本發(fā)明涉及汽車被動安全裝置技術領域，具體地說是一種具有碰撞閾值感應功能的碰撞安全座椅裝置及其工作方法。

背景技術：
目前，汽車碰撞事故中，由于車身變形致使駕乘人員缺乏生存空間而造成的傷亡占了很大的比例。另外，車身壓縮變形使車內駕乘人員由于活動空間受到限制而困在車內，極易引起二次傷亡事故。針對車輛碰撞事故的安全保護措施，目前主要有安全氣囊、安全帶等裝置，但是其對于車身形變而造成的擠壓傷害不能起到根本的保護作用。另外，通過碰撞安全座椅的調研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有碰撞安全座椅的設計難以同時避免車輛碰撞引起的加速度和變形損傷。例如，中國專利(公開號：CN1245760A，公開號：CN2863546U)都采用了剛性部件直接和座椅連接，在正面碰撞的過程中在外力的作用下推動座椅向車后移動，但是由于外力直接傳遞給座椅，所以乘坐人員所受的加速度比較大。中國專利(公開號：CN201520231)采用彈簧驅動裝置，在汽車碰撞時，需要外力準確觸動推桿打開鎖止裝置，才能使座椅在預緊彈簧的拉動下向車尾移動。不足之處在于，推桿打開鎖止裝置的過程較為復雜，且精準度要求較高，容易引發(fā)裝置無法打開的故障。還有中國專利(公開號：CN202357917)采用液壓傳動系統(tǒng)，在汽車碰撞后，傳感器傳來的碰撞信號使電磁轉向閥打開，蓄能器提供能量使液壓缸驅動導軌上的座椅向后移動，但是其系統(tǒng)較為復雜，傳感器本身容易受外界干擾產(chǎn)生誤操作。另外，美國專利(公開號：US005646613A)采用輻射能探測器和外部展開安全氣囊，結合其他輔助設備，在汽車碰撞時打開氣囊，能夠減少一定程度的機械損壞，起到緩沖的作用，但是其輔助設備較為復雜、昂貴，而且無法完全避免汽車正面碰撞變形對前排駕乘人員的擠壓傷害。通過系統(tǒng)調研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有車輛安全座椅主要存在以下問題：1)響應速度慢；2)無法規(guī)避碰撞加速度造成的成員傷害。例如碰撞事故中，座椅通過與其 相連接的裝置發(fā)生碰撞作用，致使碰撞力直接傳遞給駕駛員，較大的加速度會對駕乘人員造成傷害，無法實現(xiàn)碰撞過程中加速度值的降低，無法規(guī)避碰撞過程中對人體傷害嚴重的加速度區(qū)間；3)結構復雜，適用的碰撞范圍局限。由于采用特殊的結構如電液驅動、傳感器感應等，使得座椅只能在特定的碰撞下才能發(fā)生移動，若碰撞位置發(fā)生變化，座椅就大大降低或者失去了保護作用。因此，提出一種有效且切實可行的碰撞安全座椅的設計對于提升碰撞過程中對駕駛員和乘員的安全保護程度具有重要的意義。

技術實現(xiàn)要素：
根據(jù)上述提出的基于位移感應的線彈性碰撞安全座椅存在的技術問題，而提供一種具有碰撞閾值感應功能的碰撞安全座椅裝置及其工作方法。本發(fā)明主要通過座椅和其相關輔助執(zhí)行機構的連接，在汽車發(fā)生正面碰撞或者成一定角度的偏置碰撞時，實現(xiàn)對駕乘人員安全保護的作用。本發(fā)明采用的技術手段如下：一種具有碰撞閾值感應功能的碰撞安全座椅裝置，其特征在于：包括一兩端固定于汽車底盤且中點與連桿的一端連接的雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件；一設置在座椅底部中央、與齒輪組中大齒輪嚙合的工字齒塊和一設置在所述工字齒塊兩側的、與齒輪組中小齒輪嚙合的連接齒塊，其中，所述連接齒塊固定在所述座椅上，所述工字齒塊與所述連桿的另一端連接；所述汽車底盤上從外到內依次成對對稱固定有第一導軌、第二導軌和第三導軌，所述座椅固定在所述第一導軌上的第一滑塊上；所述工字齒塊的下端面和第三導軌上的第三滑塊連接；所述齒輪組的大齒輪和小齒輪由中間軸通過鍵和鍵槽固定連接，且大齒輪下端面和其一側的軸端表面固定于第二導軌上的第二滑塊；所述第一導軌靠近所述雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件的一端設有限位裝置。上述的第一導軌、第二導軌、第三導軌均為對稱設置，且平行縱向固定在汽車底盤上，限位裝置在座椅向車尾方向滑動至一定距離時限位鎖止。進一步地，在初始狀態(tài)時，所述雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件其拱起側朝向車頭方向，所述雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件為V型梁、弧形梁、余弦梁、拱形梁形式中的一種。所述雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件不局限于上述的幾種形式，只要可以實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)跳轉的結 構均可。進一步地，所述工字齒塊包括中立柱齒條和分別固定在所述中立柱齒條兩端的端板Ⅰ和端板Ⅱ，所述工字齒塊與所述連桿連接的端板Ⅰ寬度窄于另一端端板Ⅱ寬度，所述端板Ⅱ朝向車頭方向。進一步地，所述連接齒塊包括齒條立柱和分別固定在所述齒條立柱靠近所述工字齒塊一側立面兩端的齒塊端板Ⅰ和齒塊端板Ⅱ，所述齒塊端板Ⅱ與所述端板Ⅰ在同一側朝向車尾方向，所述齒塊端板Ⅱ的寬度寬于所述齒塊端板Ⅰ。上述的端板與中立柱齒條及齒塊端板與齒塊立柱相接觸的位置可采用斜面形式過渡或其他形式過渡，這樣可以實現(xiàn)較小的沖擊，增大緩沖，延長工件的使用壽命。進一步地，在初始狀態(tài)時，所述連接齒塊和所述齒輪組中小齒輪嚙合于所述連接齒塊朝向車頭方向的齒塊端板Ⅰ一端；所述工字齒塊和所述齒輪組中大齒輪嚙合于所述工字齒塊朝向車尾方向的端板Ⅰ一端；所述第一導軌上的第一滑塊處于車頭方向一端，所述第三導軌上的第三滑塊處于車頭方向一端，所述第二導軌上的第二滑塊處于車頭方向一端。本發(fā)明還公開了上述具有碰撞閾值感應功能的碰撞安全座椅裝置的工作方法，其特征在于：當座椅向車頭方向運動時，所述座椅和固定在其底部的連接齒塊同向運動，所述連接齒塊帶動與所述連接齒塊嚙合的齒輪組中小齒輪轉動，同時所述齒輪組中大齒輪也同與其固定的小齒輪做同向同角速度的轉動，所述齒輪組位置不動且兩側的齒輪分別以順時針和逆時針方向轉動，大齒輪帶動與其嚙合的工字齒塊向與所述連接齒塊相反的方向滑動，此時與所述工字齒塊連接的連桿帶動雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件的中點向與所述工字齒塊相同的方向移動；當所述雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件跳轉至設定負剛度位置時，所述雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件繼續(xù)沿著相同向的方向跳轉，帶動連桿、工字齒塊、第三滑塊、齒輪組、連接齒塊、第一滑塊和座椅向車尾方向運動，所述齒輪組向車尾方向滑動過程中其中大小齒輪均不轉動，直到座椅向后移動達到限位裝置時鎖止，整個機構運動停止。較現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明主要基于碰撞加速度閾值響應的非線性雙穩(wěn)態(tài)機理，雙穩(wěn)態(tài)機構定位準確、動作迅速和抗干擾能力強的特點，具有集傳感器、執(zhí)行機構為一體的功能，利用雙穩(wěn)態(tài)的閾值感應、快速跳躍和精確定位的特性，來提高碰撞事故中座椅的響應速度和控制精度。通過座椅和其相關輔助執(zhí)行機構的連接，在汽車發(fā)生正面碰撞或者成一定 角度的偏置碰撞時，在雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件的緩沖作用力下，座椅沿車頭方向產(chǎn)生微小位移，車內前排駕乘人員相對汽車底盤先向前移動，緩解汽車碰撞時較大的加速度沖擊；當座椅移動到一定位置后，然后通過雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件的跳轉作用力迅速拉動座椅再相對汽車底盤向后移動到指定位置，以留出足夠的空間，從而有效避免由于車身形變而對前排駕乘人員造成的擠壓傷害。同時，由限位裝置將其鎖死，從而避免座椅反彈或過度后移對后排乘客造成傷害。本發(fā)明為純機械結構，具有結構簡單，響應快，可靠性高，抗干擾能力強等優(yōu)點，能夠有效避免汽車正碰或偏置碰撞對車內前排人員的傷害。本發(fā)明為獨立系統(tǒng)，與汽車其他部件有較高的耦合性，適用范圍廣，通用性強，且成本較低，基于上述理由本發(fā)明可在汽車安全等領域廣泛推廣。附圖說明下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。圖1是本發(fā)明安全座椅裝置初始狀態(tài)的示意圖。圖2是本發(fā)明安全座椅裝置相對汽車底盤向前移動至極限位置的示意圖。圖3是本發(fā)明安全座椅裝置相對汽車底盤向后移動并鎖死位置的示意圖。圖4是圖1的側視圖。圖5是圖1的正視圖。圖6是實施例1中雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件在力載荷沖擊下中點處的時間-加速度曲線圖，其中橫坐標為時間，單位為s，縱坐標為加速度，單位為mm/s2。圖7是實施例1中雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件在力載荷沖擊下中點處的時間-位移曲線圖，橫坐標為時間，單位為s，縱坐標為位移，單位為mm。圖8是實施例1中時間-加速度曲線圖，橫坐標為時間，單位為s，縱坐標為加速度，單位為g。圖9是實施例2中雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件在力載荷沖擊下中點處的時間-位移曲線圖，其中橫坐標為時間，單位為s，縱坐標為位移，單位為mm。圖10是實施例2中橫梁在力載荷沖擊下中點處的時間-位移曲線圖，其中橫坐標為時間，單位為s，縱坐標為位移，單位為mm。圖中：雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1；連桿2；左側齒輪組3a；右側齒輪組3b；工字齒塊4；左側連接齒塊5a；右側連接齒塊5b；座椅6；左側第一導軌7a；右側第一導軌7b；左上側第一滑塊8a；左下側第一滑塊8b；右上側第一滑塊8c； 右下側第一滑塊8d；左側第三導軌9a；右側第三導軌9b；左側第三滑塊10a；右側第三滑塊10b；左側第二導軌11a；右側第二導軌11b；左側第二滑塊12a；右側第二滑塊12b；左側限位裝置13a；右側限位裝置13b。具體實施方式如圖1所示，為該汽車安全座椅裝置處于初始狀態(tài)下，在此位移都是相對于汽車底盤而言。一種具有碰撞閾值感應功能的碰撞安全座椅裝置，包括一兩端固定于汽車底盤且中點與連桿2的一端連接的雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1，在初始狀態(tài)時，所述雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1其拱起側朝向車頭方向，所述雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1為V型梁、弧形梁、余弦梁、拱形梁形式中的一種。設置在座椅6底部中央、與齒輪組中大齒輪嚙合的工字齒塊4和設置在所述工字齒塊4兩側的、與齒輪組中小齒輪嚙合的連接齒塊，其中，所述連接齒塊固定在所述座椅6上，所述工字齒塊4與所述連桿2的另一端連接；齒輪組包括左側齒輪組3a和右側齒輪組3b，左側右側均為對稱設置的大齒輪和小齒輪，所述齒輪組的大齒輪和小齒輪由中間軸通過鍵和鍵槽固定連接，實現(xiàn)大小齒輪的同步轉動，在裝配好后小齒輪在大齒輪上方。所述工字齒塊4包括中立柱齒條和分別固定在所述中立柱齒條兩端的端板Ⅰ和端板Ⅱ，所述工字齒塊與所述連桿連接的端板Ⅰ寬度窄于另一端端板Ⅱ寬度，所述端板Ⅱ朝向車頭方向。所述連接齒塊包括左側連接齒塊5a和右側連接齒塊5b，連接齒塊的結構包括齒條立柱和分別固定在所述齒條立柱靠近所述工字齒塊一側立面兩端的齒塊端板Ⅰ和齒塊端板Ⅱ，所述齒塊端板Ⅱ與所述端板Ⅰ在同一側朝向車尾方向，所述齒塊端板Ⅱ的寬度寬于所述齒塊端板Ⅰ。所述工字齒塊4、齒輪組和連接齒塊組成單自由度的運動機構，并且連接齒塊固定在座椅6上，座椅6通過該機構可以沿雙穩(wěn)態(tài)跳轉方向運動。如圖4、圖5所示，所述汽車底盤上從外到內依次成對對稱固定有第一導軌、第二導軌和第三導軌，第一導軌設置在底盤底部兩端，包括左側第一導軌7a和右側第一導軌7b，第二導軌設置在底盤底部靠近中央的位置，包括左側第二導軌11a和右側第二導軌11b，第三導軌設置在底盤底部中央，包括左側第三導軌9a和右側第三導軌9b。所述座椅6固定在所述第一導軌上的第一滑塊上，即分別通過固定在左側第一導軌7a上的左上側第一滑塊8a和左下側第一滑塊8b，及固定在右側第一 導軌7b上的右上側第一滑塊8c和右下側第一滑塊8d將其固定牢靠；所述工字齒塊4的下端面和第三導軌上的第三滑塊連接，即分別通過左側第三滑塊10a和右側第三滑塊10b連接；且大齒輪下端面和其一側的軸端表面固定于第二導軌上的第二滑塊，即分別通過左側第二滑塊12a和右側第二滑塊12b固定；左側第一導軌7a靠近所述雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1的一端設有左側限位裝置13a，右側第一導軌7b靠近所述雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1的一端設有右側限位裝置13b，限位裝置是在座椅6滑動至設定位置時鎖死，限制座椅6再移動。在初始狀態(tài)時，所述連接齒塊和所述齒輪組中小齒輪嚙合于所述連接齒塊朝向車頭方向的齒塊端板Ⅰ一端，且小齒輪不能再向此端移動；所述工字齒塊4和所述齒輪組中大齒輪嚙合于所述工字齒塊4朝向車尾方向的端板Ⅰ一端，且大齒輪不能再向車頭方向移動；所述第一導軌上的第一滑塊處于車頭方向一端，此時第一滑塊朝向車頭方向且可以朝向車頭方向滑動；所述第三導軌上的第三滑塊處于車頭方向一端，此時第三滑塊朝向車頭方向且不能再向此端滑動；所述第二導軌上的第二滑塊處于車頭方向一端，此時第二滑塊朝向車頭方向且不能再向此端滑動。如圖1-3所示，為本發(fā)明安全座椅裝置的工作狀態(tài)示意圖，即初始狀態(tài)-相對汽車底盤向前移動至極限位置-相對汽車底盤向后移動并鎖死位置。具體的工作方法如下：在雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件跳轉至設定負剛度位置前，相對于汽車底盤，座椅6向車頭方向運動時，所述座椅6和固定在其底部的連接齒塊同向運動向車頭位置滑動，所述連接齒塊帶動與所述連接齒塊嚙合的齒輪組中小齒輪轉動，同時所述齒輪組中大齒輪也同與其固定的小齒輪做同向同角速度的轉動，即齒輪組位置不動且兩側的齒輪分別以順時針和逆時針方向轉動，大齒輪帶動與其嚙合的工字齒塊4向與所述連接齒塊相反的方向(車尾方向)滑動，此時與所述工字齒塊4連接的連桿帶動雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1的中點向與所述工字齒塊相同的方向移動；當雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1跳轉至設定負剛度位置后，所述工字齒塊4和所述連接齒塊繼續(xù)向車尾方向滑動，所述齒輪組和所述連接齒塊向車尾方向滑動且其中大小齒輪均不轉動，所述連接齒塊已滑動至第二導軌的另一端，所述座椅6和所述連接齒塊轉向車尾位置滑動，直到座椅向后移動達到限位裝置時鎖止，整個機構運動停止。實施例1為了驗證該裝置在汽車碰撞時的緩沖效果，在此對雙穩(wěn)態(tài)彈性結構進行力 脈沖沖擊仿真實驗，定性觀察該安全裝置在汽車碰撞時緩沖加速度的能力，模擬計算出汽車在受到加速度沖擊時雙穩(wěn)態(tài)彈性結構能夠的緩沖的加速度值。幾何尺寸：雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1跨度為432mm，拱高為75mm，截面形狀均為矩形，尺寸為20mm×4mm。材料屬性：密度為9.8×10-9ton/mm-3，彈性模量為2×105Mpa，泊松比為0.3，阻尼α＝3，β＝0，其中在雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1中點處加一個質量點，質量為120kg。邊界條件：雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1兩端均為完全固定。載荷：模擬座椅受到34.42g的加速度脈沖沖擊，假設座椅和人質量為120kg，將該加速度脈沖換算為力脈沖，通過齒輪組結構傳遞到雙穩(wěn)態(tài)彈性結構中點處，得到給雙穩(wěn)態(tài)彈性結構中點施加的向其跳轉方向的力加載情況如表1：表1時間(s)力(N)000.000120238.960.0320238.960.03010仿真結果：該雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1采用反裝，即先施加位移載荷使其跳轉至另一穩(wěn)態(tài)，然后待其穩(wěn)定后再施加上面所述力沖擊，由于前6秒屬于反裝過程，故力沖擊載荷從第6秒開始。如圖6所示，為雙穩(wěn)態(tài)彈性結構在力載荷沖擊下中點處的時間-加速度曲線圖，其中橫坐標為時間，縱坐標為加速度。結合時間-位移曲線對其進行分析可以得到雙穩(wěn)態(tài)彈性結構對座椅的緩沖效果。圖7為時間-位移曲線圖，其中橫坐標為時間，單位為s，縱坐標為位移，單位為mm。結果分析：經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后可以得到座椅受到脈沖加速度后緩沖的效果，第0秒為反裝后開始施加載荷的時間，由于該力脈沖只有0.03s，所以在此只分析該時間段的加速度衰減情況。結果如圖8所示，圖中實線為作用于座椅的加速度脈沖，虛線為經(jīng)過雙穩(wěn)態(tài)彈性結構緩沖的座椅的加速度曲線，可以看到安裝有該安全裝置的汽車在發(fā)生正面碰撞時候有明顯的衰減加速度的功能，從而在一定程度上降低了駕乘人員所承受的最大加速度，保證了駕乘人員的安全。而且在此過程中座椅向前移動的位移比較小，盡可能保證駕乘人員不受到其他 傷害。實施例2基于以上多種安全裝置的主要驅動機構(即背景技術中提到的現(xiàn)有驅動機構)，在此使用雙穩(wěn)態(tài)彈性結構和橫梁做相關性能的仿真對比試驗，其中兩端固定的橫梁在給中點處施加力載荷時可以等效為直簧，類似于上述專利中的彈簧結構。幾何尺寸：雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1跨度為432mm，拱高為75mm，直梁跨度為432mm，兩種結構截面形狀均為矩形，尺寸為20mm×4mm。材料屬性：雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1和直梁采用相同的材料屬性，其中密度為9.8×10-9ton/mm-3，彈性模量為2×105Mpa，泊松比為0.3，阻尼α＝3，β＝0。邊界條件的設置：雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1和直梁的兩端均為完全固定。載荷：給兩種梁結構的中點施加相同的力脈沖載荷，給雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1中點施加的向其跳轉方向的力加載情況如表2：表2時間(s)力(N)000.0001202390.02202390.02010仿真結果：在該力脈沖載荷下，雙穩(wěn)態(tài)彈性結構閾值達后開始跳轉，在振蕩一定時間后，能夠穩(wěn)定在第二穩(wěn)態(tài)。在時間-位移響應曲線里面可以看到，直梁在沖擊結束后迅速反彈，并產(chǎn)生較高頻率的的振動，沒有雙穩(wěn)態(tài)特性。如圖9所示，為雙穩(wěn)態(tài)彈性結構在力載荷沖擊下中點處的時間-位移曲線圖，其中橫坐標為時間，縱坐標為位移。該雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1采用反裝，即先施加位移載荷使其跳轉至另一穩(wěn)態(tài)，然后待其穩(wěn)定后再施加上面所述力沖擊載荷，由于前6秒屬于反裝過程，故力沖擊載荷從第6秒開始：位移也從-147.46mm處開始。圖10為橫梁在力載荷沖擊下中點處的時間-位移曲線圖，其中橫坐標為時間，單位為s，縱坐標為位移，單位為mm。結果分析：雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1由于具有雙穩(wěn)態(tài)特性，只有力沖擊載荷在 達到跳躍閾值后才可以發(fā)生跳轉，結合齒輪組的變速特性，這樣在汽車正常行駛的過程中不會使座椅造成較大位移的移動，不影響正常駕駛。雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1在受到力載荷沖擊后振蕩較緩，通過齒輪組和座椅6連接，乘坐人員不會由于振蕩造成較大影響，在有限位裝置鎖死或者在一定情況下，雙穩(wěn)態(tài)彈性結構件1跳轉后能夠穩(wěn)定在第二穩(wěn)態(tài)。直梁在任意沖擊下都會移動，由于其和汽車座椅連接，可能會影響正常駕駛，而且在相同力載荷的沖擊下，移動的位移也較小。直梁在加載力沖擊后振蕩強烈且頻率較高，由于其和座椅連接，所以會對人造成一定的影響。綜合考慮，相比直簧結構，雙穩(wěn)態(tài)彈性結構具有更加優(yōu)良的特性。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，根據(jù)本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。