一种变刚度空气弹簧及其刚度调控方法

摘要

本发明涉及一种变刚度空气弹簧设计及其刚度调控方法，主要包括空气弹簧本体设计、刚度预测模型以及刚度调节方式。其特征在于空气弹簧承受垂向载荷，其结构由至少一层曲囊构成。空气弹簧曲囊与曲囊之间由气孔连通，空气弹簧最下层气囊下表面中间开气孔并装配不同类型的接头，通过软管连接实现空气弹簧的不同组合形式。空气弹簧垂向刚度呈现非线性变化，多次拟合可以获得任意初始压强、任意初始容积的空气弹簧载荷与内部气体压强关于空气弹簧高度的数学模型，通过改变内部气压与初始气压等准确调节空气弹簧的刚度与高度，实现刚度自适应。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变刚度空气弹簧的设计、刚度预测数学模型以及刚度调控方法。

背景技术

人的一生大约有三分之一的时间是在睡眠系统上度过的，因此睡眠系统的支撑效果影响着人的生理和心理健康。睡眠系统(床垫和床架的组合)的主要功能是支撑人体，通过提供适宜的人体支撑，使得人体肌肉组织以及腰椎间盘从白天的肢体活动受到的持续载荷中恢复。而睡眠系统支撑质量的主要客观评价指标是表面接触压力分布以及卧姿脊柱形态。人体睡眠过程中人-床界面压力分布以及卧姿脊柱形态受到床垫材料、结构以及人体自身的影响，如体重以及身体轮廓等，因此不同的人群对于床垫的软硬度有不同的需求，太软或者太硬的床垫都不能提供适宜的支撑。进一步说，卧姿脊柱形态是人-床系统交互的复杂生物力学的结果，受到睡眠系统力学性能(尤其是床垫的刚度分布)、使用者体重分布以及肢体轮廓的影响。因此，睡眠系统尤其是床垫的刚度对于卧姿脊柱形态有重大影响，睡在刚度较大的硬质床垫上会导致脊柱呈现C形弯曲。最理想的睡眠系统应该能够主动适应人体身体和睡眠状况的需求而自动调节、适应不同使用者以及不同卧姿的睡眠支撑需求。尽管人们对软硬度自适应床垫有迫切的需求，但是根据卧姿脊柱形态开发软硬度自适应、自动调节的床垫仍然有较大的挑战。现有软硬度可调节的床垫主要是基于人-床界面体压分布实现的，而对于健康的群体而言，并不存在某些部位长时间出现压力集中的情况，因为人在睡眠过程中会调整姿势从而缓解某一部位长时间受压迫。

软硬度可调的床垫能够通过改变人-床界面压力分布提供健康舒适的支撑，从而显著拓展了传统床垫的功能范围。然而现有研究主要集中在交变压力气垫床垫以及个别具有非线性刚度的新型复合材料。调节的原理是通过改变气垫床垫内部气体压强以及新材料的力学性能获得不同的刚度需求。但是现有软硬度可调节的支撑结构主要是条状或者块状的气囊，其变化过程难以预测且由于单体面积较大而导致调节较为宽泛，无法准备根据卧姿脊柱形态做出相应调节。此外，由于形变过程难以预测，因此无法建立较为精确的数学模型预测并控制床垫与人体不同接触部位的硬度与高度

发明内容

本发明旨在提出一种用于床垫的、具有非线性垂向刚度的新型空气弹簧设计方法与实施案例，提出空气弹簧的通用化数学模型建模方法与施力案例以及空气弹簧的软硬度控制方法。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：

本发明涉及一种变刚度空气弹簧设计方法与通用化刚度调节方式，主要包括空气弹簧本体设计(1)、曲面曲囊(2)、曲面(3)、连接孔(4)、气口(5)、接头(6)、软管(7)以及刚度预测模型(8)以及刚度调节方式(9)。

本发明的特点还在于：

所述的空气弹簧簧体，其特征是所述的空气弹簧本体(1)至少由一个曲面曲囊(2)构成，所述的曲囊(2)由两个相对焊接一起的曲面(3)构成，充气展开后形成封闭气室。含有多个曲囊时，中间层曲囊之间通过连接孔(4)连通，所述的曲囊底部开一个气口(5)通过装配的接头(6)与软管(7)与气源连通。多层曲面曲囊空气弹簧的中间曲囊上下曲面中心均开气口与上下曲囊连通，连接工艺为热焊接。

所述的变刚度空气弹簧封闭气室，其特征在于所述封闭曲面气室(2)由高分子弹性体薄膜与织物的复合面料制作而成。

所述的高分子弹性体薄膜与织物的复合面料，其特征在于构成空气弹簧簧体(1)的封闭气室(2)在未充气时全部为平面，充气展开后全部为曲面，在承压后与施力物体接触部位为变化平面。

所述的构成空气弹簧的曲囊，其特征在于连通上下曲囊的中间曲囊两个曲面中心均开气口，与上下曲囊连通，最下层曲囊下曲面中心开气口并安装至少一个出口的气嘴，通过阀门与气源及大气连通。

所述的空气弹簧的曲囊，其特征在于有多层曲囊时，各曲囊容积大小相等，曲面周长、围合面积等几何尺寸相同。

所述的空气弹簧簧体，其特征是空气弹簧表面均为柔性曲面，承压变形所有曲面的接触面积均在变化，随着垂向压缩量增加，空气弹簧曲囊最上表面与施力物体接触面逐渐增加。

所述的空气弹簧通用化建模方法，其特征是任意平衡位置的载荷可以表示为高度的多项式函数：

F

其中多项式函数表达式的幂次项系数与空气弹簧制作材料密度、初始内部压强、初始容积相关，需要经过多次拟合得适用于任意初始压强、任意初始容积的空气弹簧在任意位置的载荷预测模型。对该载荷预测模型求空气弹簧高度h的导数，即得到空气弹簧在任意初始压强、任意初始容积工况下任意平衡位置的刚度模型。

本发明与现有的气囊相比有以下优点：

第一，空气弹簧能够实现与普通螺旋弹簧相似的运动轨迹而刚度呈现非线性变化；第二，与条状、块状气囊相比，空气弹簧在工作过程中能够预测载荷与高度，实现精确调节维持自然的卧姿脊柱形态；第三，可以根据不同使用者以及不同卧姿变化改变空气弹簧内部压强，从而获得不同的软硬度与高度，获得理想的人-床界面体压分布以及卧姿脊柱形态；第四，通过改变空气弹簧材质的密度、初始压强以及初始容积，可以获得不同的初始刚度以及总成高度，从而实现一种结构设计的空气弹簧可以满足床垫不同部位的分区硬度需求。由此可见，本发明所能实现的非线性垂向刚度以及刚度预测、调节对于软硬度自适应床垫开发具应用价值。

附图说明

图1是本发明实施案例的案结构示意图；

图2是本发明实施案例的立体图；

图3是本发明实施案例的立体图的前视图；

图4是本发明实施案例的立体图的俯视图；

图5是本发明实施案例的一种气路及控制系统连接示意图；

图6是本发明实施案例的“位移-载荷”静力学压缩曲线图；

图7是本发明实施案例的“位移-内部压强”静力学压缩曲线图。

图8-1是本发明实施案例的“位移-载荷”力学模型仿真与实验结果对比图；

图8-2是本发明实施案例的“位移-载荷”力学模型预测结果；

图9是本发明实施案例的“位移-内部压强”力学模型预测结果。

具体实施方式

本发明包括空气弹簧本体以及通用化的刚度预测、调节模型，下面结合实施案例附图对本发明做进一步的描述。

如附图5所示，所述的空气弹簧本体(A)由TPU薄膜与织物复合材料制作而成，为多层球冠面状曲囊叠加而成，本发明展示图以3层曲囊空气弹簧为例，如附图1所示，其承压截面为圆形。不同曲囊之间通过热焊接工艺连接，除了最上面一层曲囊只有一个气体流通口外，其余曲囊上下各开有气流口，最下一层曲囊的气体流通口与气路相连。

以3层圆形空气弹簧为例，其结构如图5所示，包括1——空气弹簧曲囊；2——空气弹簧曲囊之间连接孔；3——空气弹簧气管接头。

空气弹簧刚度预测数学模型通过以下过程建立：

①分别在9种初始压强状态下，对所设计的空气弹簧做静力学压缩实验，实验仪器为万能力学机(岛津，日本)，量程选择0～1KN，精度0.001KN。实施案例选择1层、2层、3层圆形空气弹簧。9种压强为0.010MPa～0.026MPa，间隔为0.002MPa。其“位移-载荷”曲线图如图6所示，“位移-内部压强”曲线图如图7所示。通过图6可以看出空气弹簧在静态垂向压缩过程中，随着压缩位移的增加，所需的载荷呈现非线性增加趋势，压强呈现非线性增加趋势。随着压缩增大，空气弹簧的刚度也呈现非线性增加趋势。

荷载与空气弹簧初始压强之间呈现正相关关系，任意结构的空气弹簧在同样压缩行程内，初始压强越大，荷载越大。表明在空气弹簧设计容积确定时，空气弹簧初始压强越大，刚度越大。

通过以上分析可知空气弹簧在压缩过程中刚度随着压缩量增加而增加，荷载与内部压强也随之增加，图像显示为非线性关系。因此通过多项式拟合分别建立载荷、内部压强与空气弹簧高度(设计高度与压缩量之差)之间的数学模型，以满足工程实际控制、调节需求。

②建立“位移-载荷”数学模型：

空气弹簧的荷载是随着压缩量以及初始内压增加而增加，同样压缩量情况下，初始内压越大，空气弹簧需要的荷载越大；同样的初始内压情况下，压缩量越大，空气弹簧需要的荷载越大。因此可以看出荷载与压缩量以及初始内压之间均有关系。因此通过多项式多次拟合的方式建立任意初始压强条件下的“荷载-位移”函数模型，将荷载F表示为位移x的多项式，对F求位移x的导数，则得到动态刚度k关于位移的多项式。

以初始气压为0.01MPa为例，通过多项式拟合，随着拟合次幂增加，其残差及可信度变化如表1所示。可以看出随着拟合幂次n增加，均方差在逐渐减小，可信度在逐渐增加，但是当拟合幂次超过3后，随着n增加，均方差以及可信度增加并不显著。因此，在工程控制中，最高幂次n＝3时即可满足实际需求，拟合可信度均在0.99左右，均方差0.0003以下。随着最高次幂的增加，可信度与均方差并没有明显提高，即在要求不高的情况下采用2次多项式拟合即可，要求苛刻的工作环境下可以采用3次多项式拟合。本文采用3次多项式拟合。

表1

根据静态压缩实验曲线形状特点，采用多项式拟合，建立表示“荷载-位移”的模型：

F

其中，F

d——空气弹簧高度

n——多项式最高幂次

a

定义空气弹簧的高度幂矢量d＝(d

F

以初始内压p＝0.01MPa单层气囊压缩所采集的“荷载-位移”数据，采用3次多项式拟合，使用MATLAB内置函数，得到多项式各幂次系数a＝polyfit(F，d，n)。

不同初始内压下的气囊压缩曲线斜率不同，可推断多项式的各幂次系数与初始气压之间有关系，为了使所建立的空气弹簧数学模型能够在任意不同初始气压条件下都可以准确描述其力学性能，需要二次拟合，将初始气压的影响考虑在内。

将9种初始内压拟合得到的9个3次多项式系数按照初始气压从低到高单调排列，得到不同初始幂次项系数矩阵a，则空气弹簧在这九种工况下“荷载-位移”用矩阵表示为：

F＝ad

其中F——弹簧荷载，F＝F

d——压缩位移幂矢量

a——拟合多项式幂次项系数

初始气压用矢量P表示，p＝(p

二次拟合时将初始内压p视作自变量，a中各列视作因变量，采用多项式拟合为：

a

其中，m——本轮拟合多项式最高幂次

J——系数在矩阵a中的列号

b

定义不同初始内压为压力幂矢量p＝(p

a＝bp (2)

将(2)带入(1)就得到任意初始气压下空气弹簧的压缩特性拟合方程式：

F

对式(3)求导，就得到空气弹簧变刚度表达式

其中k

F

d——初始内压为p时空气弹簧的位移。

模型验证：

选择初始内压为0.026MPa，使用式(3)计算1层空气弹簧压缩0～20mm过程中荷载，n＝3，m＝6，并与实验测量荷载比较。结果如附图8-1、附图8-2所示，从图中可以看出二次拟合的空气弹簧压缩性能多项式函数能够非常精确地表示空气弹簧压缩过程。随机设定一种初始气压，如p＝0.019MPa，使用式(3)计算其在20mm压缩过程中的荷载，并与p＝0.026MPa的实验数据相比。

验证结果表明使用二次拟合函数计算在0.019MPa初始内压工况下空气弹簧的荷载小于初始内压0.026MPa的荷载，这与图4-1表现出的规律相同情况相同。初始内压越大，空气弹簧的刚度越大。

至此，给定任意初始内压p，即可根据式(3)精确计算空气弹簧任意平衡位置的荷载，也可以根据任意平衡位置的荷载计算空气弹簧的高度。

③建立“位移-载荷”数学模型：

按照与②相同的步骤，通过二次拟合的方式建立任意初始气压条件下空气弹簧内部压强与空气弹簧高度之间的拟合多项式数学模型。

最终确定为3次多项式，m＝6，n＝3。

以3层圆形空气弹簧为例，拟合多项式预测值与实验值如图9所示。

至此，给定任意初始压强(0.01MPa～0.026MPa)，通过任意平衡位置的内部压强即可以计算出该平衡位置处空气弹簧的高度，为空气弹簧在作为床垫调节结构提供依据。

空气弹簧及其连接系统控制调节实施案例：

图5为实施案例的空气弹簧气路、控制系统，通过软管(B)将空气弹簧本体(A)、空气弹簧内部压强测量模块(C)、微型电磁阀(D)、以及气压可调节气泵(E)连接成气路，并将空气弹簧内部气体压强测量模块(C)、微型电磁阀(D)以及气压可调节气泵(E)与MEMS主控制单元相连作为控制系统的外围硬件系统。

空气弹簧及其控制系统的工作原理是：

当空气弹簧承受轴向载荷后，空气弹簧本体(A)内部气体被压缩，空气弹簧本体(A)的容积v减小、高度h降低、内部气体压强p增加，刚度增加，空气弹簧本体(A)处于任意位置时其内部气体压强p通过压强传感器模块(C)实时采集并经过信号转换后通过串口传送到MEMS(F)中的单片机，单片机内部控制程序对接受到的信号进行分析并判断。

当需要降低空气弹簧本体(A)的高度并减少其刚度时，单片机发出指令，微型电磁阀(D)动作，空气弹簧气路与大气相通，气路处于放气状态，空气弹簧(A)放气，并将放气过程中的内部气体压强信号反馈到单片机；

当内部气体压强满足需求时，单片机再次发出指令控制电磁阀关闭，气路处于保压状态；当需要增加空气弹簧的高度并增大其刚度时，单片机发出指令，微型电磁阀(D)动作，使气路与气压可调气泵(E)连通，空气弹簧本体(A)充气，气路处于充气状态。

当内部气体压强满足需求时，单片机再次发出指令控制电磁阀关闭，气路处于保压状态。空气弹簧及其控制系统在“充气”、“放气”、“保压”三种状态之间循环工作，获得空气弹簧本体(A)的动态刚度以及任意需求高度。