вставлены цилиндрические регулируемые опоры верхнего фланца. В резьбовые отверстия вкручен регулировочный винт, за счет вращения которого ползун из антифрикционного материала скользит по верхней паре планок как по направляющим, сжимая или ослабляя через верхний упорный фланец, поворачивающийся на цилиндрических опорах, вставленных в гладкие цилиндрические отверстия ползуна упругий составной элемент. Отличие конструкций этих патентов состоит в упругом составном элементе.
Недостатками данных изобретений является пассивная система регулирования жесткости, не способная мгновенно (за доли миллисекунд) ее корректировать в достаточно большом диапазоне, определяемом реальными дорожными условиями.
В конструкции подвески транспортного средства, приведенной в патенте RU 2259286 C1, 15.03.2004 г., жесткость подвески регулируется изменением жесткости торсионного упругого элемента. Также возможна корректировка жесткости за счет изменение угла поворота профилированного кулачка и натяжением разгрузочной пружины. Механизм регулирования жесткости подвески состоит из торсиона, содержащего упругие элементы в виде канатов, закрепленных в концевых дисках, установленных на оси торсиона, закрепленной на стойке неподвижного основания подвески, и профилированные кулачки с фиксирующими элементами, позволяющими соединять их с концевыми дисками под различными углами наклона оси симметрии кулачка к горизонтали. Кроме этого, в конструкцию механизма входят неопорные диски и устройство их перемещения вдоль неподвижной оси торсиона и упругих элементов, выполненное в виде концентрических резьбовых втулок по типу «труба в трубе», а также разгрузочные пружины, соединяющиеся одним концом с профилированной поверхностью кулачка, а другим - с неподвижным основанием подвески.
Главным недостатком данного изобретения является сложность конструкции.
В подвеске сиденья (патент RU 2121445, 22.05.1997 г.) жесткость также регулируется изменением жесткости упругого элемента, представляющего собой скобообразную пружину с отогнутыми концами. С помощью поворота рычага регулировочным винтом изменяется расстояние между отогнутыми концами скобообразной пружины, а, следовательно, изменяется ее жесткость. Главными недостатками такой конструкции являются наличие трения в зонах контакта скобообразной пружины и трубчатых элементов, в которых она установлена, а, следовательно, повышенный износ.
В сиденье «квандрус» транспортного средства (патент RU 2068348, 27.10.1996 г.) изменение жесткости осуществляется парой дополнительных опорных звеньев - рычагов, верхние концы которых могут быть установлены в два фиксированных положения (в зависимости от требуемой жесткости), их нижние концы соединены поперечной осью; также по концам расположены ролики, охватываемые направляющими, закрепленными на неподвижном корпусе подвески, оснащенном упругим ограничителями хода, например, в виде эластичного амортизатора. Поперечная ось сопряжена со своим амортизирующим ограничителем, установленным на конце регулировочного винта, который установлен в опоре, на его втором конце закреплена рукоятка. Также на регулировочном винте установлена перекладина, которая соединена с поперечной осью упругим элементов в виде пружин растяжения. Регулирование жесткости упругого пружинного элемента производится путем вращения рукояткой регулировочного винта, который перемещает установленную на нем перекладину, изменяя натяжение пружин. Главными недостатками этой конструкции являются неудобство перестановки вручную дополнительных рычагов и использование в ней пассивной системы регулирования жесткости, не позволяющей ей реагировать на постоянно изменяющееся внешнее воздействие.
В подвесках сидений транспортного средства (патенты RU 2022830, 15.11.1994 г.; RU 2032563, 10.04.1995 г.) регулирование жесткости подвески в зависимости от массы водителя или пассажира осуществляется за счет изменения регулировочным винтом угла наклона центральных сдвоенных пакетов упругих пластин, являющихся составной частью основного упругого элемента, представляющего собой сдвоенные центральные и боковые рычаги, выполненные в виде пакета упругих пластин. Рычаги связаны друг с другом промежуточным элементом, расположенным между ними. Кроме того, параллельно основному упругому элементу установлен дополнительный упругий элемент, закрепленный жестко на подвижном верхнем основании подвески и с возможностью продольного перемещения по неподвижному нижнему основанию, поджатием или ослаблением которого вращением регулировочного винта также изменяется жесткость подвески. Главным недостатком конструкции является закрепление подвески на подвижном верхнем основании только с одной стороны. Кроме того, предлагаемая пассивная система не способна мгновенно корректировать жесткость в достаточно большом диапазоне, определяемом реальными дорожными условиями.
(
В конструкции сиденья (патент RU 2137626, 03.08.1998 г.) основным упругим элементом являются S-образные стержневые виброизоляторы и цилиндрические пружины. Также в конструкции предусмотрены две дополнительные цилиндрические пружины, которые могут включаться в работу посредством перемещения специальных фиксирующих стержней. При требуемой минимальной жесткости подвески нагрузку воспринимает только основной упругий элемент, при средней - основной упругий элемент и одна дополнительная пружина, при максимальной - основной упругий элемент и две дополнительные пружины. Таким образом, регулирование жесткости и нагрузочной способности сиденья осуществляется ступенчато путем изменения положения фиксирующих стержней. Главным недостатком такого способа является ступенчатое изменение жесткости, не способное оперативно подстраиваться под нагрузочный режим.
В подвеске сиденья транспортного средства (патент RU 2250842 C1, 28.07.2003 г.), состоящей из неподвижной и подвижной опор с упорными поверхностями, соединенными между собой рычагами посредством шарниров с образованием параллелограммного механизма. Упругий элемент подвески выполнен из двух упругих частей (надстоящей и основной), концы которых могут фиксировано перемещаться на упорных поверхностях и установлены под углом друг к другу и к диагонали параллелограмма в вертикальной плоскости. Оси симметрии частей упругого элемента, каждая из которых выполнена в виде листовых рессор, сходятся под углом и пересекаются в точке, расположенной в плоскости деформации упругого элемента. Постоянное значение частоты собственных колебаний подвески при различных значениях массы водителя или пассажира достигается путем усиления изохронности ее упругой характеристики за счет применения упругого элемента, состоящего из двух (или более) упругих частей. Главными недостатками такого способа при видимой простоте конструкции являются увеличенные габариты конструкции и небольшой диапазон изменения прилагаемой нагрузки, обусловленной весом водителя или пассажира.
В устройстве регулирования жесткости компактной подвески сиденья транспортного средства (патент RU 2216461 C1, 28.07.2003 г.), состоящей из втулки с плоскими упругими элементами с возможностью торцевого поджатая, предлагается пассивная система демпфирования с регулированием геометрических параметров конструктивных элементов и, как следствие, упругих характеристик самой конструкции подвески. Основным недостатком является заблаговременное регулирование в определенных диапазонах частот, что является лишь частью от всего спектра нагрузочного режима при движении транспортного средства; кроме того, перенастройка диапазона регулирования геометрических параметров не может быть осуществлена автоматически и оперативно во время движения транспортного средства.
Таким образом, во всех рассмотренных выше конструкциях подвесок сидений корректирование жесткости в зависимости от массы водителя или пассажира осуществляется механическим способом вручную, что крайне неудобною. Кроме того, являясь пассивными системами, они не позволяет оперативно (мгновенно) подстраиваться под нагрузочный режим и в максимально возможной степени обеспечить нужную амплитудно-частотную характеристику в широком диапазоне реальных дорожных условий.
Помимо рассмотренных, известна конструкция активных и полуактивных систем демпфирования при ударных нагрузках (Патент РФ №2424133, патент РФ №2514999), использующие в качестве упругих элементов магнитоактивные эластомеры. Однако данные изобретения относятся к бамперам транспортных средств и предназначены для мгновенного демпфирования при первичных ударных нагрузках.
За прототип настоящего изобретения принята конструкция подвески транспортного средства (патенты RU 2266831 C1, 30.06.2004 г.; RU 2383452, 22.09.2008 г.), в которой корректирование ее жесткости осуществляется за счет использования в качестве упругого элемента пневмобаллона, упругая характеристика которого, как известно, нелинейна. Однако применение такого упругого элемента влечет за собой усложнение конструкции, необходимость наличия на автомобиле компрессора, ресивера, следящего устройства, что является недостатками прототипа. Постоянно срабатывая при частых колебаниях, возникающих при движении транспортного средства, следящее устройство будет приводить к непрерывному подкачиванию и стравливанию воздуха из пневмобаллона, что приведет к огромному расходу воздуха и постоянной работе компрессора. Поэтому целесообразно в конструкции предусмотреть устройство запаздывания, однако это не позволит оперативно изменять жесткость упругого элемента подвески сиденья при постоянно изменяющихся внешних воздействиях.
Задача изобретения заключается в улучшении комфортных условий водителя (пассажира) и, как следствие, повышении активной безопасности транспортного средства за счет создания эффективного способа изменения жесткости подвески сиденья транспортного средства, реализующего активную систему управления в зависимости от веса водителя (пассажира), дорожных условий, режимов движения и др.
Сущность изобретения состоит в том, что предлагаемая подвеска сиденья транспортного средства реализует управляемую активную систему изменения жесткости ударного воздействия, учитывающую при своей работе постоянно изменяющееся во времени внешнее воздействие.
Подвеска сиденья ТС в качестве упругого элемента содержит элементы из магнитоактивного (магнитореологического) эластомера (МАЭ), работающие на сжатие, размещенные внутри катушек (соленоидов), на которые в зависимости от веса водителя (пассажира) и других внешних воздействий подается ток различной силы, а с одной стороны от МАЭ закреплены постоянные магниты. Изменение силы тока в катушках осуществляется с помощью реостата, сигнал на который поступает от датчика, воспринимающего колебания, передающиеся на сиденье водителя.
Одновременное наличие постоянного магнита и соленоида, наводящего внешнее электромагнитное поле на МАЭ создает изначально промежуточный по величине параметр жесткости у МАЭ, который в процессе движения ТС можно изменять как в сторону увеличения, так и уменьшения - в зависимости от постоянно изменяющихся в процессе движения, транспортного средства внешних воздействий.
Для изолирования окружающих тел, и прежде всего водителя или пассажира, от электромагнитных полей магнитоактивный эластомер вместе с соленоидом и постоянным магнитом может быть помещен в прочную гофрированную оболочку, изготовленную из материала с незначительными электро- и магнитопроводностью.
Отличие данного технического решения от известных состоит в применении в качестве упругого элемента подвески транспортного средства магнитоактивного эластомера, работающего на сжатие, что позволяет реализовать управляемую активную систему изменения жесткости для получения оптимальной упруго-частотной характеристики подвески сиденья, обеспечивающую комфорт водителя, а следовательно и безопасность при движении. При этом обеспечивается плавное или мгновенное изменение жесткости подвески сиденья ТС в зависимости от всей совокупности причин, вызывающих некомфортную езду и резонансные явления: вес водителя (пассажира), микропрофиль дороги, загруженность ТС, стиль езды и т.п. без существенного дополнительного механического воздействия для изменения жесткости упругого элемента подвески сиденья.
Технический результат, получаемый от использования данного изобретения, состоит в наиболее рациональном и оперативном изменении жесткостных параметров упругого элемента подвески сиденья водителя, что обеспечивает более комфортные условия при движении транспортного средства и повышает его конструктивную безопасность.
Предлагаемое ударозащитное устройство иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 - конструкция сиденья с активной системой демпфирования (в разрезе);
на фиг. 2 - вставка-крепление крупным планом.
Подвеска сиденья ТС с активной системой изменения жесткости на основе МАЭ содержит: сиденье транспортного средства 1, закрепленное посредством кронштейнов 2 (их форма и конструкция не играют принципиальной роли в данной схеме) к корпусу (кабине, кузову и т.п.) автомобиля и опирающееся на упругий элемент, способный изменять свою жесткость - магнитоактивный (магнитореологический) эластомер (МАЭ) 3, вокруг которого расположена катушка (соленоид) 4, способная наводить магнитное поле, при этом все элементы, задействованные и осуществляющие процесс демпфирования могут быть помещены в гофрированную оболочку 5 (изготовленную из материала с незначительными электро- и магнитопроводностью).
Устройство работает следующим образом:
При посадке водителя в неподвижное ТС осуществляется первичная подстройка упругого элемента из МАЭ 3 под массу водителя, соответствующую комфортной частоте колебаний (например, как при ходьбе, ~ 1,5-2 Гц. Определяющее расчетное соотношение , где m - суммарная масса водителя, приходящаяся на сиденье, и подрессоренной части сиденья, а c - жесткость МАЭ, которая может контролироваться по бортовому компьютеру автомобиля датчиком усилий в соответствии с известными регламентируемыми значениями, обеспечивающими безопасность и комфорт).
При движении ТС осуществляется вторичная подстройка (коррекция упругих свойств МАЭ): вступает в действие активная управляемая система подвески сиденья водителя, заключающаяся в том, что в зависимости от передающихся на сиденье 1 колебаний (зависящих, в свою очередь, от микропрофиля дороги, упругих и демпфирующих свойств установленных на ТС подвески, шин, амортизаторов и т.п. элементов, обеспечивающих первичное подрессоривание, и др.) осуществляется управляемое изменение жесткости упругого элемента подвески сиденья 3 для уменьшения амплитуды виброускорений на сиденье водителя (пассажира). Изменение, жесткости происходит за счет внешнего электромагнитного поля, наводимого соленоидами (катушками) 4, а интенсивность этого поля определяется силой тока, регулируемого, в свою очередь, бортовым компьютером ТС, на который поступает сигнал с датчика ускорений, который контролирует вторичное подрессоривание и корректирует жесткость МАЭ в требуемом безопасном комфортном для водителя диапазоне.
Предлагаемая демпфирующая система представляет собой не одноразовую конструкцию, поскольку магнитоэластомеры упругого элемента 3 будучи освобожденные от наведенного магнитного поля, полностью восстанавливают свою первоначальную форму.