農機駕駛座椅水平調節(jié)系統(tǒng)設計

農機駕駛座椅水平調節(jié)系統(tǒng)設計唐 瑜1， 朱瑞祥2( 1 貴州航天天馬機電科技有限公司 ， 貴州 遵義 563003； 2 西北農林科技大學 ， 陜西 楊凌 712100)摘 要 : 針對地表不平時駕駛座椅傾斜 ， 影響作業(yè)安全 、危害駕駛人員身體健康等問題 ， 采用機電一體化技術 ，設計了一種依據農機作業(yè)時橫向傾斜程度自動調節(jié)駕駛座椅的水平調節(jié)系統(tǒng) ， 該系統(tǒng)采用兩個傾角傳感器分別用以采集座椅和機身的傾角信息 ， 作為調平和報警的依據 。試驗表明 : 該系統(tǒng)能夠依據農機座椅的橫向傾斜度 ，在 2 13范圍內橫向自動調節(jié) ， 使駕駛座椅保持水平 。關鍵詞 : 農機 ； 駕駛座椅 ； 水平調節(jié)中圖分類號 : S2190329 文獻標識碼 : A 文章編號 : 1003 188X( 2012) 07 0139 040 引言我國是一個農業(yè)大國 ， 耕地面積為 1 22 108hm2， 但我國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%。農機的工作環(huán)境要比汽車復雜 ， 駕駛員勞動強度大 ， 精神高度集中的長時間作業(yè)很容易引起頸椎病 、腰肌勞損和腰椎間盤突出等疾病 ， 坡地扭腰作業(yè)更增加了駕駛員的勞動強度 ， 對駕駛員的身心造成更大的傷害 ， 且影響工作效率 。同時 ， 當坡度過大時 ， 農機就有翻傾的危險 。隨著我國經濟的發(fā)展和人們生活水平的提高 ， 駕駛員對農機的舒適性要求也越來越高 ， 如何通過對駕駛室 、駕駛座 、方向動力控制 、空調裝置等的優(yōu)化設計來減輕駕駛員的勞動強度 ， 增加操作的舒適性 ， 已成為生產商考慮的重要因素之一 2 5。座椅的舒適性設計通常包括對靠背 、座墊 、頭枕 、減震機構和調節(jié)機構等幾個方面的設計 ， 在汽車上座椅的調節(jié)機構具有 8個方向的調節(jié)功能 ， 分別是 : 高度調節(jié) 、縱向位移調節(jié) 、靠背坐墊夾角調節(jié)和坐墊前傾角調節(jié) 。在發(fā)達國家 ， 一些拖拉機廠商已經將汽車座椅的 “八方向 ”調整應用到拖拉機上 ， 以提高拖拉機的舒適性 ， 增強其在農機市場的競爭力 。為提高農機作業(yè)的安全性與舒適性 ， 提高我國農機產品的競爭力 ， 本文設計了一種駕駛座椅水平調節(jié)收稿日期 : 2011 08 21基金項目 : 國家 “十一五 ”科技支撐計劃重大項目 ( 2006BAD09B04)作者簡介 : 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 ， 碩士生導師 。系統(tǒng) ， 該系統(tǒng)應用機電一體化技術 ， 能夠根據機身的橫向傾斜程度對駕駛座椅進行橫向水平調節(jié) ， 并在危險作業(yè)時實現(xiàn)報警功能 。1 設計思路本設計是針對農機在坡地傾斜作業(yè)時駕駛員的扭腰作業(yè)問題進行的研究 ， 解決的方法就是在農機傾斜作業(yè)時 ， 對駕駛座椅進行橫向水平調節(jié) ， 使其保持橫向水平 ， 同時 ， 還要保證駕駛座椅的舒適性 。常用的調平方式有機電式和電液式兩種 6 7， 鑒于液壓調平系統(tǒng)成本高 、沖擊大 ， 且存在泄漏問題 ， 本文選擇成本低 、傳動平穩(wěn)的機電式調平方式 。本研究的設計思路如圖 1 所示 。1 座椅 2 推桿 3 螺母 4 螺桿圖 1 調平示意圖Fig 1 Leveling schematic保留駕駛座椅的原有減震和調節(jié)系統(tǒng) ， 將座椅左右兩側的其中一側與座椅固定座鉸鏈 ， 另外一側底部安裝滑動導軌 ， 通過銷子與推桿相連接 。當農機橫向傾斜時 ， 控制系統(tǒng)采集座椅的傾角信息 ， 通過驅動電機旋轉 ， 使螺桿作左右旋轉運動 ， 進而使螺母帶動推9312012 年 7 月 農 機 化 研 究 第 7 期桿沿其導軌方向做直線運動 ， 以改變座椅該側的高度 ， 使其恢復到水平狀態(tài) ， 當推桿上升或下降時 ， 銷子在其導軌中滑動 ， 從而保證推桿的直線運動不受座椅傾角的影響 。2 傳動機構設計傳動機構如圖 2 所示 。其主要包括電動機 、蝸輪蝸桿減速器和螺桿傳動 3 部分 ， 電動機的輸出扭矩經蝸輪蝸桿減速器減速增扭后傳遞給螺桿 。圖 2 機構原理圖Fig2 Structure Schematic21 螺桿傳動機構設計1) 螺桿中徑計算 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 ， 應取正常人體重的 1 5 倍 ) ；Pp螺紋副許用壓強 ， 取 11 18MPa；由螺母形式確定的系數 ， 其中整體式螺母取 1 2 2 5。2) 螺旋升角 、當量摩擦角計算及自鎖性驗證 。由螺桿中徑計算取 d2= 10mm， 螺距 P = 2mm， 可得螺旋升角為 = arctanPd2= 3 64由鋼與青銅的當量摩擦因數為 0 08 0 10， 可得當量摩擦角為 = arctanv= arctan( 0 08 0 10)= 4 57 5 71式中 v當量摩擦因數 。由計算可知 ， ， 故螺旋副能自鎖 。3) 螺桿驅動扭矩計算 ， 有T = Fd2tan( a + ) /2 = 1 14 Nm式中 T螺桿驅動扭矩 ；螺旋升角 ；當量摩擦角 。由上述計算可知 ， 本文設計的傳動機構具備自鎖功能 ， 這就可以保證駕駛座椅穩(wěn)定的處在被調整到的位置 。22 減速電機選用 60JB30G10/60105 2430 型直流減速電機 ，其減速機為蝸輪蝸桿減速器 ， 主要技術參數如下 :工作電壓 /V: 24額定轉速 /rmin1: 100輸出扭矩 /Nm: 5由技術參數可知 ， 該減速電機能夠滿足系統(tǒng)工作的需要 ， 且低電壓需求使其可以在農機上得到方便的應用 。3 控制系統(tǒng)31 系統(tǒng)結構本文設計的駕駛座椅水平調節(jié)系統(tǒng)如圖 3 所示 。系統(tǒng)以 AT89C52 單片機為核心處理器 ， 主要完成對電動機的驅動 ， 以及在農機危險作業(yè)時控制報警器發(fā)出的報警信號 ； 兩個傾角傳感器分別用以采集座椅和機身的傾角信息 ， 作為調平和報警的依據 ； AD 轉換器將采集到的兩路傾角信息轉換為數字量 ， 并且發(fā)送給單片機 。圖 3 駕駛座椅自動調平系統(tǒng)結構圖Fig3 Structure of automatic leveling system of drivers seat32 系統(tǒng)設計321 數據采集模塊該模塊包括傾角傳感器和 AD 轉換器 ， 用于測量機身和駕駛座椅的橫向水平信息 ， 并且將其發(fā)送給單片機 。1) 傾角傳感器的選擇 。傾角傳感器選用上海郎0412012 年 7 月 農 機 化 研 究 第 7 期尚科貿有限公司的 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范圍內角度與輸出電壓成線性關系 ， 關系式為b = 30 ( Vout 2 5)式中 b傾角大小 ；Vout輸出電壓值 。圖 4 角度與電壓輸出關系表 ( 90量程中的 30部分 )Fig 4 Relationship between angle and voltage( 30)2) AD 轉換器的選擇 。AD 轉換器選擇 ADC0809，ADC0809 為 8 通道 8 位 AD 轉換器 ， 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以及在不同季節(jié)工作的需要 。322 控制模塊1) 設定調平極限角度 。調平的極限角度是由農機不發(fā)生翻傾和滑移的最大翻傾角和最大滑移角確定的 ， 農機的極限翻傾角為 40， 極 限 滑 移 角 為17 11。當農機傾斜角度大于最大滑移角時 ， 雖然農機沒有翻傾的危險 ， 但已無法正常作業(yè) ， 因此最大調平角度必須小于最大滑移角 。考慮農田作業(yè)環(huán)境的復雜性 ， 為保證農機安全正常作業(yè) ， 將最大調平角度設定為 13。同時 ， 為減少對元器件的損耗 ， 避免系統(tǒng)頻繁工作 ， 將最小調平角度設定為 2， 故調平角度設定為 2 13。2) 控制系統(tǒng)原理 。本文的控制系統(tǒng)是通過將機身和駕駛座椅的傾角與調平角度進行比較 ， 進而給執(zhí)行原件發(fā)送指令的 ， 控制流程如圖 5 所示 。圖 5 中 ， 1為機身的傾斜角度 ， 2為駕駛座椅的傾斜角度 ， max為最大調平角度 ， min為最小調平角度 。程序開始運行以后 ， 首先采集機身的傾角 1和座椅的傾角 2， 然后將 1與 max進行比較 ， 如果 1 max， 則說明機身的傾角已經影響到工作的穩(wěn)定性 ， 甚至于有翻傾的危險 ， 系統(tǒng)發(fā)出報警信號 ； 如果 1 max， 則說明機身雖然傾斜 ， 但依然可以穩(wěn)定工作 。此時將判斷 2與min的大小 ， 如果 2 min， 則表明座椅水平傾角很小 ，不需要調平 ； 如果 2 min， 則表明駕駛座椅進入調平范圍 ， 系統(tǒng)執(zhí)行調平工作 。同時 ， 在系統(tǒng)中增設手動調節(jié)開關 ， 調節(jié)開關直接控制驅動電機的啟閉 ， 這樣駕駛員就能夠根據不同的工作環(huán)境選擇自動調平或者手動調平 ， 增強了系統(tǒng)的實用性 ， 而且駕駛員還可以根據自己的需要 ， 將座椅調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)實驗控制系統(tǒng)實驗是為了驗證控制系統(tǒng)能否按預設的要求工作 ， 由于傾角傳感器的輸出量為模擬電壓信號 ， 所以只要在其輸出電壓范圍內提供可變的電壓信號 ， 即可替代傾角傳感器工作 。本文用電位器作為信號的輸入端 ， 將作用于其上的電壓值發(fā)送給單片機 ，通過調整電位器的電阻值 ， 即可給單片機提供變化的電壓信號 ； 在系統(tǒng)的輸出端 ， 用蜂鳴器作為報警裝置 ，用 2 個發(fā)光二極管 D1， D2 表征電機相反旋向控制電路的啟閉 。試驗數據如表 1 所示 。由表 1 可以看出 ， 當機身傾角超出 13范圍時蜂鳴器報警 ， 二極管不發(fā)光 ； 當機身傾角小于 13， 且座椅傾角大于 2時 ， 有二極管發(fā)光 ， 蜂鳴器不報警 ； 當機身傾角小于 13， 座椅傾角在0 2范圍內時 ， 二極管和蜂鳴器都不工作 。說明控制系統(tǒng)能夠按預設的要求 ， 在農機危險作業(yè)時發(fā)出報警信號 ， 在農機安全作業(yè)且座椅處于調平角度內時執(zhí)1412012 年 7 月 農 機 化 研 究 第 7 期行調平工作 。表 1 控制系統(tǒng)實驗數據Tab1 Experimental data of control system機身傾角/( )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 結論由于我國存在大量緩坡耕地 ， 造成眾多地區(qū)農機駕駛員要經常從事扭腰作業(yè) ， 鑒于其對駕駛員身體造成的嚴重損害 ， 以及坡地作業(yè)中出現(xiàn)的農機翻傾事故本文設計了農機駕駛座椅水平調節(jié)系統(tǒng) 。實驗證明 ，該系統(tǒng)具備在農機傾斜時將座椅自動調平以及在農機危險作業(yè)時自動報警的功能 ， 可以大大提高農機作業(yè)的舒適性和安全性 ， 減少對駕駛員身體的傷害 ， 進而提高生產效率 。本文針對的主要是農機坡地作業(yè)中的橫向傾斜問題 ， 仍有不足之處 ， 在以后的研究中 ， 將努力實現(xiàn)對農機駕駛座椅多個方位的調節(jié) ， 全面提高農機作業(yè)的舒適性 。參考文獻 : 1 崔麗 ， 許月卿 河北省農用地利用集約度時空變異分析 J 地理科學進展 ， 2007， 26( 2) : 116 125 2 王光南 現(xiàn)代汽車座椅舒適性研究 D 上海 : 上海交通大學 ， 2005 3 孫丹丹 座椅被動安全性仿真分析與結構參數化設計 D 長春 : 吉林大學 ， 2003 4 許英 ， 朱序璋 ， 楊宏剛 ， 等 汽車駕駛座椅的人機工程學設計 J 機電產品開發(fā)與創(chuàng)新 ， 2008， 21( 1) : 28 30 5 趙德敏 車輛座椅動態(tài)舒適性及窄帶隨機動力系統(tǒng)研究 D 天津 : 天津大學 ， 2007 6 李旻 車載雷達機電式自動調平系統(tǒng)的方案 J 電子產品世界 ， 2009( 11) : 64 65 7 胡均平 ， 陸曉兵 靜力壓樁機電液自動調平系統(tǒng)研究 J 建筑機械 ， 2008( 3) : 72 74 8 成大先 機械設計手冊 M 北京 : 化學工業(yè)出版 ， 2008 9 張文昭 基于壓差法的水銀式傾角傳感器 J 湖南科技學院學報 ， 2008( 8) : 28 30 10 李慶 采用傾角傳感器的水田激光平地機設計 J 農業(yè)工程學報 ， 2007， 23( 4) : 88 93 11 高連興 ， 史巖 ， 師帥兵 拖拉機與汽車 M 北京 : 中國農業(yè)出版社 ， 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