卡车驾驶室准零刚度悬置系统设计研究

殷金祥，岳涛，王军龙

卡车驾驶室准零刚度悬置系统设计研究

殷金祥，岳涛，王军龙

（潍柴动力上海研发中心，上海 201114）

针对卡车行驶过程中驾驶室低频振动问题，结合轻卡驾驶室悬置的特点，设计出一种准零刚度悬置系统。通过对这种准零刚度悬置系统进行静力学分析，推导出其力-位移特性关系和刚度-位移特性关系，并得到这种悬置系统在平衡位置满足准零刚度特性的前提条件，通过其特性关系，可知这种悬置系统具有低频隔振性能。最后针对实车振动问题，设计出准零刚度悬置系统，对比优化前后驾驶室后悬置主、被动端振动大小，可知这种准零刚度悬置系统具有很好的低频隔振效果。

驾驶室；低频振动；准零刚度悬置；隔振

前言

1 准零刚度系统机理

负刚度系统是指系统随着位移的增加力在减少的系统，其力-位移特性如图1(b)所示。当设计一种系统使正刚度系统与负刚度系统并联，通过适当的参数设计使系统在平衡附近实现力基本不变，其力-位移特性如图1(c)所，从而实现系统在平衡附近刚度接近于零，构成准零刚度系统，系统在平衡位置附近固有频率接近于零，从而实现系统的低频隔振[4-7]。

图1 隔振系统力-位移曲线示意图

2 驾驶室悬置系统准零系统隔振设计

2.1 准零刚度悬置设计

图2 驾驶室悬置系统简图

对于一般轻卡驾驶室悬置设计，前悬置是旋转机构，后悬置是橡胶支撑机构，如图2(a)所示，容易发生俯仰模态振动问题，这种机构可简化为摇杆OA及弹簧组成的振动机构。在后悬置位置增加一水平弹性机构AC，和原驾驶室系统构成准零刚度悬置系统，如图2(b) 所示。驾驶室处于水平时，系统处于平衡状态，水平弹性机构AC处于压缩状态。

2.2 准零刚度悬置系统特性

驾驶室准零刚度悬置系统可以简化为连杆机构，其于尺寸关系及受力状态如图3所示。当系统处于水平平衡位置时，系统支撑力由弹簧K1提供，弹簧K2处于压缩状态，当系统偏离平衡位置时，处于压缩状态的弹簧K2和连杆OA构成具有负刚度特性机构，和弹簧K1并联，形成具有准零刚度特性的悬置系统。

图3 准零刚度悬置系统简图

当系统偏离平衡位置时，根据受力的关系，水平方向力保持平衡，可得：

式中1为杠杆AB所受的压力，2为弹簧AC所受的压力。1、2形成的垂直方向的力为：

1sin2sin（2）

将式（1）代入式（2），可得：

2sin2costan（3）

根据图3所示的尺寸关系，式（3）可转化为：

弹簧AC的恢复力2为：

式中0为弹簧AC在水平位置时预压缩量。

于是，系统垂直方向的力：

1−（6）

由式（4）、式（5）和式（6），可得：

根据式（7）可得力-位移特性曲线，如图4所示。从图中可看出，隔振系统具有准零刚度特性，在平衡位置的刚度为零，并且在一定区间内的刚度值接近于零，能够使系统在平衡位置附近保持一定的力值不变，从而使系统刚度在平衡位置附近一定范围内接近于零，实现低频振动的隔离。

对式（7）进行位移x求导运算，可得系统刚度与位移之间的关系式，根据式（8）可得刚度-位移曲线，如图5所示。

为了保证隔振系统在平衡位置的刚度为零，将=0和=0代入式（8）中，可得系统在平衡位置满足准零刚度特性的前提条件为：

3 实例分析

某轻卡在平直路面上行驶时，当速度达到53 km/h时，出现行驶抖动问题，通过测试驾驶室后悬置主被动端振动数据，发现后悬置在频率4.8 Hz时，存在严重放大现象，放大率达322%，同时在整个低频区都存在或多或少的放大现象，如图6所示。

表1 准零刚度悬置系统参数表

参数k1/( N/mm)k2/( N/mm )a/mmb/mmd/mmd0/mm 数值40079220002020105

图6 后悬置主被动端振动

经过测试，这台车驾驶室存在4.8 Hz的刚体模态，后轮胎的一阶转频0～60 km/h时，激励频率范围是0～7 Hz之间，根据隔振理论，传统的悬置系统在低频区是放大的。为解决这类问题，按照图3所示的准刚度悬置系统原理简图，设计一种零刚度系统，其参数如表1所示，应用此准零刚度系统后，测得驾驶室后悬置主被端振动如图7所示。从图可以看出通过该准零刚度悬置系统，能够解决悬置低频隔振问题。

图7 优化后悬置主被动端振动

4 结语

结合轻卡驾驶室悬置的特点，其前悬置是旋转机构，后悬置是橡胶支撑机构，设计出一种准零刚度悬置系统。通过对这种准零刚度悬置系统进行静力学分析，推导出其力-位移特性关系和刚度-位移特性关系，并得到这种悬置系统在平衡位置满足准零刚度特性的前提条件，通过其特性关系，可知这种悬置系统具有低频隔振性能。最后针对实车振动问题，给出准零刚度悬置系统的参数，对比优化前后驾驶室后悬置主、被动端振动大小，可知这种准零刚度悬置系统具有很好的低频隔振效果。

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Research on Quasi-zero Stiffness Mount of Truck Cab

YIN Jinxiang, YUE Tao, WANG Junlong

( Weichai Power Shanghai R and D Center, Shanghai 201114)

To solve the problem of low frequency vibration of cab during truck driving, a quasi-zero stiffness mount system is designed. Based on the mount system, the force displacement character and the stiffness displacement character are derived, and the precondition of the mount system at the equilibrium position is obtained. Through the characters, it is known that the mount system has low-frequency vibration isolation performance. Finally, to solve the vibration problem of truck, a quasi-zero stiffness mounting system is designed. By comparing the vibration of the active and passive mount before and after optimization, it can be seen that the quasi-zero stiffness mount system has good low-frequency vibration isolation effect.

Cab; Low frequency vibration; Quasi-zero stiffness mount; Vibration isolation

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.024

U463.81; TB535

A

1671-7988(2021)21-98-03

U463.81；TB535

A

1671-7988(2021)21-98-03

殷金祥（1973—），男，博士，高级工程师，就职于潍柴动力上海研发中心，主要研究方向：整车NVH开发。