粘彈性懸掛工業(yè)車輛平順性分析
太原重型機(jī)械學(xué)院 鄧宏光 孫大剛
宣化工程機(jī)械集團(tuán)有限公司 張占海王巨利 王存海
　　摘要本文根據(jù)粘彈性材料所具有的高效耗散振動(dòng)能特性，針對(duì)工業(yè)車輛行走系結(jié)構(gòu)，對(duì)粘彈性懸掛的工業(yè)車輛進(jìn)行研究。建立起車輛的復(fù)剛度阻尼減振模型，并對(duì)模型參數(shù)的行為進(jìn)行了分析，提出了符合平順性標(biāo)準(zhǔn)的車輛，及粘彈性懸掛機(jī)構(gòu)應(yīng)具有的參數(shù)指標(biāo)。最后對(duì)工業(yè)車輛的實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算和分析。結(jié)果表明，安裝了粘彈性懸掛裝置的工業(yè)車輛，其平順性有了顯著的提高。
　　關(guān)鍵詞：工業(yè)車輛 懸掛機(jī)構(gòu) 粘彈性 平順性
　　目前大多數(shù)的工業(yè)車輛仍采用剛性懸掛機(jī)構(gòu)，此類型車輛雖有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，然而也存在著車輛易受振動(dòng)與沖擊的不足，特別是當(dāng)車輛在崎嶇不平的地面上滿負(fù)荷作業(yè)時(shí)，此問題就顯得更加突出。對(duì)于采用彈性懸掛的工業(yè)車輛，其懸掛裝置僅可對(duì)振動(dòng)能起到暫時(shí)的貯存作用，并未對(duì)振動(dòng)能作實(shí)質(zhì)性的耗散；振動(dòng)能以動(dòng)－勢(shì)能的形式相互轉(zhuǎn)換，可形成持續(xù)的振蕩。為解決此問題，本文根據(jù)粘彈性材料所具有的可對(duì)振動(dòng)能進(jìn)行有效阻尼耗散的特點(diǎn)，依照工業(yè)車輛行走系的結(jié)構(gòu)，對(duì)在工業(yè)車輛中采用粘彈性懸掛開展研究。為分析該類型車輛的阻尼減振特性，首先需建立其復(fù)剛度阻尼減振模型，再對(duì)模型中參數(shù)的行為進(jìn)行分析，為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
1 復(fù)剛度模型
　　為了便于對(duì)粘彈性懸掛工業(yè)車輛模型的建立，本文采用該車輛1/4 垂直方向運(yùn)動(dòng)模型：即假設(shè)車輛只作垂向運(yùn)動(dòng)，對(duì)于其它方向的振動(dòng)忽略不計(jì)。該模型以單個(gè)懸掛機(jī)構(gòu)與一側(cè)車輪組成的系統(tǒng)為研究對(duì)象。該系統(tǒng)的復(fù)剛度模型如圖1所示。
圖1 1/4 車輛模型
圖１中各符號(hào)的含義為：X0(t)──路面的位移函數(shù)，X1(t)──載重橋及車輪中心的位移函數(shù)，X2(t)──車體的位移函數(shù)。該模型運(yùn)動(dòng)微分方程為 (1)
式中 m1 —— 一個(gè)車輪及1/2橋體質(zhì)量

m2——1/4車體及工作裝置質(zhì)量

k1*——輪胎的復(fù)剛度，其表達(dá)式為

(2)
式中 ——分別為復(fù)剛度的實(shí)部（貯存剛度）和虛部（損耗剛度）
──車輪的阻尼結(jié)構(gòu)損耗因子，其值由輪胎材料、氣壓、環(huán)境溫度及行駛速度決定
k2*──粘彈性懸掛機(jī)構(gòu)的復(fù)剛度，為
(3)
式中 ——分別為復(fù)剛度k2*的實(shí)部和虛部
──粘彈性懸掛機(jī)構(gòu)的阻尼損耗因子
由式(1)得
(4)
令則有
（5）
式中 H1(ω)──地面的沖擊經(jīng)車輪和粘彈性懸掛傳至車體的傳遞函數(shù)
另外，式(5)中
（6）
2 粘彈性懸掛機(jī)構(gòu)參數(shù)特性分析
針對(duì)圖1所示系統(tǒng)，取車輛加速度為其平順性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，有
（8）
式中 Av──車輛加速度響應(yīng)的均方根值
Gg1()──加裝粘彈性懸掛機(jī)構(gòu)后的功率譜密度
Gx0()──輸入功率譜密度，取決于車輛工作場(chǎng)地的性質(zhì)
V1()──輸入為位移，輸出為加速度時(shí)的傳遞函數(shù)，其又為
(9)
　　然而，車輛懸掛機(jī)構(gòu)參數(shù)往往受諸多因素影響，因此在確定機(jī)構(gòu)參數(shù)時(shí)需對(duì)這些因素作綜合分析。以輪胎為標(biāo)準(zhǔn)件，其剛度、阻尼值變化范圍不大；另外，驅(qū)動(dòng)橋和輪胎的質(zhì)量可變范圍也很小。因此，模型中k1*和m1的變化可忽略不計(jì)，而車體質(zhì)量m2、懸掛機(jī)構(gòu)k2*卻對(duì)車輛平順性Av有著顯著的影響。按上述所建模型，給定一系列m2，可得出Av和k2*的變化規(guī)律。經(jīng)對(duì)上述模型中參數(shù)的分析研究，發(fā)現(xiàn)安裝了粘彈性懸掛的車輛，在車速、輪胎和驅(qū)動(dòng)橋參數(shù)一定的前提下，Av 與k2*成拋物線型關(guān)系，另外，Av還與m2成反比（見圖2）。
圖2 Av與k2* 、m2的關(guān)系
　　此外，h2作為粘彈性懸掛機(jī)構(gòu)的阻尼損耗因子，其表示機(jī)構(gòu)對(duì)振動(dòng)能的轉(zhuǎn)換率。較大的h2使機(jī)構(gòu)具有較高的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換率，但同時(shí)較大的h2也會(huì)導(dǎo)致粘彈性材料產(chǎn)生較大溫升，使材料熱軟化失效。因此，需根據(jù)工業(yè)車輛的具體使用工況，參照ISO 2631―1982 標(biāo)準(zhǔn)合理確定懸掛機(jī)構(gòu)參數(shù)。
3 實(shí) 例
某輪式工業(yè)車輛，其m1＝240 kg，m2＝1230 kg， ＝2.593×105　Ｎ/m，＝3.43×106 Ｎ/m，h1＝0.3，h2＝0.28。由文獻(xiàn)[4]取以下兩類路面，其譜密度分別為：第一類：Ｇx0( )=102. 6Ω-2. 0，即相當(dāng)于野外崎嶇不平地面，文獻(xiàn)中稱為無路地面；第二類：Ｇx0( )=101.1Ω-1. 6，即相當(dāng)于農(nóng)村耕地類型的地面。粘彈性懸掛裝置的安裝位置如圖3所示。
圖3 粘彈性懸掛裝置安裝位置
根據(jù)車輛的結(jié)構(gòu)，采取如圖４所示的管狀粘彈性懸掛結(jié)構(gòu)。

圖4 管狀粘彈性減振裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
　　圖5顯示了該工業(yè)車輛在上述路面條件下，有粘彈性懸掛機(jī)構(gòu)的加速度響應(yīng)的均方根值與剛性連接的加速度響應(yīng)的均方根值。由該圖可以看出，加裝粘彈性懸掛機(jī)構(gòu)后車體對(duì)路面輸入的加速度響應(yīng)值大為降低。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體路面的狀況（由車輛的應(yīng)用場(chǎng)合確定），結(jié)合工程實(shí)際對(duì)懸掛裝置的復(fù)剛度k*和阻尼結(jié)構(gòu)的損耗因子h 進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以獲得滿意的平順性指標(biāo)。
1.無路地面的響應(yīng) 2.耕地類地面的響應(yīng)

圖5 加速度響應(yīng)曲線圖
4 結(jié)語
　　(1) 本文建立起工業(yè)車輛粘彈性懸掛機(jī)構(gòu)的復(fù)剛度模型，按照車輛平順性的國際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)復(fù)剛度模型參數(shù)特性進(jìn)行了分析，獲得Av和k2*的變化規(guī)律，可為粘彈性懸掛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
　　(2) 本文經(jīng)對(duì)采用粘彈性懸掛工業(yè)車輛的實(shí)例計(jì)算，表明該車輛的平順性指標(biāo)有了顯著的改觀。
　　(3) 在實(shí)際應(yīng)用中，粘彈性懸掛裝置必須針對(duì)所用車輛采用不同的結(jié)構(gòu)型式，目前還未實(shí)現(xiàn)該類裝置的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，這有待于今后的深入研究。

參考文獻(xiàn)

　　1 孫大剛等. 大型履帶式推土機(jī)行走系阻尼減振的研究. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1998,24(1)

　　2 劉任先. 拖拉機(jī)輪胎剛度和阻尼特性研究. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1988,2

　　3 [德] Willumeit H―P. 車輛動(dòng)力學(xué)—模擬及其方法. 北京：北京理工大學(xué)出版社，1998

　　4 ISO 2631―1982. Guide for the Evaluation of Human Exposure to Whole-Body Vibration.

　　5 莊繼德. 汽車地面力學(xué). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982

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