粘彈性懸掛工業(yè)車輛平順性分析
太原重型機械學院 鄧宏光 孫大剛
宣化工程機械集團有限公司 張占海王巨利 王存海
　　摘要本文根據粘彈性材料所具有的高效耗散振動能特性，針對工業(yè)車輛行走系結構，對粘彈性懸掛的工業(yè)車輛進行研究。建立起車輛的復剛度阻尼減振模型，并對模型參數的行為進行了分析，提出了符合平順性標準的車輛，及粘彈性懸掛機構應具有的參數指標。最后對工業(yè)車輛的實例進行了計算和分析。結果表明，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。
　　關鍵詞：工業(yè)車輛 懸掛機構 粘彈性 平順性
　　目前大多數的工業(yè)車輛仍采用剛性懸掛機構，此類型車輛雖有著結構簡單、維護方便的優(yōu)點，然而也存在著車輛易受振動與沖擊的不足，特別是當車輛在崎嶇不平的地面上滿負荷作業(yè)時，此問題就顯得更加突出。對于采用彈性懸掛的工業(yè)車輛，其懸掛裝置僅可對振動能起到暫時的貯存作用，并未對振動能作實質性的耗散；振動能以動－勢能的形式相互轉換，可形成持續(xù)的振蕩。為解決此問題，本文根據粘彈性材料所具有的可對振動能進行有效阻尼耗散的特點，依照工業(yè)車輛行走系的結構，對在工業(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，首先需建立其復剛度阻尼減振模型，再對模型中參數的行為進行分析，為進一步的結構設計提供理論依據。
1 復剛度模型
　　為了便于對粘彈性懸掛工業(yè)車輛模型的建立，本文采用該車輛1/4 垂直方向運動模型：即假設車輛只作垂向運動，對于其它方向的振動忽略不計。該模型以單個懸掛機構與一側車輪組成的系統(tǒng)為研究對象。該系統(tǒng)的復剛度模型如圖1所示。
圖1 1/4 車輛模型
圖１中各符號的含義為：X0(t)──路面的位移函數，X1(t)──載重橋及車輪中心的位移函數，X2(t)──車體的位移函數。該模型運動微分方程為 (1)
式中 m1 —— 一個車輪及1/2橋體質量

m2——1/4車體及工作裝置質量

k1*——輪胎的復剛度，其表達式為

(2)
式中 ——分別為復剛度的實部（貯存剛度）和虛部（損耗剛度）
──車輪的阻尼結構損耗因子，其值由輪胎材料、氣壓、環(huán)境溫度及行駛速度決定
k2*──粘彈性懸掛機構的復剛度，為
(3)
式中 ——分別為復剛度k2*的實部和虛部
──粘彈性懸掛機構的阻尼損耗因子
由式(1)得
(4)
令則有
（5）
式中 H1(ω)──地面的沖擊經車輪和粘彈性懸掛傳至車體的傳遞函數
另外，式(5)中
（6）
2 粘彈性懸掛機構參數特性分析
針對圖1所示系統(tǒng)，取車輛加速度為其平順性的評價指標，有
（8）
式中 Av──車輛加速度響應的均方根值
Gg1()──加裝粘彈性懸掛機構后的功率譜密度
Gx0()──輸入功率譜密度，取決于車輛工作場地的性質
V1()──輸入為位移，輸出為加速度時的傳遞函數，其又為
(9)
　　然而，車輛懸掛機構參數往往受諸多因素影響，因此在確定機構參數時需對這些因素作綜合分析。以輪胎為標準件，其剛度、阻尼值變化范圍不大；另外，驅動橋和輪胎的質量可變范圍也很小。因此，模型中k1*和m1的變化可忽略不計，而車體質量m2、懸掛機構k2*卻對車輛平順性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。經對上述模型中參數的分析研究，發(fā)現安裝了粘彈性懸掛的車輛，在車速、輪胎和驅動橋參數一定的前提下，Av 與k2*成拋物線型關系，另外，Av還與m2成反比（見圖2）。
圖2 Av與k2* 、m2的關系
　　此外，h2作為粘彈性懸掛機構的阻尼損耗因子，其表示機構對振動能的轉換率。較大的h2使機構具有較高的振動能轉換率，但同時較大的h2也會導致粘彈性材料產生較大溫升，使材料熱軟化失效。因此，需根據工業(yè)車輛的具體使用工況，參照ISO 2631―1982 標準合理確定懸掛機構參數。
3 實 例
某輪式工業(yè)車輛，其m1＝240 kg，m2＝1230 kg， ＝2.593×105?。?m，＝3.43×106 Ｎ/m，h1＝0.3，h2＝0.28。由文獻[4]取以下兩類路面，其譜密度分別為：第一類：Ｇx0( )=102. 6Ω-2. 0，即相當于野外崎嶇不平地面，文獻中稱為無路地面；第二類：Ｇx0( )=101.1Ω-1. 6，即相當于農村耕地類型的地面。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
根據車輛的結構，采取如圖４所示的管狀粘彈性懸掛結構。

圖4 管狀粘彈性減振裝置結構簡圖
　　圖5顯示了該工業(yè)車輛在上述路面條件下，有粘彈性懸掛機構的加速度響應的均方根值與剛性連接的加速度響應的均方根值。由該圖可以看出，加裝粘彈性懸掛機構后車體對路面輸入的加速度響應值大為降低。在實際應用中，可根據具體路面的狀況（由車輛的應用場合確定），結合工程實際對懸掛裝置的復剛度k*和阻尼結構的損耗因子h 進行參數優(yōu)化，以獲得滿意的平順性指標。
1.無路地面的響應 2.耕地類地面的響應

圖5 加速度響應曲線圖
4 結語
　　(1) 本文建立起工業(yè)車輛粘彈性懸掛機構的復剛度模型，按照車輛平順性的國際標準，對復剛度模型參數特性進行了分析，獲得Av和k2*的變化規(guī)律，可為粘彈性懸掛的結構設計提供理論依據。
　　(2) 本文經對采用粘彈性懸掛工業(yè)車輛的實例計算，表明該車輛的平順性指標有了顯著的改觀。
　　(3) 在實際應用中，粘彈性懸掛裝置必須針對所用車輛采用不同的結構型式，目前還未實現該類裝置的標準化和系列化，這有待于今后的深入研究。

參考文獻

　　1 孫大剛等. 大型履帶式推土機行走系阻尼減振的研究. 機械工程學報，1998,24(1)

　　2 劉任先. 拖拉機輪胎剛度和阻尼特性研究. 農業(yè)機械學報，1988,2

　　3 [德] Willumeit H―P. 車輛動力學—模擬及其方法. 北京：北京理工大學出版社，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. 北京：機械工業(yè)出版社，1982

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