装载机座椅动态舒适性因素研究

杨贺绪+张斌杰+马萍

摘 要 本文从振动对驾驶员的影响以及引起装载机座椅振动的主要因素进行分析，为装载机座椅动态舒适性研究提供理论依据。重点介绍了舒适性的提出及国内外专家对舒适性的定义，舒适性对人体的影响。从外因路面不平度、内因（动力系统、作业部件、液压脉冲）等方面系统的分析引起装载机座椅振动的主要原因。

关键词 装载机座椅 舒适性

中图分类号：TH273 文献标识码：A

0引言

舒适性是人的一种主观感受，由于受各种因素及条件的影响（如人体的差异、主观感受的模糊性和随机性）而呈现不同的结果，目前还没有一个广泛认可的明确定义，但存在共识，舒适性是指人们对客观环境在生理与心理方面所感受到的满意程度而进行的综合评价。国内外学者对于舒适与不舒适的问题进行了大量研究。Slater认为舒适性是人与所处环境的一种生理学、心理学上身心和谐、舒适的、令人愉快的状态。Richard强调舒适性是人主观上对处于某种环境或状况下反应出的一种幸福健康快乐的感觉。国内外文献成果研究表明，舒适性（comfort）实际是一个综合范畴，他包含生理舒适、心理舒适、环境舒适、社会舒适，指人体处于比较满意的、良好的一种自我感觉。为此，本文从振动对驾驶员的影响以及引起装载机座椅振动的主要因素进行分析，为装载机座椅动态舒适性研究提供理论依据。

1振动对驾驶员的影响

驾驶员受到的振动有两种，一种为局部振动，一种为全身振动，其中全身振动是主要振动行驶，是引起驾驶员疲劳的主要原因。振动对人体的影响因素有：振动的频率、振幅大小、加速度大小、受振动时间长短以及人的体位有关系，其中振动频率是对人体影响的主要因素。一些资料显示，4—8Hz之内是人体对振动上下敏感区域，1—2Hz之内是人体对振动前后敏感区域，也就是说1—8Hz范围内人体器官容易发生共振。随着频率的不断增高，人体的敏感程度不断下降。30Hz以下为人体严重的振动响应区域，所以在设计人体相关的机件时，应避开与人体的固有频率，以免发生共振。

2引起装载机座椅振动的主要因素

一般来讲，装载机的振源主要来自两方面，一方面是来自自身的振源，如来自发动机的振动、液压缸回路液压阀的振动、铲装作业时铲斗的横向纵向不平衡性；另一方面是来自外界的振动，转载机工作环境一般比较恶劣，工作路面一般为不规则路面，土路、砖混、杂路较多，加之装载机要往复来回移动，工作路面不断破坏，最引起振动和颠簸，经研究分析工作中的装载机最主要的振源是来自外部的激励级路面不平度的影响作用。

2.1 路面不平度的影响

装载机在工作过程中，座椅要受到来自路面不平度的激励作用，不平的路面给轮胎造成不同程度的冲击和扰动，这种随机振动会引起驾驶员的不舒适和机构的疲劳破坏。由路面不平度引起的振动主要与装载机的形式速度有关系，装载机的行驶速度v（m/s）与路面不平度 （m-1）之间有以下关系，输入的时间频率f（Hz）是 和v的乘积，即公式f = v ，如果由路面不平度引起的激励与装载机某些构建的固有频率互相叠加，装载机响应的构件就会发生共振，其共振车速为公式v=3.6（km/h） 式中，为路面不平度波长。我国不同路面谱的不平度波长的实测结果如表1所示。

装载机通常工作在未铺装路面，本文中选择最小波长为0.77m的路面不平度，装载机结构固有频率的计算值为：

式中：装载机常用车速为5-20m/s，vmax选用20m/s。

有资料显示不同路面不同车速产生激励也不同，相同路面车速越高产生振动响应越大，相同车速路面等级越低产生振动响应越大。

2.2动力系统对装载机座椅舒适性的影响

动力系统对装载机座椅舒适性影响主要是来自发动机，发动机产生的振动一般是由燃烧引起的低频振动，如点火脉冲引起的振动、不平衡惯性力引起的振动、变速箱传动轴引起的不平衡激振频率，下面我们进行详细的分析。

2.2.1点火系统的脉冲作用

按照发动机的工作原理由于气缸内气体燃烧后爆发产生平行于曲轴轴线的力矩，加上多缸发动机运动合成的扭矩，以及每个气缸之间等值反向的翻转力矩，这些由于发动机工作时产生的力矩引起的振动叫做点火脉冲。发动机在工作过程中作用于活塞上的燃烧压力转换为曲轴的旋转动力，但是曲轴转动一圈，燃烧在气缸内发生一次，便产生扭曲波动，同理在直列四缸发动机中，曲轴转一圈发生两次扭转波动，依次類推直列六缸发动机曲轴转一圈发生三次扭转，因此气缸越多波动越小，发动机带来的振动也就越小。如果发动机的固有频率与人体某些器官的固有频率接近就容易引起共振，影响其舒适性。装载机一般采用四缸四冲程发动机，该类发动机怠速转速一般为为850r/min，额定转速为2500 r/min，由发动机引起的一阶往复惯性力频率f1可由公式f1=计算，式中，z为发动机缸数： 为发动机的冲程数；n为发动机的转速。

发动机二阶惯性力频率f2和一阶惯性力频率f1之间关系f2 = 2f1，按照表达式1.4计算可得发动机怠速转速由惯性力产生的一二阶频率分别为：f1=28.3Hz，f2=100Hz；发动机额定转速有惯性力产生的一二阶频率分别为：f1=56.6Hz，f2=200Hz。

2.2.2不平衡惯性力引起的振动

对多缸发动机而言我们可以采取某些措施合理的技术安避免发动机每个气缸之间发生共振作用，如合理布置安装角度和安装位置离去时每个刚体之间的受力达到抵消和平衡，消除部分由于刚体之间的共振引起的惯性不平衡力。表2列出了多缸发动机消除共振的措施，通过气缸布置形式不同，点火时间的顺序调整不平衡惯性力来实现。

从上表2可以看出直列三缸发动机里可以的达到平衡，但力矩一二阶都不能平衡，本文设计时研究的是直列四缸发动机，我们可以看出力和力矩二阶都存在不平衡性，从理论上分析存在铅锤方向上的不平衡性。endprint

2.2.3变速箱传动轴的不平衡性引起的振动

由于安装和制造误差，传动轴中万向节的跳动也会引起装载机的振动，此振动有传动轴传递到底板，再有点半传动到座椅，从数量级上来看这些振动虽然相对发动机和路面的振动较小，由于传动轴工作的持续性，所以也是不可忽视。

2.3工作零部件对座椅舒适性的影响

装载机主要作业机构为动臂和铲斗，在作业过程液压缸驱动动臂要不断地伸缩，如图1所示，通过动臂伸缩来实现铲装功能。

从图上我们可以看出装载机工作件多数都是通过低副连接，由于低副连接的固有属性各零部件之间存在装配制造误差，惯性力较大，工作中不可避免的产生局部摩擦，如果增大间隙，改变装配精度可能会导致工作件的局部摇摆，引起振动。同时由装载机工作件运动链可以看出传递路线较长，任何一个零部件发生振动时会将能量传递到另外一个的零部件上，振动不断积累出现累计效应，对驾驶员产生极其不利的影响。另外，装载机在铲装作业时，工作零部件需要伸出、收回反复活动，尤其是在鏟装卸料瞬间铲斗要伸长——抬起——卸料，一旦物料回弹装载机动壁和铲斗无形中出现横向振动，而且这种振动是随机不确定的，其振动能量的大小也是随机的，由于工作零部件的振动引起液压油缸的瞬间下沉或急剧上升，导致动臂发抖，车架摇摆，这些振动频率一旦与系统的固有频率接近时，高能量的振动就容易引发，轻则引起人体的不舒适，重者导致安全事故的发生。

3本文小结

系统分析了影响舒适性的因素及振动对驾驶员的影响，查阅资料了解人体各个器官的固有频率，对引起装载机座椅舒适性的因素路面不平度、动力系统、作业零部件、液压系统四个方面进行系统的分析。主要介绍装载机座椅动态舒适性研究的目的和意义，查找相关资料，概括的介绍了目前国内外对装载机舒适性方面的研究及发展现状，通过对查阅资料的分析总结提出自己的研究方向。重点介绍了舒适性的提出及国内外专家对舒适性的定义，舒适性对人体的影响。从外因路面不平度、内因（动力系统、作业部件、液压脉冲）等方面系统的分析引起装载机座椅振动的主要原因。

参考文献

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