考虑人体舒适性的装载机驾驶室悬置系统设计与试验研究

宋勇，陆浩，李占龙，王瑶，秦园

（太原科技大学机械工程学院，山西 太原 030024）

装载机是一种广泛应用于港口、码头、矿山、水利及国防等多个领域的工程机械，对于减轻劳动强度、加快工程进度及保障工程质量具有重要意义。但其工作环境恶劣，振动强度大，驾驶员易疲劳，会对施工安全和驾驶员健康造成重大隐患，因此，装载机驾驶室减振性能和舒适性的提升显得尤为重要［1-2］。

Tao等［3］提出了轮式装载机多种阻尼模式的悬置，通过改变两个高速开关电磁阀的离散状态实现阻尼可调，以提高驾驶室舒适性。程正午［4］为提高工程车辆驾驶室的舒适性，建立3自由度人-座椅振动模型并进行多目标优化。赵萌［5］采用改进的遗传算法对装载机驾驶室悬置位置和刚度等参数进行优化，提高了悬置系统的解耦率。

文献［3-5］中采用的装载机舒适性评价标准不尽相同，但多以驾驶室或座椅的振动水平为评价依据，且没有考虑人体关键部位的振动情况。基于上述分析，本文考虑人体关键部位的舒适性，建立9自由度的人-座椅-驾驶室动力学模型，以避开人体内脏部位敏感频率和提高人体舒适度为目标，对装载机驾驶室悬置系统进行参数优化、改进设计及实车试验。

1 装载机驾驶室振动测试与评价

1.1 振动测试

测试工况：平坦路面行驶、不平路面行驶和V型作业。试验场地和样机如图1所示。

图1 试验场地与样机Fig.1 Test site and prototype

测试装置：加速度传感器、数据采集终端和笔记本电脑等。加速度传感器安装位置如图2所示。

图2 加速度传感器安装位置Fig.2 Accelerometer installation location

测试结果：在不同工况下，驾驶室地板和座椅的时域响应如图3所示，驾驶室座椅的频域响应如图4所示。

图3 不同工况下驾驶室地板和座椅的时域响应Fig.3 Time domain response of cab floor and seat under different working conditions

图4 不同工况下座椅的频域响应Fig.4 Frequency domain response of seat under different working conditions

1.2 舒适性评价

依据GB/T 17245—2004标准对人体的划分［12］及研究发现，人体垂向敏感频率为4～8 Hz，主要集中在胸部内脏等部位。

由座椅垂向振动加速度计算得其计权加速度均方根值aw见表1。由表1知，装载机在不平路行驶和V型作业时，垂向计权加速度均方根值均大于2.5 m·s-2，人体的主观感受为极不适，在平路行驶时垂向计权加速度均方根值为1.519 m·s-2，人体的主观感受为很不适。

表1 座椅垂向加权加速度均方根值awTab.1 Seat vertical weighted acceleration root mean square value aw

2 人-座椅-驾驶室系统建模

2.1 人-座椅-驾驶室动力学模型

本文通过Wan等［6］建立的4自由度人体模型，将装载机人-座椅-驾驶室系统简化为一个4输入9输出的动力学驾驶室模型如图5所示。驾驶室模型参数由装载机厂家提供，见表2。

图5 人-座椅-驾驶室动力学模型Fig.5 Human-seat-cab dynamics model

表2 驾驶室模型参数Tab.2 Cab model parameters

图5中，zb为驾驶室地板垂向自由度；θ为驾驶室地板俯仰自由度；φ为驾驶室地板侧倾自由度；z1～z6为头部、上躯干、内脏、下躯干、座椅坐垫、座椅垂向自由度；z7～z10右前、左前、左后、右后驾驶室悬置上方垂直自由度；m1～m6、mb为人体头部、上躯干、内脏、下躯干、座椅坐垫、座椅、驾驶室地板质量；k1～k6、k24为人体头部、上躯干、内脏、下躯干、座椅坐垫、座椅悬置及上躯干-下躯干刚度；c1～c6、c24为人体头部、上躯干、内脏、下躯干、座椅坐垫、座椅悬置及上躯干-下躯干阻尼；k7～k10为驾驶室悬置刚度；c7～c10为驾驶室悬置阻尼；br为驾驶室地板质心至左悬置距离；bf为驾驶室地板质心至右悬置距离；lr为驾驶室地板质心至前悬置距离；lf为驾驶室地板质心至后悬置距离；ls为驾驶室地板质心至座椅纵向距离；bs为驾驶室地板质心至座椅横向向距离；f1（t）～f4（t）为左前、左后、右后、右前驾驶室悬置下方不平度激励。

驾驶室模型的振动方程为

式中：M=［m1，m2，m3，m4，m5，m6，mb，Ip，Ir］；Q为外部激励矩阵；k、c分别为驾驶室悬置系统的刚度矩阵和阻尼矩阵，k、c矩阵相同，其表达式为

2.2 驾驶室模型验证

将试验测得不平路面行驶工况下，驾驶室悬置下方的振动信号作为驾驶室模型的输入激励。运用Matlab对驾驶室模型进行仿真计算，并与试验结果进行对比，结果如图6、图7所示。

图6 驾驶室地板试验与仿真结果对比Fig.6 Comparison of cab floor test and simulation results

图7 座椅试验与仿真结果对比Fig.7 Comparison of seat test and simulation results

由图6、图7可见，驾驶室地板与座椅的试验与仿真垂向振动加速度信号趋势基本一致。由表3知，驾驶室地板加速度均方根的试验与仿真值误差为6.24%，座椅加速度均方根的试验与仿真值误差为7.77%，误差较小，验证了驾驶室模型的正确性。

表3 驾驶室地板和座椅的试验与仿真结果对比Tab.3 Comparison of test and simulation results for cab floor and seat

3 悬置系统优化与实车试验

3.1 驾驶室悬置参数优化

驾驶室悬置作为整车隔振的主要部件，直接影响驾驶员的舒适性，考虑成本因素，本文仅对驾驶室悬置的刚度阻尼进行优化，原车驾驶室质心、悬置安装位置和悬置尺寸均不变。由原车数据，驾驶室悬置刚度均为875 N·mm-1，阻尼均为46.1 N·s·mm-1，由于质心靠后（企业实测质心至前悬距离1.25 m，至后悬距离0.63 m），4个悬置点刚度相同是不合理的。由于质心至左右悬置距离相等，故可设左右悬置刚度阻尼相同，前后悬置刚度阻尼不同。

以前期试验测得驾驶室悬置下方的加速度信号为输入激励，将驾驶室悬置刚度和阻尼取值分别带入式（1），得到人体重要部位的加速度曲线，并计算得到加权加速度均方根值，将加速度曲线进行傅里叶变换获得人体各部位频率响应主振频位置。不同刚度和阻尼的内脏部位加权加速度均方根值如图8所示，主振频位置如图9所示。

图8 内脏部位加权加速度均方根值Fig.8 Root mean square value of weighted acceleration of internal organs

图9 内脏部位主振频位置Fig.9 The position of the main vibration frequency of the internal organs

由图8可知：当驾驶室前悬置一定时，内脏部位加权加速度均方根值随后悬置刚度的增大而增大；当后悬置一定时，内脏部位加权加速度均方根值随前悬置刚度的增大而增大，即人体舒适性与悬置刚度呈负相关。前悬置取700～800 N·mm、后悬取700～850 N·mm时，aw＜0.315 m·s-2，为“无不适感觉”区域。由图9可知，在前悬置为700 N·mm、后悬置为800 N·mm时，内脏部位主振频取得最小值为3.75 Hz，避开了内脏部位敏感的4～6 Hz。综上所述，前悬置为700 N·mm、后悬置为800 N·mm时，人体内脏部位主振频避开了敏感的4～6 Hz，同时aw＜0.315 m·s-2。

在驾驶室前悬置刚度等于700 N·mm、阻尼等于39.3 N·s·mm-1、后悬置刚度等于800 N·mm、阻尼等于59.2 N·s·mm-1时，分别在不平路面行驶、V型作业、平路行驶工况下进行仿真分析，结果见表4。

由表4可知，在3种试验工况下，优化后驾驶室地板加速度均方根值较优化前分别减小38.7%、35.5%和27.9%，内脏加速度均方根值分别减小40.2%、37.5%和24.1%，参数优化结果合理可行。

表4 优化前后加速度均方根值结果Tab.4 Root mean square acceleration results before and after optimization

3.2 实车试验

为了验证优化方法的有效性和仿真结果的正确性，根据优化设计结果在橡胶悬置厂家定制驾驶室前悬置和后悬置各两副，如图10所示，对优化后装载机驾驶室悬置开展实车测试，试样机、试场地、驾驶员和传感器安装位置同优化前试验测试相同。试验结果如图10和表5所示。

图10 优化后驾驶室橡胶悬置实物Fig.10 Optimized rear cab rubber mount

表5 优化后试验座椅垂向计权加速度均方根值aw Tab.5 Root mean square value aw of vertical weighted acceleration of test seat after optimization

由图11和表5可知：3种试验工况下，人体主观感觉在平路行驶时无不适感觉，在不平路行驶和V型作业工况时仅稍有不适；座椅位置主振频在1.51～3.71 Hz，避开了人体敏感的4～8 Hz。结果表明，驾驶室悬置参数优化结果正确合理，该装载机驾驶舒适性得到有效改善。

图11 3种试验工况下内脏部位频域响应Fig.11 Frequency domain response of visceral parts under three test conditions

4 结论

为研究装载机驾驶室垂向振动特性和提高驾驶员舒适性，本文以某装载机为研究对象，开展了考虑人体舒适性的驾驶室悬置系统设计与试验研究，得到以下结论：①原装载机驾驶室座椅振动主振频在人体敏感频率范围内，对人体健康危害大；加权加速度均方根值aw均大于1.25 m·s-2，人体主观感觉很不舒适。②试验测得驾驶室地板和座椅加速度与驾驶室模型输出加速度误差较小，验证了所建驾驶室模型的正确性和可行性。③悬置系统优化后内脏部位主振频避开了人体内脏部位敏感频率，驾驶舒适性明显改善，验证了本文研究思路的正确性和方法的有效性。④悬置系统优化后，在不平路行驶和V型作业工况下，人体主观感觉还稍有不适，驾驶舒适性还有进一步提升空间。