農(nóng)機(jī)駕駛座椅水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

農(nóng)機(jī)駕駛座椅水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)唐 瑜1， 朱瑞祥2( 1 貴州航天天馬機(jī)電科技有限公司 ， 貴州 遵義 563003； 2 西北農(nóng)林科技大學(xué) ， 陜西 楊凌 712100)摘 要 : 針對(duì)地表不平時(shí)駕駛座椅傾斜 ， 影響作業(yè)安全 、危害駕駛?cè)藛T身體健康等問(wèn)題 ， 采用機(jī)電一體化技術(shù) ，設(shè)計(jì)了一種依據(jù)農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)橫向傾斜程度自動(dòng)調(diào)節(jié)駕駛座椅的水平調(diào)節(jié)系統(tǒng) ， 該系統(tǒng)采用兩個(gè)傾角傳感器分別用以采集座椅和機(jī)身的傾角信息 ， 作為調(diào)平和報(bào)警的依據(jù) 。試驗(yàn)表明 : 該系統(tǒng)能夠依據(jù)農(nóng)機(jī)座椅的橫向傾斜度 ，在 2 13范圍內(nèi)橫向自動(dòng)調(diào)節(jié) ， 使駕駛座椅保持水平 。關(guān)鍵詞 : 農(nóng)機(jī) ； 駕駛座椅 ； 水平調(diào)節(jié)中圖分類(lèi)號(hào) : S2190329 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A 文章編號(hào) : 1003 188X( 2012) 07 0139 040 引言我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó) ， 耕地面積為 1 22 108hm2， 但我國(guó)耕地主要分布在高原 、山地和丘陵地區(qū) ，平原和盆地地區(qū)的耕地僅占總耕地的 30 73% 1， 緩坡耕地 ( 6 15) 的面積占 29 64%。農(nóng)機(jī)的工作環(huán)境要比汽車(chē)復(fù)雜 ， 駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度大 ， 精神高度集中的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)很容易引起頸椎病 、腰肌勞損和腰椎間盤(pán)突出等疾病 ， 坡地扭腰作業(yè)更增加了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度 ， 對(duì)駕駛員的身心造成更大的傷害 ， 且影響工作效率 。同時(shí) ， 當(dāng)坡度過(guò)大時(shí) ， 農(nóng)機(jī)就有翻傾的危險(xiǎn) 。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高 ， 駕駛員對(duì)農(nóng)機(jī)的舒適性要求也越來(lái)越高 ， 如何通過(guò)對(duì)駕駛室 、駕駛座 、方向動(dòng)力控制 、空調(diào)裝置等的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度 ， 增加操作的舒適性 ， 已成為生產(chǎn)商考慮的重要因素之一 2 5。座椅的舒適性設(shè)計(jì)通常包括對(duì)靠背 、座墊 、頭枕 、減震機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等幾個(gè)方面的設(shè)計(jì) ， 在汽車(chē)上座椅的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有 8個(gè)方向的調(diào)節(jié)功能 ， 分別是 : 高度調(diào)節(jié) 、縱向位移調(diào)節(jié) 、靠背坐墊夾角調(diào)節(jié)和坐墊前傾角調(diào)節(jié) 。在發(fā)達(dá)國(guó)家 ， 一些拖拉機(jī)廠商已經(jīng)將汽車(chē)座椅的 “八方向 ”調(diào)整應(yīng)用到拖拉機(jī)上 ， 以提高拖拉機(jī)的舒適性 ， 增強(qiáng)其在農(nóng)機(jī)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力 。為提高農(nóng)機(jī)作業(yè)的安全性與舒適性 ， 提高我國(guó)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力 ， 本文設(shè)計(jì)了一種駕駛座椅水平調(diào)節(jié)收稿日期 : 2011 08 21基金項(xiàng)目 : 國(guó)家 “十一五 ”科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目 ( 2006BAD09B04)作者簡(jiǎn)介 : 唐 瑜 ( 1984 ) ， 男 ， 鄭州人 ， 碩士研究生 ，( E mail)7025060 163 com。通訊作者 : 朱瑞祥 ( 1956 ) ， 男 ， 陜西三原人 ， 教授 ， 碩士生導(dǎo)師 。系統(tǒng) ， 該系統(tǒng)應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù) ， 能夠根據(jù)機(jī)身的橫向傾斜程度對(duì)駕駛座椅進(jìn)行橫向水平調(diào)節(jié) ， 并在危險(xiǎn)作業(yè)時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能 。1 設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)是針對(duì)農(nóng)機(jī)在坡地傾斜作業(yè)時(shí)駕駛員的扭腰作業(yè)問(wèn)題進(jìn)行的研究 ， 解決的方法就是在農(nóng)機(jī)傾斜作業(yè)時(shí) ， 對(duì)駕駛座椅進(jìn)行橫向水平調(diào)節(jié) ， 使其保持橫向水平 ， 同時(shí) ， 還要保證駕駛座椅的舒適性 。常用的調(diào)平方式有機(jī)電式和電液式兩種 6 7， 鑒于液壓調(diào)平系統(tǒng)成本高 、沖擊大 ， 且存在泄漏問(wèn)題 ， 本文選擇成本低 、傳動(dòng)平穩(wěn)的機(jī)電式調(diào)平方式 。本研究的設(shè)計(jì)思路如圖 1 所示 。1 座椅 2 推桿 3 螺母 4 螺桿圖 1 調(diào)平示意圖Fig 1 Leveling schematic保留駕駛座椅的原有減震和調(diào)節(jié)系統(tǒng) ， 將座椅左右兩側(cè)的其中一側(cè)與座椅固定座鉸鏈 ， 另外一側(cè)底部安裝滑動(dòng)導(dǎo)軌 ， 通過(guò)銷(xiāo)子與推桿相連接 。當(dāng)農(nóng)機(jī)橫向傾斜時(shí) ， 控制系統(tǒng)采集座椅的傾角信息 ， 通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn) ， 使螺桿作左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ， 進(jìn)而使螺母帶動(dòng)推9312012 年 7 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 7 期桿沿其導(dǎo)軌方向做直線運(yùn)動(dòng) ， 以改變座椅該側(cè)的高度 ， 使其恢復(fù)到水平狀態(tài) ， 當(dāng)推桿上升或下降時(shí) ， 銷(xiāo)子在其導(dǎo)軌中滑動(dòng) ， 從而保證推桿的直線運(yùn)動(dòng)不受座椅傾角的影響 。2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖 2 所示 。其主要包括電動(dòng)機(jī) 、蝸輪蝸桿減速器和螺桿傳動(dòng) 3 部分 ， 電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩經(jīng)蝸輪蝸桿減速器減速增扭后傳遞給螺桿 。圖 2 機(jī)構(gòu)原理圖Fig2 Structure Schematic21 螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1) 螺桿中徑計(jì)算 8。螺紋副材料選擇鋼與青銅 ，則螺桿中徑為d320 8FP槡p式中 d2螺桿中徑 ；F軸向載荷 ( 根據(jù)座椅的支撐方式 ， 取正常人體重的 0 5 倍 ， 考慮到田間作業(yè)沖擊載荷的作用 ， 應(yīng)取正常人體重的 1 5 倍 ) ；Pp螺紋副許用壓強(qiáng) ， 取 11 18MPa；由螺母形式確定的系數(shù) ， 其中整體式螺母取 1 2 2 5。2) 螺旋升角 、當(dāng)量摩擦角計(jì)算及自鎖性驗(yàn)證 。由螺桿中徑計(jì)算取 d2= 10mm， 螺距 P = 2mm， 可得螺旋升角為 = arctanPd2= 3 64由鋼與青銅的當(dāng)量摩擦因數(shù)為 0 08 0 10， 可得當(dāng)量摩擦角為 = arctanv= arctan( 0 08 0 10)= 4 57 5 71式中 v當(dāng)量摩擦因數(shù) 。由計(jì)算可知 ， ， 故螺旋副能自鎖 。3) 螺桿驅(qū)動(dòng)扭矩計(jì)算 ， 有T = Fd2tan( a + ) /2 = 1 14 Nm式中 T螺桿驅(qū)動(dòng)扭矩 ；螺旋升角 ；當(dāng)量摩擦角 。由上述計(jì)算可知 ， 本文設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具備自鎖功能 ， 這就可以保證駕駛座椅穩(wěn)定的處在被調(diào)整到的位置 。22 減速電機(jī)選用 60JB30G10/60105 2430 型直流減速電機(jī) ，其減速機(jī)為蝸輪蝸桿減速器 ， 主要技術(shù)參數(shù)如下 :工作電壓 /V: 24額定轉(zhuǎn)速 /rmin1: 100輸出扭矩 /Nm: 5由技術(shù)參數(shù)可知 ， 該減速電機(jī)能夠滿足系統(tǒng)工作的需要 ， 且低電壓需求使其可以在農(nóng)機(jī)上得到方便的應(yīng)用 。3 控制系統(tǒng)31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本文設(shè)計(jì)的駕駛座椅水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖 3 所示 。系統(tǒng)以 AT89C52 單片機(jī)為核心處理器 ， 主要完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng) ， 以及在農(nóng)機(jī)危險(xiǎn)作業(yè)時(shí)控制報(bào)警器發(fā)出的報(bào)警信號(hào) ； 兩個(gè)傾角傳感器分別用以采集座椅和機(jī)身的傾角信息 ， 作為調(diào)平和報(bào)警的依據(jù) ； AD 轉(zhuǎn)換器將采集到的兩路傾角信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 ， 并且發(fā)送給單片機(jī) 。圖 3 駕駛座椅自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig3 Structure of automatic leveling system of drivers seat32 系統(tǒng)設(shè)計(jì)321 數(shù)據(jù)采集模塊該模塊包括傾角傳感器和 AD 轉(zhuǎn)換器 ， 用于測(cè)量機(jī)身和駕駛座椅的橫向水平信息 ， 并且將其發(fā)送給單片機(jī) 。1) 傾角傳感器的選擇 。傾角傳感器選用上海郎0412012 年 7 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 7 期尚科貿(mào)有限公司的 AT 201 SC 型傾角傳感器 9 10，該傾角傳感器的輸出電壓范圍為 5 + 5V， 如圖 4所示 。在 30范圍內(nèi)角度與輸出電壓成線性關(guān)系 ， 關(guān)系式為b = 30 ( Vout 2 5)式中 b傾角大小 ；Vout輸出電壓值 。圖 4 角度與電壓輸出關(guān)系表 ( 90量程中的 30部分 )Fig 4 Relationship between angle and voltage( 30)2) AD 轉(zhuǎn)換器的選擇 。AD 轉(zhuǎn)換器選擇 ADC0809，ADC0809 為 8 通道 8 位 AD 轉(zhuǎn)換器 ， 工作工作溫度范圍為 40 +85， 可以滿足接收兩路傾角傳感器信號(hào)以及在不同季節(jié)工作的需要 。322 控制模塊1) 設(shè)定調(diào)平極限角度 。調(diào)平的極限角度是由農(nóng)機(jī)不發(fā)生翻傾和滑移的最大翻傾角和最大滑移角確定的 ， 農(nóng)機(jī)的極限翻傾角為 40， 極 限 滑 移 角 為17 11。當(dāng)農(nóng)機(jī)傾斜角度大于最大滑移角時(shí) ， 雖然農(nóng)機(jī)沒(méi)有翻傾的危險(xiǎn) ， 但已無(wú)法正常作業(yè) ， 因此最大調(diào)平角度必須小于最大滑移角 ?？紤]農(nóng)田作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性 ， 為保證農(nóng)機(jī)安全正常作業(yè) ， 將最大調(diào)平角度設(shè)定為 13。同時(shí) ， 為減少對(duì)元器件的損耗 ， 避免系統(tǒng)頻繁工作 ， 將最小調(diào)平角度設(shè)定為 2， 故調(diào)平角度設(shè)定為 2 13。2) 控制系統(tǒng)原理 。本文的控制系統(tǒng)是通過(guò)將機(jī)身和駕駛座椅的傾角與調(diào)平角度進(jìn)行比較 ， 進(jìn)而給執(zhí)行原件發(fā)送指令的 ， 控制流程如圖 5 所示 。圖 5 中 ， 1為機(jī)身的傾斜角度 ， 2為駕駛座椅的傾斜角度 ， max為最大調(diào)平角度 ， min為最小調(diào)平角度 。程序開(kāi)始運(yùn)行以后 ， 首先采集機(jī)身的傾角 1和座椅的傾角 2， 然后將 1與 max進(jìn)行比較 ， 如果 1 max， 則說(shuō)明機(jī)身的傾角已經(jīng)影響到工作的穩(wěn)定性 ， 甚至于有翻傾的危險(xiǎn) ， 系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào) ； 如果 1 max， 則說(shuō)明機(jī)身雖然傾斜 ， 但依然可以穩(wěn)定工作 。此時(shí)將判斷 2與min的大小 ， 如果 2 min， 則表明座椅水平傾角很小 ，不需要調(diào)平 ； 如果 2 min， 則表明駕駛座椅進(jìn)入調(diào)平范圍 ， 系統(tǒng)執(zhí)行調(diào)平工作 。同時(shí) ， 在系統(tǒng)中增設(shè)手動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān) ， 調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)直接控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟閉 ， 這樣駕駛員就能夠根據(jù)不同的工作環(huán)境選擇自動(dòng)調(diào)平或者手動(dòng)調(diào)平 ， 增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)用性 ， 而且駕駛員還可以根據(jù)自己的需要 ， 將座椅調(diào)整到自己想要的狀態(tài) ，座椅的舒適性也得到了提高 。圖 5 控制程序流程圖Fig5 The flow chart of controlling program4 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)能否按預(yù)設(shè)的要求工作 ， 由于傾角傳感器的輸出量為模擬電壓信號(hào) ， 所以只要在其輸出電壓范圍內(nèi)提供可變的電壓信號(hào) ， 即可替代傾角傳感器工作 。本文用電位器作為信號(hào)的輸入端 ， 將作用于其上的電壓值發(fā)送給單片機(jī) ，通過(guò)調(diào)整電位器的電阻值 ， 即可給單片機(jī)提供變化的電壓信號(hào) ； 在系統(tǒng)的輸出端 ， 用蜂鳴器作為報(bào)警裝置 ，用 2 個(gè)發(fā)光二極管 D1， D2 表征電機(jī)相反旋向控制電路的啟閉 。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1 所示 。由表 1 可以看出 ， 當(dāng)機(jī)身傾角超出 13范圍時(shí)蜂鳴器報(bào)警 ， 二極管不發(fā)光 ； 當(dāng)機(jī)身傾角小于 13， 且座椅傾角大于 2時(shí) ， 有二極管發(fā)光 ， 蜂鳴器不報(bào)警 ； 當(dāng)機(jī)身傾角小于 13， 座椅傾角在0 2范圍內(nèi)時(shí) ， 二極管和蜂鳴器都不工作 。說(shuō)明控制系統(tǒng)能夠按預(yù)設(shè)的要求 ， 在農(nóng)機(jī)危險(xiǎn)作業(yè)時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào) ， 在農(nóng)機(jī)安全作業(yè)且座椅處于調(diào)平角度內(nèi)時(shí)執(zhí)1412012 年 7 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 7 期行調(diào)平工作 。表 1 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab1 Experimental data of control system機(jī)身傾角/( )座椅傾角/( )蜂鳴器 D1 D2132 61 響 滅 滅132 61 響 滅 滅132 32 響 滅 滅132 32 響 滅 滅120 14 不響 滅 滅120 14 不響 滅 滅120 44 不響 亮 滅120 118 不響 亮 滅120 44 不響 滅 亮120 118 不響 滅 亮5 結(jié)論由于我國(guó)存在大量緩坡耕地 ， 造成眾多地區(qū)農(nóng)機(jī)駕駛員要經(jīng)常從事扭腰作業(yè) ， 鑒于其對(duì)駕駛員身體造成的嚴(yán)重?fù)p害 ， 以及坡地作業(yè)中出現(xiàn)的農(nóng)機(jī)翻傾事故本文設(shè)計(jì)了農(nóng)機(jī)駕駛座椅水平調(diào)節(jié)系統(tǒng) 。實(shí)驗(yàn)證明 ，該系統(tǒng)具備在農(nóng)機(jī)傾斜時(shí)將座椅自動(dòng)調(diào)平以及在農(nóng)機(jī)危險(xiǎn)作業(yè)時(shí)自動(dòng)報(bào)警的功能 ， 可以大大提高農(nóng)機(jī)作業(yè)的舒適性和安全性 ， 減少對(duì)駕駛員身體的傷害 ， 進(jìn)而提高生產(chǎn)效率 。本文針對(duì)的主要是農(nóng)機(jī)坡地作業(yè)中的橫向傾斜問(wèn)題 ， 仍有不足之處 ， 在以后的研究中 ， 將努力實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)駕駛座椅多個(gè)方位的調(diào)節(jié) ， 全面提高農(nóng)機(jī)作業(yè)的舒適性 。參考文獻(xiàn) : 1 崔麗 ， 許月卿 河北省農(nóng)用地利用集約度時(shí)空變異分析 J 地理科學(xué)進(jìn)展 ， 2007， 26( 2) : 116 125 2 王光南 現(xiàn)代汽車(chē)座椅舒適性研究 D 上海 : 上海交通大學(xué) ， 2005 3 孫丹丹 座椅被動(dòng)安全性仿真分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì) D 長(zhǎng)春 : 吉林大學(xué) ， 2003 4 許英 ， 朱序璋 ， 楊宏剛 ， 等 汽車(chē)駕駛座椅的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì) J 機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新 ， 2008， 21( 1) : 28 30 5 趙德敏 車(chē)輛座椅動(dòng)態(tài)舒適性及窄帶隨機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)研究 D 天津 : 天津大學(xué) ， 2007 6 李旻 車(chē)載雷達(dá)機(jī)電式自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的方案 J 電子產(chǎn)品世界 ， 2009( 11) : 64 65 7 胡均平 ， 陸曉兵 靜力壓樁機(jī)電液自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)研究 J 建筑機(jī)械 ， 2008( 3) : 72 74 8 成大先 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) M 北京 : 化學(xué)工業(yè)出版 ， 2008 9 張文昭 基于壓差法的水銀式傾角傳感器 J 湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào) ， 2008( 8) : 28 30 10 李慶 采用傾角傳感器的水田激光平地機(jī)設(shè)計(jì) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) ， 2007， 23( 4) : 88 93 11 高連興 ， 史巖 ， 師帥兵 拖拉機(jī)與汽車(chē) M 北京 : 中國(guó)農(nóng)業(yè)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