拖拉機(jī)駕駛室懸架平衡體系探討

顧寶海， 顧浩

（1.鹽城耀升閥門有限公司，江蘇 鹽城224100；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，南京210095）

1 六足并聯(lián)懸架概述

（1）現(xiàn)狀及局限性

早期拖拉機(jī)駕駛室懸架采用四點(diǎn)或三點(diǎn)固定懸置的布置方式，目前國(guó)內(nèi)仍有大量這種布置方式，即四點(diǎn)或三點(diǎn)固定懸置、半浮式以及直接為懸置的布置方式，但這種布置方式只能對(duì)垂直方向的振動(dòng)起到緩解作用。

（2）六足并聯(lián)懸架的構(gòu)想

針對(duì)拖拉機(jī)駕駛室振動(dòng)的多維性，一種駕駛室“六足并聯(lián)懸架”結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的構(gòu)想從此誕生。此結(jié)構(gòu)可為駕乘人員提供六個(gè)自由度的隔振，顯然效果將大大優(yōu)于通常的懸置機(jī)構(gòu)。

駕駛室六足并聯(lián)懸架是在空間按一定規(guī)律布置于駕駛室底部和車架的6 條的減振支鏈（即彈性阻尼元件），對(duì)現(xiàn)有彈性、阻尼元件分析，支鏈主運(yùn)動(dòng)方向是軸向位移和速度，允許存在的次運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槔@軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)中，該運(yùn)動(dòng)形式為移動(dòng)副（P）或者圓柱副（C）。支鏈的兩端為球鉸（S），分別與車架和駕駛室底部相連。從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)角度，主要考慮的支鏈?zhǔn)荢PS。據(jù)此，可以繪制出六足并聯(lián)懸架的結(jié)構(gòu)草圖如圖1。

（3）六足并聯(lián)懸架機(jī)構(gòu)研究的內(nèi)容

振動(dòng)系統(tǒng)的研究中，靜平衡位置是一個(gè)主要位置。駕駛室六足并聯(lián)懸架布置就是指在靜平衡位置處，研究支鏈形式及布置方式（機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）、鉸接點(diǎn)的位置、支鏈角度、質(zhì)量分布等對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的靜平衡狀態(tài)、初步解耦的影響。

圖1 駕駛室六足并聯(lián)懸架結(jié)構(gòu)草圖

2 建立六足并聯(lián)懸架的原理

（1）空間任意力系靜力平衡原理：力系處于平衡的充要條件是該力系主矢和對(duì)任意一點(diǎn)的主矩都等于零，即

（2）根據(jù)空間力系向一點(diǎn)簡(jiǎn)化的原理：空間力系平衡的充要條件是各力在三個(gè)坐標(biāo)軸中每個(gè)軸上的投影代數(shù)和等于零，以及這些力對(duì)于每個(gè)坐標(biāo)軸的力矩代數(shù)和也等于零，即

（3）六足并聯(lián)懸架靜平衡方程建立

根據(jù)靜力平衡原理，來推導(dǎo)其布置需滿足的條件，以及計(jì)算出其平衡位置的設(shè)計(jì)。

將駕駛室、駕駛員和鉸鏈看成一個(gè)整體，因其靜止不動(dòng)阻尼力為0，所以其受到的力為6 根彈簧彈力、自身重力。

車輛靜平衡坐標(biāo)系建立。以某水平平面（一般為駕駛室底板）上某點(diǎn)O 為原點(diǎn)，X 軸正向?yàn)檐囕v的前進(jìn)方向，Y軸正向?yàn)榍斑M(jìn)方向的左側(cè)，Z 軸正向?yàn)樨Q直向上。

減振支路。第i 減振支路原長(zhǎng)li′，懸架架好駕駛員就座后縮短量Δli，第i 減振支路彈簧彈力Fki=kiΔli

根據(jù)式（2），結(jié)合圖2可知，六足并聯(lián)懸架滿足靜平衡位置力學(xué)平衡方程為

圖2 六足并聯(lián)懸架靜平衡受力分析

此時(shí)參考兩水平面之間的減振支路豎直方向的長(zhǎng)度相等。

3 懸架系統(tǒng)的質(zhì)量特性

在機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)本身的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等決定了系統(tǒng)的特性，其參數(shù)組成質(zhì)量特性參數(shù)。其中，質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等與測(cè)量時(shí)選取的參考坐標(biāo)有關(guān)。

參數(shù)一般可通過試驗(yàn)測(cè)量、CAD 軟件計(jì)算、實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式估算等方法得到。

本文研究的六足并聯(lián)懸架系統(tǒng)簧上質(zhì)量主要由駕駛室和駕乘人員組成。（1）拖拉機(jī)駕駛室質(zhì)量特性

假設(shè)，某拖拉機(jī)駕駛室的質(zhì)量通過測(cè)量為375kg。

該模型相對(duì)相差率為5.95%，基本滿足工程計(jì)算要求。

駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心可通過Pro/E 軟件計(jì)算（略）。

（2）拖拉機(jī)駕駛員質(zhì)量特性

國(guó)標(biāo)《農(nóng)林拖拉機(jī)駕駛座試驗(yàn)方法和驗(yàn)收條件》中規(guī)定，實(shí)驗(yàn)要在兩種質(zhì)量駕駛員的情況下進(jìn)行：一種質(zhì)量為59kg±1kg，帶有不超過5kg 的安全帶；一種質(zhì)量為98kg±5kg，帶有不超過8kg 的安全帶。

假設(shè)拖拉機(jī)座椅為7kg，駕駛室質(zhì)量采用經(jīng)Pro/E 運(yùn)算出的質(zhì)量352.69kg。假設(shè)駕駛員質(zhì)量為兩種質(zhì)量駕駛員的均值80kg。其與標(biāo)準(zhǔn)中質(zhì)量相差率為：

該模型選擇的質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)要求的兩種質(zhì)量相差率為±4.55%，基本滿足工程設(shè)計(jì)要求。車輛平順性中規(guī)定身高為170±5mm，選擇中值為172.5mm。

根據(jù)國(guó)標(biāo)《成年人人體慣性參數(shù)》、《坐姿人體模板功能設(shè)計(jì)要求》及《農(nóng)林拖拉機(jī)駕駛座試驗(yàn)方法和驗(yàn)收條件》將駕駛員與座椅分為若干相對(duì)位置固定的剛體。該人體直立姿勢(shì)模型中x 向?qū)ΨQ，且y 向?qū)ΨQ，只反映了z 向的相互關(guān)系。人體坐姿模型中其相對(duì)位置如圖3 所示。

根據(jù)國(guó)標(biāo)《成年人人體慣性參數(shù)》，可以得到各分段的質(zhì)量特性，如表1。其中，人體對(duì)稱分布部分單側(cè)計(jì)量。各段轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量坐標(biāo)系是以各段質(zhì)心為原點(diǎn)，軸沿用直立姿勢(shì)下國(guó)標(biāo)中規(guī)定的冠狀軸x、矢狀軸y、垂直軸z。計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)手、足按質(zhì)點(diǎn)計(jì)算。座椅轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按照均勻長(zhǎng)方體計(jì)算，坐墊水平靠背按豎直時(shí)計(jì)算。

（3）六足并聯(lián)懸架質(zhì)量總分布及其質(zhì)量特性

圖3 駕駛員坐姿人體模型（含座椅）

表1 人——椅系統(tǒng)質(zhì)量特性

建立懸架質(zhì)量系統(tǒng)的測(cè)量坐標(biāo)系，該懸架系統(tǒng)質(zhì)量分布如圖4 所示。坐姿參考點(diǎn)H；形心xy 向參考點(diǎn)M，底板y 向?qū)挾?60mm；駕駛員——座椅系統(tǒng)質(zhì)心C1，質(zhì)量m1，質(zhì)心的慣性張量J員；駕駛室質(zhì)心C2，質(zhì)量m2，質(zhì)心的慣性張量J室。在整個(gè)駕駛室+座椅+駕駛員體系中將質(zhì)量疊加，系統(tǒng)質(zhì)量為M；質(zhì)心合成為C。質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量合成為J。

圖4 各關(guān)鍵點(diǎn)在測(cè)量坐標(biāo)系中的位置關(guān)系

4 六足并聯(lián)懸架結(jié)構(gòu)方案選擇與確定

并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)中，典型的Stewart 機(jī)構(gòu)（6-SPS）由6 個(gè)SPS 運(yùn)動(dòng)鏈并聯(lián)，而每個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈由兩個(gè)球面副與一個(gè)移動(dòng)副組成，兩個(gè)球面副分別與固定平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)連接，機(jī)構(gòu)由移動(dòng)副驅(qū)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、解耦度高等優(yōu)點(diǎn)。

鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，駕駛室六足并聯(lián)懸架采用Stewart 機(jī)構(gòu)形式，即用6 根彈性-阻尼元件導(dǎo)向和支撐駕駛室，同時(shí)還起到空間6 個(gè)自由度減振作用。采用彈性-阻尼元件作為桿件，相當(dāng)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的移動(dòng)副（P），兩個(gè)球鉸（S）分別與駕駛室和車架相連，車架的6 個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)為激勵(lì)源，彈性-阻尼元件減振后，駕駛室會(huì)有6 個(gè)自由度響應(yīng)。

考慮到減振支路對(duì)稱分布對(duì)靜平衡和解耦的影響，主要考慮以下兩種基本的六點(diǎn)對(duì)稱布置（圖5）：一種是正六邊形布置；一種是長(zhǎng)方形布置。

圖5 鉸接點(diǎn)布置俯視圖

考慮到對(duì)稱對(duì)靜平衡和運(yùn)動(dòng)解耦的影響，選取各減振支路彈簧剛度和阻尼器阻尼都相等的情況。

靜平衡時(shí)，鉸接點(diǎn)的布置只對(duì)彈性力有影響。當(dāng)彈性力向三個(gè)方向分解時(shí)，在各自方向會(huì)存在正負(fù)兩向平行力的合成。x 向、y 向正負(fù)合力大小要相等，方向要求共線，z 向彈性力都為正向，要與物體重力大小相等，方向要求共線。要求正負(fù)力分布后的加權(quán)重心重合，在選擇剛度相等、靜位移相等的情況下，正六邊形是一種符合靜平衡條件的布置，正六邊形中心與簧上質(zhì)量質(zhì)心在豎直方向上共線。

5 實(shí)施條件

（1）駕駛室六足并聯(lián)懸架的布置中，靜平衡位置需要滿足駕駛室水平的條件。

（2）在駕駛室與車架水平，且懸架鉸接點(diǎn)連接于此時(shí)，要求靜平衡各方向分力分別平衡，平行力平衡條件是：正負(fù)力加權(quán)重心與分解力方向共線，正負(fù)合力大小相等。

6 結(jié) 論

根據(jù)以上分析,在選擇剛度相同，保證駕駛室水平的方案中，正六邊形支鏈方向角交錯(cuò)布置是滿足靜平衡的一種最優(yōu)方案，這種布置方式具有靜平衡穩(wěn)定性能好等特性。