裝載機座椅動態舒適性因素研究

楊賀緒+張斌杰+馬萍

摘 要 本文從振動對駕駛員的影響以及引起裝載機座椅振動的主要因素進行分析，為裝載機座椅動態舒適性研究提供理論依據。重點介紹了舒適性的提出及國內外專家對舒適性的定義，舒適性對人體的影響。從外因路面不平度、內因（動力系統、作業部件、液壓脈沖）等方面系統的分析引起裝載機座椅振動的主要原因。

關鍵詞 裝載機座椅 舒適性

中圖分類號：TH273 文獻標識碼：A

0引言

舒適性是人的一種主觀感受，由于受各種因素及條件的影響（如人體的差異、主觀感受的模糊性和隨機性）而呈現不同的結果，目前還沒有一個廣泛認可的明確定義，但存在共識，舒適性是指人們對客觀環境在生理與心理方面所感受到的滿意程度而進行的綜合評價。國內外學者對于舒適與不舒適的問題進行了大量研究。Slater認為舒適性是人與所處環境的一種生理學、心理學上身心和諧、舒適的、令人愉快的狀態。Richard強調舒適性是人主觀上對處于某種環境或狀況下反應出的一種幸福健康快樂的感覺。國內外文獻成果研究表明，舒適性（comfort）實際是一個綜合范疇，他包含生理舒適、心理舒適、環境舒適、社會舒適，指人體處于比較滿意的、良好的一種自我感覺。為此，本文從振動對駕駛員的影響以及引起裝載機座椅振動的主要因素進行分析，為裝載機座椅動態舒適性研究提供理論依據。

1振動對駕駛員的影響

駕駛員受到的振動有兩種，一種為局部振動，一種為全身振動，其中全身振動是主要振動行駛，是引起駕駛員疲勞的主要原因。振動對人體的影響因素有：振動的頻率、振幅大小、加速度大小、受振動時間長短以及人的體位有關系，其中振動頻率是對人體影響的主要因素。一些資料顯示，4—8Hz之內是人體對振動上下敏感區域，1—2Hz之內是人體對振動前后敏感區域，也就是說1—8Hz范圍內人體器官容易發生共振。隨著頻率的不斷增高，人體的敏感程度不斷下降。30Hz以下為人體嚴重的振動響應區域，所以在設計人體相關的機件時，應避開與人體的固有頻率，以免發生共振。

2引起裝載機座椅振動的主要因素

一般來講，裝載機的振源主要來自兩方面，一方面是來自自身的振源，如來自發動機的振動、液壓缸回路液壓閥的振動、鏟裝作業時鏟斗的橫向縱向不平衡性；另一方面是來自外界的振動，轉載機工作環境一般比較惡劣，工作路面一般為不規則路面，土路、磚混、雜路較多，加之裝載機要往復來回移動，工作路面不斷破壞，最引起振動和顛簸，經研究分析工作中的裝載機最主要的振源是來自外部的激勵級路面不平度的影響作用。

2.1 路面不平度的影響

裝載機在工作過程中，座椅要受到來自路面不平度的激勵作用，不平的路面給輪胎造成不同程度的沖擊和擾動，這種隨機振動會引起駕駛員的不舒適和機構的疲勞破壞。由路面不平度引起的振動主要與裝載機的形式速度有關系，裝載機的行駛速度v（m/s）與路面不平度 （m-1）之間有以下關系，輸入的時間頻率f（Hz）是 和v的乘積，即公式f = v ，如果由路面不平度引起的激勵與裝載機某些構建的固有頻率互相疊加，裝載機響應的構件就會發生共振，其共振車速為公式v=3.6（km/h） 式中，為路面不平度波長。我國不同路面譜的不平度波長的實測結果如表1所示。

裝載機通常工作在未鋪裝路面，本文中選擇最小波長為0.77m的路面不平度，裝載機結構固有頻率的計算值為：

式中：裝載機常用車速為5-20m/s，vmax選用20m/s。

有資料顯示不同路面不同車速產生激勵也不同，相同路面車速越高產生振動響應越大，相同車速路面等級越低產生振動響應越大。

2.2動力系統對裝載機座椅舒適性的影響

動力系統對裝載機座椅舒適性影響主要是來自發動機，發動機產生的振動一般是由燃燒引起的低頻振動，如點火脈沖引起的振動、不平衡慣性力引起的振動、變速箱傳動軸引起的不平衡激振頻率，下面我們進行詳細的分析。

2.2.1點火系統的脈沖作用

按照發動機的工作原理由于氣缸內氣體燃燒后爆發產生平行于曲軸軸線的力矩，加上多缸發動機運動合成的扭矩，以及每個氣缸之間等值反向的翻轉力矩，這些由于發動機工作時產生的力矩引起的振動叫做點火脈沖。發動機在工作過程中作用于活塞上的燃燒壓力轉換為曲軸的旋轉動力，但是曲軸轉動一圈，燃燒在氣缸內發生一次，便產生扭曲波動，同理在直列四缸發動機中，曲軸轉一圈發生兩次扭轉波動，依次類推直列六缸發動機曲軸轉一圈發生三次扭轉，因此氣缸越多波動越小，發動機帶來的振動也就越小。如果發動機的固有頻率與人體某些器官的固有頻率接近就容易引起共振，影響其舒適性。裝載機一般采用四缸四沖程發動機，該類發動機怠速轉速一般為為850r/min，額定轉速為2500 r/min，由發動機引起的一階往復慣性力頻率f1可由公式f1=計算，式中，z為發動機缸數： 為發動機的沖程數；n為發動機的轉速。

發動機二階慣性力頻率f2和一階慣性力頻率f1之間關系f2 = 2f1，按照表達式1.4計算可得發動機怠速轉速由慣性力產生的一二階頻率分別為：f1=28.3Hz，f2=100Hz；發動機額定轉速有慣性力產生的一二階頻率分別為：f1=56.6Hz，f2=200Hz。

2.2.2不平衡慣性力引起的振動

對多缸發動機而言我們可以采取某些措施合理的技術安避免發動機每個氣缸之間發生共振作用，如合理布置安裝角度和安裝位置離去時每個剛體之間的受力達到抵消和平衡，消除部分由于剛體之間的共振引起的慣性不平衡力。表2列出了多缸發動機消除共振的措施，通過氣缸布置形式不同，點火時間的順序調整不平衡慣性力來實現。

從上表2可以看出直列三缸發動機里可以的達到平衡，但力矩一二階都不能平衡，本文設計時研究的是直列四缸發動機，我們可以看出力和力矩二階都存在不平衡性，從理論上分析存在鉛錘方向上的不平衡性。endprint

2.2.3變速箱傳動軸的不平衡性引起的振動

由于安裝和制造誤差，傳動軸中萬向節的跳動也會引起裝載機的振動，此振動有傳動軸傳遞到底板，再有點半傳動到座椅，從數量級上來看這些振動雖然相對發動機和路面的振動較小，由于傳動軸工作的持續性，所以也是不可忽視。

2.3工作零部件對座椅舒適性的影響

裝載機主要作業機構為動臂和鏟斗，在作業過程液壓缸驅動動臂要不斷地伸縮，如圖1所示，通過動臂伸縮來實現鏟裝功能。

從圖上我們可以看出裝載機工作件多數都是通過低副連接，由于低副連接的固有屬性各零部件之間存在裝配制造誤差，慣性力較大，工作中不可避免的產生局部摩擦，如果增大間隙，改變裝配精度可能會導致工作件的局部搖擺，引起振動。同時由裝載機工作件運動鏈可以看出傳遞路線較長，任何一個零部件發生振動時會將能量傳遞到另外一個的零部件上，振動不斷積累出現累計效應，對駕駛員產生極其不利的影響。另外，裝載機在鏟裝作業時，工作零部件需要伸出、收回反復活動，尤其是在鏟裝卸料瞬間鏟斗要伸長——抬起——卸料，一旦物料回彈裝載機動壁和鏟斗無形中出現橫向振動，而且這種振動是隨機不確定的，其振動能量的大小也是隨機的，由于工作零部件的振動引起液壓油缸的瞬間下沉或急劇上升，導致動臂發抖，車架搖擺，這些振動頻率一旦與系統的固有頻率接近時，高能量的振動就容易引發，輕則引起人體的不舒適，重者導致安全事故的發生。

3本文小結

系統分析了影響舒適性的因素及振動對駕駛員的影響，查閱資料了解人體各個器官的固有頻率，對引起裝載機座椅舒適性的因素路面不平度、動力系統、作業零部件、液壓系統四個方面進行系統的分析。主要介紹裝載機座椅動態舒適性研究的目的和意義，查找相關資料，概括的介紹了目前國內外對裝載機舒適性方面的研究及發展現狀，通過對查閱資料的分析總結提出自己的研究方向。重點介紹了舒適性的提出及國內外專家對舒適性的定義，舒適性對人體的影響。從外因路面不平度、內因（動力系統、作業部件、液壓脈沖）等方面系統的分析引起裝載機座椅振動的主要原因。

參考文獻

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