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农机驾驶座椅水平调节系统设计唐 瑜1, 朱瑞祥2( 1 贵州航天天马机电科技有限公司 , 贵州 遵义 563003; 2 西北农林科技大学 , 陕西 杨凌 712100)摘 要 : 针对地表不平时驾驶座椅倾斜 , 影响作业安全 、危害驾驶人员身体健康等问题 , 采用机电一体化技术 ,设计了一种依据农机作业时横向倾斜程度自动调节驾驶座椅的水平调节系统 , 该系统采用两个倾角传感器分别用以采集座椅和机身的倾角信息 , 作为调平和报警的依据 。试验表明 : 该系统能够依据农机座椅的横向倾斜度 ,在 2 13范围内横向自动调节 , 使驾驶座椅保持水平 。关键词 : 农机 ; 驾驶座椅 ; 水平调节中图分类号 : S2190329 文献标识码 : A 文章编号 : 1003 188X( 2012) 07 0139 040 引言我国是一个农业大国 , 耕地面积为 1 22 108hm2, 但我国耕地主要分布在高原 、山地和丘陵地区 ,平原和盆地地区的耕地仅占总耕地的 30 73% 1, 缓坡耕地 ( 6 15) 的面积占 29 64%。农机的工作环境要比汽车复杂 , 驾驶员劳动强度大 , 精神高度集中的长时间作业很容易引起颈椎病 、腰肌劳损和腰椎间盘突出等疾病 , 坡地扭腰作业更增加了驾驶员的劳动强度 , 对驾驶员的身心造成更大的伤害 , 且影响工作效率 。同时 , 当坡度过大时 , 农机就有翻倾的危险 。随着我国经济的发展和人们生活水平的提高 , 驾驶员对农机的舒适性要求也越来越高 , 如何通过对驾驶室 、驾驶座 、方向动力控制 、空调装置等的优化设计来减轻驾驶员的劳动强度 , 增加操作的舒适性 , 已成为生产商考虑的重要因素之一 2 5。座椅的舒适性设计通常包括对靠背 、座垫 、头枕 、减震机构和调节机构等几个方面的设计 , 在汽车上座椅的调节机构具有 8个方向的调节功能 , 分别是 : 高度调节 、纵向位移调节 、靠背坐垫夹角调节和坐垫前倾角调节 。在发达国家 , 一些拖拉机厂商已经将汽车座椅的 “八方向 ”调整应用到拖拉机上 , 以提高拖拉机的舒适性 , 增强其在农机市场的竞争力 。为提高农机作业的安全性与舒适性 , 提高我国农机产品的竞争力 , 本文设计了一种驾驶座椅水平调节收稿日期 : 2011 08 21基金项目 : 国家 “十一五 ”科技支撑计划重大项目 ( 2006BAD09B04)作者简介 : 唐 瑜 ( 1984 ) , 男 , 郑州人 , 硕士研究生 ,( E mail)7025060 163 com。通讯作者 : 朱瑞祥 ( 1956 ) , 男 , 陕西三原人 , 教授 , 硕士生导师 。系统 , 该系统应用机电一体化技术 , 能够根据机身的横向倾斜程度对驾驶座椅进行横向水平调节 , 并在危险作业时实现报警功能 。1 设计思路本设计是针对农机在坡地倾斜作业时驾驶员的扭腰作业问题进行的研究 , 解决的方法就是在农机倾斜作业时 , 对驾驶座椅进行横向水平调节 , 使其保持横向水平 , 同时 , 还要保证驾驶座椅的舒适性 。常用的调平方式有机电式和电液式两种 6 7, 鉴于液压调平系统成本高 、冲击大 , 且存在泄漏问题 , 本文选择成本低 、传动平稳的机电式调平方式 。本研究的设计思路如图 1 所示 。1 座椅 2 推杆 3 螺母 4 螺杆图 1 调平示意图Fig 1 Leveling schematic保留驾驶座椅的原有减震和调节系统 , 将座椅左右两侧的其中一侧与座椅固定座铰链 , 另外一侧底部安装滑动导轨 , 通过销子与推杆相连接 。当农机横向倾斜时 , 控制系统采集座椅的倾角信息 , 通过驱动电机旋转 , 使螺杆作左右旋转运动 , 进而使螺母带动推9312012 年 7 月 农 机 化 研 究 第 7 期杆沿其导轨方向做直线运动 , 以改变座椅该侧的高度 , 使其恢复到水平状态 , 当推杆上升或下降时 , 销子在其导轨中滑动 , 从而保证推杆的直线运动不受座椅倾角的影响 。2 传动机构设计传动机构如图 2 所示 。其主要包括电动机 、蜗轮蜗杆减速器和螺杆传动 3 部分 , 电动机的输出扭矩经蜗轮蜗杆减速器减速增扭后传递给螺杆 。图 2 机构原理图Fig2 Structure Schematic21 螺杆传动机构设计1) 螺杆中径计算 8。螺纹副材料选择钢与青铜 ,则螺杆中径为d320 8FP槡p式中 d2螺杆中径 ;F轴向载荷 ( 根据座椅的支撑方式 , 取正常人体重的 0 5 倍 , 考虑到田间作业冲击载荷的作用 , 应取正常人体重的 1 5 倍 ) ;Pp螺纹副许用压强 , 取 11 18MPa;由螺母形式确定的系数 , 其中整体式螺母取 1 2 2 5。2) 螺旋升角 、当量摩擦角计算及自锁性验证 。由螺杆中径计算取 d2= 10mm, 螺距 P = 2mm, 可得螺旋升角为 = arctanPd2= 3 64由钢与青铜的当量摩擦因数为 0 08 0 10, 可得当量摩擦角为 = arctanv= arctan( 0 08 0 10)= 4 57 5 71式中 v当量摩擦因数 。由计算可知 , , 故螺旋副能自锁 。3) 螺杆驱动扭矩计算 , 有T = Fd2tan( a + ) /2 = 1 14 Nm式中 T螺杆驱动扭矩 ;螺旋升角 ;当量摩擦角 。由上述计算可知 , 本文设计的传动机构具备自锁功能 , 这就可以保证驾驶座椅稳定的处在被调整到的位置 。22 减速电机选用 60JB30G10/60105 2430 型直流减速电机 ,其减速机为蜗轮蜗杆减速器 , 主要技术参数如下 :工作电压 /V: 24额定转速 /rmin1: 100输出扭矩 /Nm: 5由技术参数可知 , 该减速电机能够满足系统工作的需要 , 且低电压需求使其可以在农机上得到方便的应用 。3 控制系统31 系统结构本文设计的驾驶座椅水平调节系统如图 3 所示 。系统以 AT89C52 单片机为核心处理器 , 主要完成对电动机的驱动 , 以及在农机危险作业时控制报警器发出的报警信号 ; 两个倾角传感器分别用以采集座椅和机身的倾角信息 , 作为调平和报警的依据 ; AD 转换器将采集到的两路倾角信息转换为数字量 , 并且发送给单片机 。图 3 驾驶座椅自动调平系统结构图Fig3 Structure of automatic leveling system of drivers seat32 系统设计321 数据采集模块该模块包括倾角传感器和 AD 转换器 , 用于测量机身和驾驶座椅的横向水平信息 , 并且将其发送给单片机 。1) 倾角传感器的选择 。倾角传感器选用上海郎0412012 年 7 月 农 机 化 研 究 第 7 期尚科贸有限公司的 AT 201 SC 型倾角传感器 9 10,该倾角传感器的输出电压范围为 5 + 5V, 如图 4所示 。在 30范围内角度与输出电压成线性关系 , 关系式为b = 30 ( Vout 2 5)式中 b倾角大小 ;Vout输出电压值 。图 4 角度与电压输出关系表 ( 90量程中的 30部分 )Fig 4 Relationship between angle and voltage( 30)2) AD 转换器的选择 。AD 转换器选择 ADC0809,ADC0809 为 8 通道 8 位 AD 转换器 , 工作工作温度范围为 40 +85, 可以满足接收两路倾角传感器信号以及在不同季节工作的需要 。322 控制模块1) 设定调平极限角度 。调平的极限角度是由农机不发生翻倾和滑移的最大翻倾角和最大滑移角确定的 , 农机的极限翻倾角为 40, 极 限 滑 移 角 为17 11。当农机倾斜角度大于最大滑移角时 , 虽然农机没有翻倾的危险 , 但已无法正常作业 , 因此最大调平角度必须小于最大滑移角 。考虑农田作业环境的复杂性 , 为保证农机安全正常作业 , 将最大调平角度设定为 13。同时 , 为减少对元器件的损耗 , 避免系统频繁工作 , 将最小调平角度设定为 2, 故调平角度设定为 2 13。2) 控制系统原理 。本文的控制系统是通过将机身和驾驶座椅的倾角与调平角度进行比较 , 进而给执行原件发送指令的 , 控制流程如图 5 所示 。图 5 中 , 1为机身的倾斜角度 , 2为驾驶座椅的倾斜角度 , max为最大调平角度 , min为最小调平角度 。程序开始运行以后 , 首先采集机身的倾角 1和座椅的倾角 2, 然后将 1与 max进行比较 , 如果 1 max, 则说明机身的倾角已经影响到工作的稳定性 , 甚至于有翻倾的危险 , 系统发出报警信号 ; 如果 1 max, 则说明机身虽然倾斜 , 但依然可以稳定工作 。此时将判断 2与min的大小 , 如果 2 min, 则表明座椅水平倾角很小 ,不需要调平 ; 如果 2 min, 则表明驾驶座椅进入调平范围 , 系统执行调平工作 。同时 , 在系统中增设手动调节开关 , 调节开关直接控制驱动电机的启闭 , 这样驾驶员就能够根据不同的工作环境选择自动调平或者手动调平 , 增强了系统的实用性 , 而且驾驶员还可以根据自己的需要 , 将座椅调整到自己想要的状态 ,座椅的舒适性也得到了提高 。图 5 控制程序流程图Fig5 The flow chart of controlling program4 控制系统实验控制系统实验是为了验证控制系统能否按预设的要求工作 , 由于倾角传感器的输出量为模拟电压信号 , 所以只要在其输出电压范围内提供可变的电压信号 , 即可替代倾角传感器工作 。本文用电位器作为信号的输入端 , 将作用于其上的电压值发送给单片机 ,通过调整电位器的电阻值 , 即可给单片机提供变化的电压信号 ; 在系统的输出端 , 用蜂鸣器作为报警装置 ,用 2 个发光二极管 D1, D2 表征电机相反旋向控制电路的启闭 。试验数据如表 1 所示 。由表 1 可以看出 , 当机身倾角超出 13范围时蜂鸣器报警 , 二极管不发光 ; 当机身倾角小于 13, 且座椅倾角大于 2时 , 有二极管发光 , 蜂鸣器不报警 ; 当机身倾角小于 13, 座椅倾角在0 2范围内时 , 二极管和蜂鸣器都不工作 。说明控制系统能够按预设的要求 , 在农机危险作业时发出报警信号 , 在农机安全作业且座椅处于调平角度内时执1412012 年 7 月 农 机 化 研 究 第 7 期行调平工作 。表 1 控制系统实验数据Tab1 Experimental data of control system机身倾角/( )座椅倾角/( )蜂鸣器 D1 D2132 61 响 灭 灭132 61 响 灭 灭132 32 响 灭 灭132 32 响 灭 灭120 14 不响 灭 灭120 14 不响 灭 灭120 44 不响 亮 灭120 118 不响 亮 灭120 44 不响 灭 亮120 118 不响 灭 亮5 结论由于我国存在大量缓坡耕地 , 造成众多地区农机驾驶员要经常从事扭腰作业 , 鉴于其对驾驶员身体造成的严重损害 , 以及坡地作业中出现的农机翻倾事故本文设计了农机驾驶座椅水平调节系统 。实验证明 ,该系统具备在农机倾斜时将座椅自动调平以及在农机危险作业时自动报警的功能 , 可以大大提高农机作业的舒适性和安全性 , 减少对驾驶员身体的伤害 , 进而提高生产效率 。本文针对的主要是农机坡地作业中的横向倾斜问题 , 仍有不足之处 , 在以后的研究中 , 将努力实现对农机驾驶座椅多个方位的调节 , 全面提高农机作业的舒适性 。参考文献 : 1 崔丽 , 许月卿 河北省农用地利用集约度时空变异分析 J 地理科学进展 , 2007, 26( 2) : 116 125 2 王光南 现代汽车座椅舒适性研究 D 上海 : 上海交通大学 , 2005 3 孙丹丹 座椅被动安全性仿真分析与结构参数化设计 D 长春 : 吉林大学 , 2003 4 许英 , 朱序璋 , 杨宏刚 , 等 汽车驾驶座椅的人机工程学设计 J 机电产品开发与创新 , 2008, 21( 1) : 28 30 5 赵德敏 车辆座椅动态舒适性及窄带随机动力系统研究 D 天津 : 天津大学 , 2007 6 李旻 车载雷达机电式自动调平系统的方案 J 电子产品世界 , 2009( 11) : 64 65 7 胡均平 , 陆晓兵 静力压桩机电液自动调平系统研究 J 建筑机械 , 2008( 3) : 72 74 8 成大先 机械设计手册 M 北京 : 化学工业出版 , 2008 9 张文昭 基于压差法的水银式倾角传感器 J 湖南科技学院学报 , 2008( 8) : 28 30 10 李庆 采用倾角传感器的水田激光平地机设计 J 农业工程学报 , 2007, 23( 4) : 88 93 11 高连兴 , 史岩 , 师帅兵 拖拉机与汽车 M 北京 : 中国农业出版社 , 2000: 211Design on Self leveling System of Farm Machinery Drivers SeatTang Yu1, Zhu Ruixiang2( 1 Guizhou Aerospace Tianma Mechelectronical TS CO LTD, Zunyi 563003, China; 2 Nahuwest Agricultural andF

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