基于TRIZ的非标路面车辆座椅减振设计与仿真

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收稿日期：2013-01-26作者简介：赵鹏睿 (1987-)，男，河北保定人，硕士研究生，研究方向为机械设计及理论。

第35卷 第3期 2613-o4(-F) [145] l 匐 化问题转化盘砬鋈蒌：图1 TRIZ发明问题解决流程图2 非标准路面车辆座椅减振问题的TIRZ论证2.1问题提出座椅是人车接触的界面，既支承着人体的重量，又能缓解路面激励对人体的振动，从而改善驾驶员工作环境，提高工作效率。

工作中，驾驶员在座椅上所承受的是全身振动，大量相关研究证明，人体对频率的敏感范围为纵向48Hz，横向1～2Hz。当车身振动频率与人体器官的共振频率接近时产生的共振，对人体的伤害更大。振动对驾驶员的影响主要有：-是高强度全身振动会对人体的腰椎、脊柱、胃和肾脏等器官造成伤害 ；二是振动达到-定限度时，就会加剧人体疲劳，视觉、反应以及操作动作准确性下降。

农林、工程等非公路车辆作业环境恶劣，加之车辆结构配置标准低下，多数车辆无悬挂系统或悬架结构简陋，所以，这类车辆驾驶员最易承受低频高强度振动的伤害 。

2.2 问题分析拟解决的问题：在上面的问题中，人与座椅构成-个振动技术系统 ，座椅是技术系统的主体 ，悬架是核心部件。悬架作为座椅与车身问的中间部件，来 自路面和发动机的振动均通过座椅悬架传递给座椅及乘员。通过改善座椅悬架结构，增强减振效果，提高乘坐的舒适性，是座椅减振设计的通用手段。

系统的理想解：从功能来说，作为承受车身与司机重载之间的减振悬架，理想的状态是完全消除振动或将振动的幅度大幅收窄，加速度明显变小，振动和缓，垂直减振和侧向减振效果均达到人机工程学要求。

2.3技术矛盾解决技术矛盾陈述：在人体与座椅构成的技术系11461 第35卷 第3期 2013-04(下)统中，人体对振动反应的描述参数主要有：振动的强度、振动的频率、振动的方向和持续的时间 。

对非标准路面的车辆座椅，振动强度的影响尤为突出，通过上面的描述，需要借助可行的手段和工具，找到-种解决方法：座椅的装置不要太复杂，可靠性有保证，系统的效果较为理想。该系统中存在的技术矛盾冲突是，路面激励导致的振动严重影响着驾驶者的舒适性，减振效果与装置复杂程度的矛盾。

表1 人体受振物理参数的转化技术矛盾匹配--技术矛盾解决 ：从整体看，振动的强度、振动的频率、振动的方向和持续的时间四项参数都应改善，但是，振动的强度的直接反应是加速度，振动持续的时间和振动的频率都与振动强度有关联，所以，要改变受振效果，-般会增加装置，也就是说，振动的强度与振动装置构成该系统的核心矛盾～矛盾双方转化为TRIZ语言，振动强度转化为强度和运动物体的能量，振动装置转化为静止物体的体积和装置的复杂性，查找阿奇舒勒矛盾矩阵，在交叉处得到推荐的发明原理分别是：2分离；9预加反作用：13反向；14曲面化；l5动态；17维数变化；27廉价替代品；28机械系统替代；29气动与液压结构。

表2 TRIZ矛盾矩阵简表根据本设计实际，结合对冲突矩阵中得出的推荐原理进行综合分析，选用17维数变化；14曲务I 訇 化面化；15动态；13反向：29气动与液压结构五条原理。

3 基于TRIZ原理的非标路面座椅减振设计与仿真3.1基于TRIZ原理的非标路面座椅减振设计- 般并联机构的多维减振座椅装置是，上面圆盘为活动平台，下面圆盘是静平台，外侧对称布局三个减振支架 ，分别与上下平台用球铰连接。中间为-移动副，下端与固定底盘固定，上端通过-个万向节与活动圆盘相连。这种设计对于非标路面座椅减振 ，就会 出现难以兼顾的问题，就是减振元器件参数确定困难。以-般情况为基准，过大冲击时减振效果不明显，以过大冲击时为基准，-般冲击时就会效果微弱。图2是利用TRIZ理论中维数变化原理、曲面化原理、反向原理、气动与液压结构原理进行的座椅悬架创新设计建模简图。使两者都得到兼顾。

图2 三维 曲面减振悬架 简图利用维数变化原理，把静平台平面设计成三维曲面体，三维曲面体上圆面较小于下圆面，再利用曲面原理和反向原理，把三维曲面体两侧腰线设计成双曲线型，保证上下振动都能受到曲面的阻力。

2)利用动态化原理，活动平台外侧对称分布三个单开链减振支架，三个支架上端以球形铰链与活动平台相连，三个分支下端设计为球形滚动结构与三维曲面体接触；当振动发生时，实现了活动平台不是竖直下降 (上升 )，而是沿斜面下滑 (上升)，-是实现斜面力的分解，二是活动平台的越是下滑 (上升)受到的阻力越大，振动强度大大减弱，从而实现平稳减振。

3)应用气动与液压结构原理，三个外侧减振支架与中间支架减振设计，采用弹簧减振与气态或液态阻尼相结合的组合设计，如图3所示。

图3 单开链减振支架简图每条支链上又加了刚度合适的弹簧，支链内部充入高压气体，并加入-定量的油，用来润滑和末端阻尼，使减振效果更为理想。

3.2基于TRIZ理论的座椅减振结构仿真为了更好的测试座椅的性能和减振的效果，下面通过ASAMS软件进行仿真，对减振座椅结构进行简化建模之后如图1所示。上平台 (动平台)的半径r为100mm，下平台 (静平台)的取值确定为，当冲击最大时，三维曲面体下圆面的半径R为106mm，悬架结构本身的高度为320mm。同时上平台与结构的下部直接以四根弹簧弹簧连接，设置弹簧的刚度K80N/mm，弹簧的阻尼C0.08，条件约束后的结构模型如图4所示。

图4 施加条件约束结构模型给上平台-个人的重力，取F为800N。同时再加上人刚坐上座椅时瞬间冲击力，参数设置为step(time，0.01，1000，0.02，0)。选择仿真的时间为1S，仿真的步数为1000步，由此得出对上平台的仿真曲线如图5所示，通过曲线的变化可以得出该座椅减振机构具有明显的减振效果。

∞ ， ， .曩图5 动平台仿真曲线图下转第150页第35卷 第3期 2013-04(下) I1471务l 匐 似收容器上粘diRFID标签，记录废品数量、种类、时间、废弃原因等信息，便于统计废品数量、废弃原因，防止乱堆乱放废品造成的环境污染和交叉污染。

在产品包装内或容器 内加贴RFID防转移标签，防止标签被转移做其它使用，从而达到产品防伪的目的。

7)乳品全过程追溯管理利用原料乳收购储运车RFID标签、储奶罐中原料乳混合及使用的仿真流体力学模型，形成原料乳来源的模糊追溯方案，结合前面所描述的生产过程控制、产品状态检测与防伪等过程中的物料流管理RFID解决方案，实现乳制品从原料乳收购到乳品生产、销售的全过程追溯管理。

3 乳制品安全追溯研究中的技术难点1)提升RFID设备在乳品制造环境的适应性是- 个技术难点。乳品制造环境复杂，生产环境特性参数和生产线参数多(如温度、湿度、压力、电磁辐射强度、酸碱度、周边设备质地等)，电子环境差，如何使RFID读写设备和系统适应复杂的乳品制造环境及生产线现状是-个技术难点。

2)连续生产过程的追溯实现是-个技术难点。在连续生产过程例如液态奶的生产过程中，存在不同时间段、不同量的原料奶多批次混合(又称错时批次混合)的现象，而生产线连续处理和灌装，这给液态奶的原料和生产过程监控提出了难题，如何利用RFID技术来实现连续生产过程的原料与产品的模糊追溯也是-个技术难点。

3)RFID技术数据融合处理是本研究的技术难点，也是RFID技术应用的重点。食品制造特别是乳品的制造工艺、流程各不相同，多种类原辅料也错综交叉，我国食品安全由多个监管部门分段监管，这些都造成了食品安全数据的多源、异构特性。而不同企业各自信息化水平的差异，对数据安全和隐私的考虑，以及政府部门分段监管对数据的需求等因素，使食品链追溯网络的构建面临很大的挑战。RFID系统采集数据涵盖企业的产供销数据、风险因素监控数据、检测数据、政府监管数据等，数据融合与数据挖掘成为本次研究的-个技术难点和重点。

4 结束语本研究通过RFID技术实现了对乳品生产及质量安全溯源的自动识别与控制，大大加强了企业的质量管理和政府部门的监管力度。目前RFID技术是最合适食品安全监控全过程的物联网技术，特别是在乳制品行业发挥着其独特的作用。食品安全的突出问题和潜在隐患仍然不少，形势依然严峻。随着物联网的进-步发展，RFID技术将更充分地发挥它的重要作用。