拖拉机驾驶室悬架平衡体系探讨

2013-12-23顾宝海顾浩

机械工程师 2013年2期

关键词：静平衡转动惯量驾驶室

顾宝海，顾浩

（1.盐城耀升阀门有限公司，江苏盐城224100；2.南京农业大学工学院，南京210095）

1 六足并联悬架概述

（1）现状及局限性

早期拖拉机驾驶室悬架采用四点或三点固定悬置的布置方式，目前国内仍有大量这种布置方式，即四点或三点固定悬置、半浮式以及直接为悬置的布置方式，但这种布置方式只能对垂直方向的振动起到缓解作用。

（2）六足并联悬架的构想

针对拖拉机驾驶室振动的多维性，一种驾驶室“六足并联悬架”结构系统的构想从此诞生。此结构可为驾乘人员提供六个自由度的隔振，显然效果将大大优于通常的悬置机构。

驾驶室六足并联悬架是在空间按一定规律布置于驾驶室底部和车架的6 条的减振支链（即弹性阻尼元件），对现有弹性、阻尼元件分析，支链主运动方向是轴向位移和速度，允许存在的次运动方向为绕轴的转动，在机构运动学中，该运动形式为移动副（P）或者圆柱副（C）。支链的两端为球铰（S），分别与车架和驾驶室底部相连。从机构运动学角度，主要考虑的支链是SPS。据此，可以绘制出六足并联悬架的结构草图如图1。

（3）六足并联悬架机构研究的内容

振动系统的研究中，静平衡位置是一个主要位置。驾驶室六足并联悬架布置就是指在静平衡位置处，研究支链形式及布置方式（机构拓扑结构）、铰接点的位置、支链角度、质量分布等对振动系统的静平衡状态、初步解耦的影响。

图1 驾驶室六足并联悬架结构草图

2 建立六足并联悬架的原理

（1）空间任意力系静力平衡原理：力系处于平衡的充要条件是该力系主矢和对任意一点的主矩都等于零，即

（2）根据空间力系向一点简化的原理：空间力系平衡的充要条件是各力在三个坐标轴中每个轴上的投影代数和等于零，以及这些力对于每个坐标轴的力矩代数和也等于零，即

（3）六足并联悬架静平衡方程建立

根据静力平衡原理，来推导其布置需满足的条件，以及计算出其平衡位置的设计。

将驾驶室、驾驶员和铰链看成一个整体，因其静止不动阻尼力为0，所以其受到的力为6 根弹簧弹力、自身重力。

车辆静平衡坐标系建立。以某水平平面（一般为驾驶室底板）上某点O 为原点，X 轴正向为车辆的前进方向，Y轴正向为前进方向的左侧，Z 轴正向为竖直向上。

减振支路。第i 减振支路原长li′，悬架架好驾驶员就座后缩短量Δli，第i 减振支路弹簧弹力Fki=kiΔli

根据式（2），结合图2可知，六足并联悬架满足静平衡位置力学平衡方程为

图2 六足并联悬架静平衡受力分析

此时参考两水平面之间的减振支路竖直方向的长度相等。

3 悬架系统的质量特性

在机械振动系统中，系统本身的质量、质心、转动惯量等决定了系统的特性，其参数组成质量特性参数。其中，质心、转动惯量等与测量时选取的参考坐标有关。

参数一般可通过试验测量、CAD 软件计算、实验、经验公式估算等方法得到。

本文研究的六足并联悬架系统簧上质量主要由驾驶室和驾乘人员组成。（1）拖拉机驾驶室质量特性

假设，某拖拉机驾驶室的质量通过测量为375kg。

该模型相对相差率为5.95%，基本满足工程计算要求。

驾驶室转动惯量、质心可通过Pro/E 软件计算（略）。

（2）拖拉机驾驶员质量特性

国标《农林拖拉机驾驶座试验方法和验收条件》中规定，实验要在两种质量驾驶员的情况下进行：一种质量为59kg±1kg，带有不超过5kg 的安全带；一种质量为98kg±5kg，带有不超过8kg 的安全带。

假设拖拉机座椅为7kg，驾驶室质量采用经Pro/E 运算出的质量352.69kg。假设驾驶员质量为两种质量驾驶员的均值80kg。其与标准中质量相差率为：

该模型选择的质量与标准要求的两种质量相差率为±4.55%，基本满足工程设计要求。车辆平顺性中规定身高为170±5mm，选择中值为172.5mm。

根据国标《成年人人体惯性参数》、《坐姿人体模板功能设计要求》及《农林拖拉机驾驶座试验方法和验收条件》将驾驶员与座椅分为若干相对位置固定的刚体。该人体直立姿势模型中x 向对称，且y 向对称，只反映了z 向的相互关系。人体坐姿模型中其相对位置如图3 所示。

根据国标《成年人人体惯性参数》，可以得到各分段的质量特性，如表1。其中，人体对称分布部分单侧计量。各段转动惯量测量坐标系是以各段质心为原点，轴沿用直立姿势下国标中规定的冠状轴x、矢状轴y、垂直轴z。计算转动惯量时手、足按质点计算。座椅转动惯量按照均匀长方体计算，坐垫水平靠背按竖直时计算。

（3）六足并联悬架质量总分布及其质量特性

图3 驾驶员坐姿人体模型（含座椅）

表1 人——椅系统质量特性

建立悬架质量系统的测量坐标系，该悬架系统质量分布如图4 所示。坐姿参考点H；形心xy 向参考点M，底板y 向宽度960mm；驾驶员——座椅系统质心C1，质量m1，质心的惯性张量J员；驾驶室质心C2，质量m2，质心的惯性张量J室。在整个驾驶室+座椅+驾驶员体系中将质量叠加，系统质量为M；质心合成为C。质心转动惯量合成为J。

图4 各关键点在测量坐标系中的位置关系

4 六足并联悬架结构方案选择与确定

并联机构学中，典型的Stewart 机构（6-SPS）由6 个SPS 运动链并联，而每个运动链由两个球面副与一个移动副组成，两个球面副分别与固定平台和运动平台连接，机构由移动副驱动。该机构具有结构简单、解耦度高等优点。

鉴于上述优点，驾驶室六足并联悬架采用Stewart 机构形式，即用6 根弹性-阻尼元件导向和支撑驾驶室，同时还起到空间6 个自由度减振作用。采用弹性-阻尼元件作为杆件，相当于并联机构中的移动副（P），两个球铰（S）分别与驾驶室和车架相连，车架的6 个自由度运动为激励源，弹性-阻尼元件减振后，驾驶室会有6 个自由度响应。

考虑到减振支路对称分布对静平衡和解耦的影响，主要考虑以下两种基本的六点对称布置（图5）：一种是正六边形布置；一种是长方形布置。

图5 铰接点布置俯视图

考虑到对称对静平衡和运动解耦的影响，选取各减振支路弹簧刚度和阻尼器阻尼都相等的情况。

静平衡时，铰接点的布置只对弹性力有影响。当弹性力向三个方向分解时，在各自方向会存在正负两向平行力的合成。x 向、y 向正负合力大小要相等，方向要求共线，z 向弹性力都为正向，要与物体重力大小相等，方向要求共线。要求正负力分布后的加权重心重合，在选择刚度相等、静位移相等的情况下，正六边形是一种符合静平衡条件的布置，正六边形中心与簧上质量质心在竖直方向上共线。