粘弹性悬挂工业车辆平顺性分析
太原重型机械学院 邓宏光 孙大刚
宣化工程机械集团有限公司 张占海王巨利 王存海
　　摘要本文根据粘弹性材料所具有的高效耗散振动能特性，针对工业车辆行走系结构，对粘弹性悬挂的工业车辆进行研究。建立起车辆的复刚度阻尼减振模型，并对模型参数的行为进行了分析，提出了符合平顺性标准的车辆，及粘弹性悬挂机构应具有的参数指标。最后对工业车辆的实例进行了计算和分析。结果表明，安装了粘弹性悬挂装置的工业车辆，其平顺性有了显著的提高。
　　关键词：工业车辆 悬挂机构 粘弹性 平顺性
　　目前大多数的工业车辆仍采用刚性悬挂机构，此类型车辆虽有着结构简单、维护方便的优点，然而也存在着车辆易受振动与冲击的不足，特别是当车辆在崎岖不平的地面上满负荷作业时，此问题就显得更加突出。对于采用弹性悬挂的工业车辆，其悬挂装置仅可对振动能起到暂时的贮存作用，并未对振动能作实质性的耗散；振动能以动－势能的形式相互转换，可形成持续的振荡。为解决此问题，本文根据粘弹性材料所具有的可对振动能进行有效阻尼耗散的特点，依照工业车辆行走系的结构，对在工业车辆中采用粘弹性悬挂开展研究。为分析该类型车辆的阻尼减振特性，首先需建立其复刚度阻尼减振模型，再对模型中参数的行为进行分析，为进一步的结构设计提供理论依据。
1 复刚度模型
　　为了便于对粘弹性悬挂工业车辆模型的建立，本文采用该车辆1/4 垂直方向运动模型：即假设车辆只作垂向运动，对于其它方向的振动忽略不计。该模型以单个悬挂机构与一侧车轮组成的系统为研究对象。该系统的复刚度模型如图1所示。
图1 1/4 车辆模型
图１中各符号的含义为：X0(t)──路面的位移函数，X1(t)──载重桥及车轮中心的位移函数，X2(t)──车体的位移函数。该模型运动微分方程为 (1)
式中 m1 —— 一个车轮及1/2桥体质量

m2——1/4车体及工作装置质量

k1*——轮胎的复刚度，其表达式为

(2)
式中 ——分别为复刚度的实部（贮存刚度）和虚部（损耗刚度）
──车轮的阻尼结构损耗因子，其值由轮胎材料、气压、环境温度及行驶速度决定
k2*──粘弹性悬挂机构的复刚度，为
(3)
式中 ——分别为复刚度k2*的实部和虚部
──粘弹性悬挂机构的阻尼损耗因子
由式(1)得
(4)
令则有
（5）
式中 H1(ω)──地面的冲击经车轮和粘弹性悬挂传至车体的传递函数
另外，式(5)中
（6）
2 粘弹性悬挂机构参数特性分析
针对图1所示系统，取车辆加速度为其平顺性的评价指标，有
（8）
式中 Av──车辆加速度响应的均方根值
Gg1()──加装粘弹性悬挂机构后的功率谱密度
Gx0()──输入功率谱密度，取决于车辆工作场地的性质
V1()──输入为位移，输出为加速度时的传递函数，其又为
(9)
　　然而，车辆悬挂机构参数往往受诸多因素影响，因此在确定机构参数时需对这些因素作综合分析。以轮胎为标准件，其刚度、阻尼值变化范围不大；另外，驱动桥和轮胎的质量可变范围也很小。因此，模型中k1*和m1的变化可忽略不计，而车体质量m2、悬挂机构k2*却对车辆平顺性Av有着显著的影响。按上述所建模型，给定一系列m2，可得出Av和k2*的变化规律。经对上述模型中参数的分析研究，发现安装了粘弹性悬挂的车辆，在车速、轮胎和驱动桥参数一定的前提下，Av 与k2*成抛物线型关系，另外，Av还与m2成反比（见图2）。
图2 Av与k2* 、m2的关系
　　此外，h2作为粘弹性悬挂机构的阻尼损耗因子，其表示机构对振动能的转换率。较大的h2使机构具有较高的振动能转换率，但同时较大的h2也会导致粘弹性材料产生较大温升，使材料热软化失效。因此，需根据工业车辆的具体使用工况，参照ISO 2631―1982 标准合理确定悬挂机构参数。
3 实 例
某轮式工业车辆，其m1＝240 kg，m2＝1230 kg， ＝2.593×105　Ｎ/m，＝3.43×106 Ｎ/m，h1＝0.3，h2＝0.28。由文献[4]取以下两类路面，其谱密度分别为：第一类：Ｇx0( )=102. 6Ω-2. 0，即相当于野外崎岖不平地面，文献中称为无路地面；第二类：Ｇx0( )=101.1Ω-1. 6，即相当于农村耕地类型的地面。粘弹性悬挂装置的安装位置如图3所示。
图3 粘弹性悬挂装置安装位置
根据车辆的结构，采取如图４所示的管状粘弹性悬挂结构。

图4 管状粘弹性减振装置结构简图
　　图5显示了该工业车辆在上述路面条件下，有粘弹性悬挂机构的加速度响应的均方根值与刚性连接的加速度响应的均方根值。由该图可以看出，加装粘弹性悬挂机构后车体对路面输入的加速度响应值大为降低。在实际应用中，可根据具体路面的状况（由车辆的应用场合确定），结合工程实际对悬挂装置的复刚度k*和阻尼结构的损耗因子h 进行参数优化，以获得满意的平顺性指标。
1.无路地面的响应 2.耕地类地面的响应

图5 加速度响应曲线图
4 结语
　　(1) 本文建立起工业车辆粘弹性悬挂机构的复刚度模型，按照车辆平顺性的国际标准，对复刚度模型参数特性进行了分析，获得Av和k2*的变化规律，可为粘弹性悬挂的结构设计提供理论依据。
　　(2) 本文经对采用粘弹性悬挂工业车辆的实例计算，表明该车辆的平顺性指标有了显著的改观。
　　(3) 在实际应用中，粘弹性悬挂装置必须针对所用车辆采用不同的结构型式，目前还未实现该类装置的标准化和系列化，这有待于今后的深入研究。

参考文献

　　1 孙大刚等. 大型履带式推土机行走系阻尼减振的研究. 机械工程学报，1998,24(1)

　　2 刘任先. 拖拉机轮胎刚度和阻尼特性研究. 农业机械学报，1988,2

　　3 [德] Willumeit H―P. 车辆动力学—模拟及其方法. 北京：北京理工大学出版社，1998

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

　　5 庄继德. 汽车地面力学. 北京：机械工业出版社，1982

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