某平衡重式叉車振動仿真研究

安徽合力股份有限公司 工業車輛安徽省重點實驗室 高靜軒 田紅周 梁長佳 張義

平衡重叉車與汽車的重要差別在于缺少懸架系統,這樣地面不平度引起的振動很容易通過輪胎傳遞到車身與駕駛員座椅位置,從而影響乘坐舒適性。本文依據歐盟人體振動試驗測試標準（EN 13059），建立叉車行駛動力學仿真模型預測叉車座椅位置振動加速度，進而評價叉車乘坐舒適性；文章仿真分析實心輪胎和充氣輪胎分別在滿載和空載工況下對乘坐舒適性影響，對叉車選配輪胎具有一定指導價值。

一、引言

叉車作為常用的搬運設備，經常在一些不平整的路面上運行，雖然車輛行駛速度不快，但經常會遇到一些障礙物，輪胎通過障礙會發生接觸變形，引起車身上下顛簸，人體就會感覺到不舒適。歐盟車輛標準（EN 13059）和國內工業車輛行業整機試驗方法（JBT 3300）中明確給出平衡重式叉車振動試驗方法，此外出口叉車經過CE認證時，廠家必須在叉車使用手冊中注明座椅處的人體振動數值。此數值與叉車整機的質量和質心位置參數、軸距、輪距、配置輪胎剛度和阻尼參數、后橋減振橡膠塊剛度和阻尼參數、選配座椅參數等相關。太原科技大學衛良保等人通過試驗方法研究實心輪胎對叉車振動影響，試驗數據表明叉車換裝實心輪胎后對整機振動無顯著影響；同濟大學靳曉雄等研究不同懸置方式的叉車座椅減振性能差異；P.Lemerle等通過仿真和試驗手段研究輪胎對叉車減振效果的影響。

本文參考EN 13059中的叉車振動試驗方法，按照試驗工況建模標準的二維數字路面，再通過輪胎試驗臺架識別出輪胎模型剛度和阻尼參數，然后利用多體動力學軟件建立叉車行駛動力學模型，模型中考慮叉車整車慣性參數、整車軸距和輪距參數，但不考慮座椅和后橋減震塊剛度和阻尼參數；最后模擬叉車在空載和滿載工況下按照不同車速在標準試驗路面行駛時叉車座椅處振動加速度值，從而評價輪胎對叉車乘坐舒適性影響，對后期選配輪胎、評判整車動載系數有一定的指導價值。

二、平衡重式叉車振動試驗方法簡介

平衡重式叉車振動試驗方法中明確規定了試驗場地條件、試驗儀器和振動測量的方向和位置，以及測量步驟和數據有效性等，本文重點介紹試驗的場地、試驗操作步驟和數據處理流程，其他相關內容可參考JBT 3300標準。

試驗跑道應為平整的混凝土或者瀝青硬實路面，試驗跑道示意圖（圖1），道面上設置兩個寬度為150mm的矩形斷面障礙物，障礙物高度h，間距為b，試驗起始線與第一個障礙物距離為a，車輛經加速后以勻速通過起始線、兩個障礙物和終止線，整個試驗數據記錄時間為車輛在跑道上行駛L長度所用時間，因為車輛的輪胎種類和車輪直徑不同，可依據表1選擇圖1中標示的試驗跑道參數。

圖1 試驗跑道示意圖

表1 試驗跑道和障礙物設置參數表

試驗時在車輛上安裝一個光電傳感器用于識別車輛經過試驗路面上的起始線和終止線，另外采用PCB公司的坐墊加速度傳感器，同時測試座椅處三個方向振動值，將試驗采集的時域加速度信號，通過人體振動濾波器和積分計算處理，可得到垂直方向全身振動的頻率加權加速度均方根值。試驗過程中選擇不同體重的駕駛員經過若干次重復運行試驗，并對每次得到的試驗數據進行有效性檢驗。圖2為ncode軟件中試驗數據處理流程圖。

圖2 ncode軟件試驗數據處理流程圖

三、叉車行駛動力學仿真模型

根據上文平衡重叉車振動試驗方法，在多體動力學軟件Altair MotionView中構造標準的二維數字路面模型和車輛行駛多體動力學模型如圖3所示，依照輪胎類型和直徑，本文選擇的試驗路面長度為25m，障礙物高度為8mm，障礙物間距a與b都是10m。

圖3 叉車行駛動力學模型

車輛動力學模型中考慮整車質心位置和轉動慣量，整車軸距、前輪輪距和后輪輪距等參數見表2，整車坐標系X軸前后方向、Y軸為左右方向、Z軸為上下方向，坐標原點為前輪驅動橋中心位置。模型中車輛前輪和后均可以選擇充氣胎和實心胎，輪胎的垂直方向剛度可通過試驗臺得到力與變形曲線，再進行多項式擬合得到，圖4為四種輪胎的載荷力與變形曲線；輪胎垂直方向阻尼系數與車速有關，需要在動態測試臺架中測得，首先輪胎控制在固定的滾動速度條件下，然后施加額定載荷滾動通過障礙物，這時輪胎發生自由振動，測其垂直方向振動加速度，再通過對數衰減法計算輪胎垂直方向粘性阻尼系數，圖5為四種輪胎在不同車速下的粘性阻尼系數。

表2 整車動力學模型參數表

圖4 四種輪胎的載荷力與變形曲線

圖5 四種輪胎的粘性阻尼系數

在車輛動力學模型的兩個前輪施加旋轉驅動，通過控制前輪轉速使得整車勻速通過兩個障礙物，圖6～9分別為車輛在6、8、10和12km/h速度工況下叉車行駛速度和座椅處振動加速度時域圖。叉車在經過每個障礙物時均發生上下振動，并且每次振動的波形基本相當。當車輛在低速工況行駛時，很容易觀察到每個振動波形又可以分解成兩個波動，第一個為前輪通過障礙物引起的整車振動和第二個為后輪通過障礙物再次引起的振動，此外后輪過障礙物在座椅處的振動響應要大于前輪通過障礙物。

圖6 時速6公里時座椅處振動加速度

圖7 時速8公里時座椅處振動加速度

圖8 時速10公里時座椅處振動加速度

圖9 時速12公里時座椅處振動加速度

四、叉車振動仿真結果

叉車動力學模型中的前輪和后輪均可以選配充氣胎和實心胎，這樣就存在四種不同類型組合，每個輪胎的剛度和阻尼參數可參照圖4、5。通過控制車速可計算不同輪胎組合下座椅振動響應加速度，JBT 3300標準中給出座椅垂直方向振動加速度均方根計算方法如公式所示，此計算數值可表征人體對沖擊響應的感知即乘坐舒適性，公式同時考慮沖擊峰值和持續時間。

圖10、11給出叉車在空載和滿載工況下，不同輪胎組合座椅垂直方向振動加速度有效值仿真結果?？煽闯霾孳囋?公里時速下，與車速正相關，車速越快越大，當車速大于8km/h后，隨著車速增大反而會減小，特別是在前輪選配充氣胎時表現最明顯，也就是說叉車在高速行駛工況下前輪選配充氣胎有利于提高叉車乘坐舒適性；對比叉車后輪選配實心胎和充氣胎的加速度有效值發現后輪選配輪胎類型對乘坐舒適性影響相似；另外比較空載和滿載工況發現，叉車低速行駛時乘坐舒適性相差不大，但是高速行駛時叉車負載影響乘坐舒適性。

圖10 空載工況不同輪胎組合對座椅處振動影響

圖11 滿載工況不同輪胎組合對座椅處振動影響

五、結語

隨著工業車輛行業對振動要求不斷提高，叉車乘坐舒適性受到生產廠家高度重視，叉車人體振動的試驗和仿真方法迫切需要研究并推廣應用，本文建立叉車行駛動力學模型并參考平衡重式叉車振動試驗方法，仿真分析了叉車座椅處振動，在此基礎上研究了叉車選配不同輪胎對振動影響，對后期輪胎選型有一定參考價值。此外可在叉車動力學建模中將后橋減振橡膠塊和座椅動力學參數考慮到，使得叉車人體振動仿真研究更加完備。