卡車駕駛室準零剛度懸置系統設計研究

殷金祥，岳濤，王軍龍

卡車駕駛室準零剛度懸置系統設計研究

殷金祥，岳濤，王軍龍

（濰柴動力上海研發中心，上海 201114）

針對卡車行駛過程中駕駛室低頻振動問題，結合輕卡駕駛室懸置的特點，設計出一種準零剛度懸置系統。通過對這種準零剛度懸置系統進行靜力學分析，推導出其力-位移特性關系和剛度-位移特性關系，并得到這種懸置系統在平衡位置滿足準零剛度特性的前提條件，通過其特性關系，可知這種懸置系統具有低頻隔振性能。最后針對實車振動問題，設計出準零剛度懸置系統，對比優化前后駕駛室后懸置主、被動端振動大小，可知這種準零剛度懸置系統具有很好的低頻隔振效果。

駕駛室；低頻振動；準零剛度懸置；隔振

前言

1 準零剛度系統機理

負剛度系統是指系統隨著位移的增加力在減少的系統，其力-位移特性如圖1(b)所示。當設計一種系統使正剛度系統與負剛度系統并聯，通過適當的參數設計使系統在平衡附近實現力基本不變，其力-位移特性如圖1(c)所，從而實現系統在平衡附近剛度接近于零，構成準零剛度系統，系統在平衡位置附近固有頻率接近于零，從而實現系統的低頻隔振[4-7]。

圖1 隔振系統力-位移曲線示意圖

2 駕駛室懸置系統準零系統隔振設計

2.1 準零剛度懸置設計

圖2 駕駛室懸置系統簡圖

對于一般輕卡駕駛室懸置設計，前懸置是旋轉機構，后懸置是橡膠支撐機構，如圖2(a)所示，容易發生俯仰模態振動問題，這種機構可簡化為搖桿OA及彈簧組成的振動機構。在后懸置位置增加一水平彈性機構AC，和原駕駛室系統構成準零剛度懸置系統，如圖2(b) 所示。駕駛室處于水平時，系統處于平衡狀態，水平彈性機構AC處于壓縮狀態。

2.2 準零剛度懸置系統特性

駕駛室準零剛度懸置系統可以簡化為連桿機構，其于尺寸關系及受力狀態如圖3所示。當系統處于水平平衡位置時，系統支撐力由彈簧K1提供，彈簧K2處于壓縮狀態，當系統偏離平衡位置時，處于壓縮狀態的彈簧K2和連桿OA構成具有負剛度特性機構，和彈簧K1并聯，形成具有準零剛度特性的懸置系統。

圖3 準零剛度懸置系統簡圖

當系統偏離平衡位置時，根據受力的關系，水平方向力保持平衡，可得：

式中1為杠桿AB所受的壓力，2為彈簧AC所受的壓力。1、2形成的垂直方向的力為：

1sin2sin（2）

將式（1）代入式（2），可得：

2sin2costan（3）

根據圖3所示的尺寸關系，式（3）可轉化為：

彈簧AC的恢復力2為：

式中0為彈簧AC在水平位置時預壓縮量。

于是，系統垂直方向的力：

1?（6）

由式（4）、式（5）和式（6），可得：

根據式（7）可得力-位移特性曲線，如圖4所示。從圖中可看出，隔振系統具有準零剛度特性，在平衡位置的剛度為零，并且在一定區間內的剛度值接近于零，能夠使系統在平衡位置附近保持一定的力值不變，從而使系統剛度在平衡位置附近一定范圍內接近于零，實現低頻振動的隔離。

對式（7）進行位移x求導運算，可得系統剛度與位移之間的關系式，根據式（8）可得剛度-位移曲線，如圖5所示。

為了保證隔振系統在平衡位置的剛度為零，將=0和=0代入式（8）中，可得系統在平衡位置滿足準零剛度特性的前提條件為：

3 實例分析

某輕卡在平直路面上行駛時，當速度達到53 km/h時，出現行駛抖動問題，通過測試駕駛室后懸置主被動端振動數據，發現后懸置在頻率4.8 Hz時，存在嚴重放大現象，放大率達322%，同時在整個低頻區都存在或多或少的放大現象，如圖6所示。

表1 準零剛度懸置系統參數表

參數k1/( N/mm)k2/( N/mm )a/mmb/mmd/mmd0/mm 數值40079220002020105

圖6 后懸置主被動端振動

經過測試，這臺車駕駛室存在4.8 Hz的剛體模態，后輪胎的一階轉頻0～60 km/h時，激勵頻率范圍是0～7 Hz之間，根據隔振理論，傳統的懸置系統在低頻區是放大的。為解決這類問題，按照圖3所示的準剛度懸置系統原理簡圖，設計一種零剛度系統，其參數如表1所示，應用此準零剛度系統后，測得駕駛室后懸置主被端振動如圖7所示。從圖可以看出通過該準零剛度懸置系統，能夠解決懸置低頻隔振問題。

圖7 優化后懸置主被動端振動

4 結語

結合輕卡駕駛室懸置的特點，其前懸置是旋轉機構，后懸置是橡膠支撐機構，設計出一種準零剛度懸置系統。通過對這種準零剛度懸置系統進行靜力學分析，推導出其力-位移特性關系和剛度-位移特性關系，并得到這種懸置系統在平衡位置滿足準零剛度特性的前提條件，通過其特性關系，可知這種懸置系統具有低頻隔振性能。最后針對實車振動問題，給出準零剛度懸置系統的參數，對比優化前后駕駛室后懸置主、被動端振動大小，可知這種準零剛度懸置系統具有很好的低頻隔振效果。

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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，高級工程師，就職于濰柴動力上海研發中心，主要研究方向：整車NVH開發。