2015, Vol. 38
文章信息
- 童邦, 张维强, 朱思洪, 张文华, 王兵. 2015.
- TONG Bang, ZHANG Weiqiang, ZHU Sihong, ZHANG Wenhua, WANG Bing. 2015.
- 拖拉机驾驶室振动特性及橡胶悬置性能仿真研究
- The simulation of vibration characteristics and rubber suspension performance of tractor cab
- 南京农业大学学报, 38(6): 1038-1044
- Journal of Nanjing Agricultural University, 38(6): 1038-1044.
- http://dx.doi.org/10.7685/j.issn.1000-2030.2015.06.025
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文章历史
- 收稿日期: 2015-01-04
拖拉机在农业生产中有着广泛的应用,但其剧烈的振动严重影响了驾驶员的身心健康与驾驶安全[1]。因此,拖拉机减振技术的相关研究一直是拖拉机设计人员的研究重点。
吕宝占[2]在分析非道路车辆的振动微分方程和固有频率的基础上,对非道路车辆的振动特性与驾驶室悬架参数的匹配进行研究,为拖拉机驾驶室振动特性的研究提供了思路。朱思洪等[3]根据拖拉机驾驶室悬架参数要求与流体力学理论,设计了一种阻尼可调的油气悬架,研究了该悬架阻尼参数对拖拉机振动特性的影响。Chae等[4]通过分析驾驶员对座椅的压力分布状况来研究车辆振动的动态响应。虽然国内外对拖拉机振动特性进行了大量的理论与试验研究,但是对驾驶室振动特性研究较少且主要集中在垂直方向上,而侧倾与俯仰方向的研究却鲜有报道。
本文利用Pro/E建立了CF-700型拖拉机的三维模型,按GB/T 10910—2004[5]的要求编写了测试路面文件,在机械系统动力学自动分析软件(ADAMS)中建立了整机仿真模型,以实车测试检验了虚拟样机的有效性。利用虚拟样机技术对拖拉机驾驶室质心在垂直、侧倾、俯仰方向的加速度均方根值与谱峰值频率进行了仿真研究,以探究行驶速度与加速度均方根值和谱峰值频率的关系。对驾驶室橡胶悬置的隔振效果进行了仿真分析,为拖拉机减振技术提供了方法。
1 模型建立
拖拉机在农田工作时,拖拉机的振动主要由路面的上下起伏对轮胎的激励而引起的,使拖拉机在空间产生六自由度的振动。设拖拉机前进方向为X轴方向,驾驶员左右方向为Y轴方向,拖拉机垂直方向为Z轴方向,则拖拉机沿Z轴方向的振动为垂直振动,绕X轴方向的振动为侧倾振动,绕Y轴方向的振动为俯仰振动。
在建模的过程中采用交互式建模法,即根据拖拉机部件的实际尺寸建立三维模型,将除了轮胎之外的部件装配后保存为t_x格式导入ADAMS软件中,使模型具有较好的可视化效果。在ADAMS软件中根据拖拉机相关部件的质量属性参数[6](表 1),对拖拉机相关部件的质量信息进行修改。
| 名称Name | 质量/kg Mass | 转动惯量/(kg·mm2)Moment of inertia | ||
| Ixx/106 | Iyy/106 | Izz/106 | ||
| 车架Frame | 2 300.0 | 1 468.40 | 2 468.50 | 3 414.30 |
| 驾驶室Cab | 270.0 | 298.30 | 150.00 | 311.50 |
| 前轮Front wheel | 35.1 | 1.47 | 1.47 | 2.80 |
| 后轮Rear wheel | 205.0 | 22.60 | 22.60 | 44.20 |
由于CF-700型拖拉机采用刚性悬架结构,其乘坐舒适性主要由轮胎及座椅悬架的动态特性决定,其中影响轮胎动态特性的参数主要有径向刚度、径向阻尼与纵向刚度。根据聂信天等[7]推导的拟合公式可求得轮胎的径向刚度与径向阻尼,即:
拖拉机前后轮胎规格为6.5~20、14.9~30,查阅GB/T 2979—2008[8]得前后轮胎的标准充气压力分别为200和190 kPa。将轮胎充气压力代人式(1)~式(4)求得前、后轮胎径向刚度与径向阻尼分别为364.2 kN · m-1、405.9 kN · m-1和1 497.8 N · s · m-1、2 086.1 N · s · m-1。
利用韩加蓬等[9]推荐的拟合关系式可求轮胎的纵向刚度,即:
将前后轮胎的充气压力分别代入式(5)中 求出前、后轮胎的纵向刚度分别为577.0 kN · m-1、602.1 kN · m-1。综上即得轮胎属性参数(表 2),其中侧偏刚度与外倾刚度采用轮胎的推荐值[10]。
| 参数 Parameter | 前轮 Front wheel | 后轮 Rear wheel |
| 自由半径/mm Free radius | 430 | 707.5 |
| 断面宽度/mm Section width | 180 | 378 |
| 高宽比Height width ratio | 0.60 | 0.60 |
| 径向刚度/(kN·m-1)Radial stiffness | 364.2 | 405.9 |
| 径向阻尼/(N·s·m-1)Radial damping | 1 497.8 | 2 086.1 |
| 纵向刚度/(kN·m-1)Longitudinal stiffness | 577.0 | 602.1 |
| 侧偏刚度/(N·rad-1)Distortion stiffness | 60 000 | 120 000 |
| 外倾刚度/(N·rad-1)Camber stiffness | 6 000 | 12 000 |
| 径向阻尼比Radial damping ratio | 0.05 | 0.05 |
| 滚动阻力系数Rolling resistance coefficient | 0.16 | 0.16 |
| 静摩擦系数Static friction coefficient | 0.94 | 0.94 |
轮胎模型选用UA轮胎USE-MODE2模型[11],该轮胎模型通过摩擦圆考虑了侧偏和纵滑的相互影响,考虑了非稳态效果,也考虑了外倾和松弛长度。相比其他魔术公式,该模型只需要有限几个参数,即能获得比较好的模型精度。将轮胎与拖拉机前后桥的轴中心连接并添加旋转副,驾驶室与车架直接用固定副连接。驾驶员虚拟为一个刚体置于座椅之上,两者之间通过固定副连接。综合路面模型、轮胎模型、拖拉机模型建立整机仿真模型(图 1)。
 | 图 1 系统仿真模型Fig. 1 Simulation model of the system |
为了验证虚拟仿真模型的有效性,在按GB/T10910—2004规定修建的35 m较粗糙的路面上进行拖拉机振动测试(图 2),并与仿真结果进行对比。将拖拉机以4 km · h-1的速度进行测试,连续测量5次,每次测量得到拖拉机驾驶室座椅平台处X、Y、Z 3个方向的加速度时域信号。
 | 图 2 试验测试照片Fig. 2 Test photo |
试验设备包括:秒表、笔记本电脑、LMS振动分析仪、型号为CA-YD-152A的三向加速度传感器、网线以及其他连接线。传感器的采样频率为200 Hz,安装在座椅下方的驾驶室平台上。为了仿真条件与试验测试一致,拖拉机模型的行驶速度根据定义轮胎转速来实现。利用STEP函数使拖拉机始终保持匀速行驶,驱动函数为:STEP(x,x0,h0,x1,h1),函数中参数h为角度(°),变化区间为h0至h1;参数x为时间(s),变化区间为x0至x1。
在Matlab中对测试数据进行处理,得到驾驶室座椅平台处沿X、Y、Z方向振动的加速度—时间曲线(图 3左边)与加速度均方根值(表 3)。在ADAMS后处理PostProcessor中得到虚拟驾驶员沿X、Y、Z方向振动的加速度—时间曲线(图 3右边)。
 | 图 3 座椅平台处(左图)与虚拟驾驶员(右图)振动加速度—时间曲线Fig. 3 Curve of acceleration-time at seat-platform(left)and with the virtual driver(right) |
由表 3可知,试验得到的X、Y、Z方向的加速度均方根值的平均值分别为1.48、1.39和2.68 m · s-2,而仿真得到的值分别为1.62、1.46和2.78 m · s-2,两者相比误差分别为9.4%、5.0%和3.7%,说明所建立的仿真模型精度较高,能够满足仿真研究的要求。
| 方向Direction | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均值Average value | 仿真值Simulation value |
| X | 1.41 | 1.52 | 1.40 | 1.65 | 1.40 | 1.48 | 1.62 |
| Y | 1.27 | 1.53 | 1.32 | 1.48 | 1.32 | 1.39 | 1.46 |
| Z | 2.63 | 2.74 | 2.61 | 2.79 | 2.65 | 2.69 | 2.78 |
按照国标GB/T 10910—2004的规定,在ADAMS软件中拖拉机分别以4、5和6 km · h-1的行驶速度进行仿真研究,并在ADAMS后处理中分别得到拖拉机驾驶室质心在垂直、侧倾和俯仰方向的加速度—时间曲线。通过ADAMS后处理与Matlab联合计算,求出加速度均方根值。在ADAMS后处理中对加速度时域曲线进行快速傅里叶变换得到加速度幅频特性曲线。图 4-a、b、c所示为行驶速度为5 km · h-1时,仿真得到驾驶室质心在3个方向上的加速度—时间曲线及对应的幅频特性曲线。
 | 图 4 行驶速度为5 km · h-1时拖拉机质心处加速度—时间曲线与幅频特性曲线Fig. 4 Acceleration-time curve and amplitude frequency characteristic curve at 5 km · h-1 on tractor centroid |
利用相同的方法得到拖拉机行驶速度为4和6 km · h-1的加速度—时间曲线。在Matlab中进行数据处理得到加速度极值与均方根值(图 5),然后根据幅频特性曲线得到各方向谱峰值频率(表 4)。
 | 图 5 各方向加速度Fig. 5 Acceleration in three directions |
由仿真结果分析,随着拖拉机行驶速度的增大,驾驶室质心3个方向加速度均方根值与极值都有大幅度的增加。当拖拉机行驶速度由4 km · h-1增加到6 km · h-1时,垂直方向加速度极值从5.5 m · s-2增加到9.8 m · s-2,增幅达78%;均方根值从2.78 m · s-2增加到4.68 m · s-2,增幅为68%,振动强度显著增加。俯仰方向的极值从2.4 rad · s-2增加到4.6 rad · s-2,增幅达91.6%,均方根值从0.45 rad · s-2增加到0.70 rad · s-2,增幅为56%;侧倾方向的极值从1.3 rad · s-2增加到4.2 rad · s-2,增幅为223%,均方根值从0.32 rad · s-2增加到0.64 rad · s-2,增幅为100%。此结果表明随着行驶速度增大驾驶员所承受的振动强度也在增大。
由表 4可知:不同速度下各方向的谱峰值频率都在3.1 Hz以下,且在不同速度下相同方向上有相似的谱峰值频率,这说明行驶速度的大小对同一方向的谱峰值频率影响不明显。各方向除了一个谱峰值最大的频率之外还有若干个近似谱峰值频率。例如速度为5 km · h-1时,垂向谱峰值频率为2.7 Hz,同时有一个3.0 Hz的近似谱峰值频率,而俯仰方向既有一个频率为1.5 Hz的谱峰值频率,也还有频率为2.5和4.1 Hz 2个近似谱峰值频率。
| Hz | |||
| 方向 Direction | 速度/(km·h-1)Speed | ||
| 4 | 5 | 6 | |
| 垂直Vertical | 2.8 | 2.7(3.0) | 3.1 |
| 俯仰Pitch | 1.3(3.7) | 1.5(2.5、4.1) | 1.4 |
| 侧倾Roll | 1.3 | 1.3(4.0) | 1.3(3.7、4.5) |
CF-700型拖拉机采用刚性悬架结构,使拖拉机自身振动强烈。所以考虑在驾驶室与拖拉机机身支撑处安装橡胶块来进行驾驶室悬置隔振处理。橡胶块在空间中可以简化为沿着3个轴α、β、γ方向上都有弹性的弹簧单元,其动力学模型如图 6所示。
 | 图 6 橡胶垫动力学模型Fig. 6 Dynamic model of rubber mat |
其中:α、β、γ分别为3个空间正交的弹性轴;e为弹性中心;Kα、Kβ、Kγ分别为沿着弹性轴方向的刚度;Cα、Cβ、Cγ则为沿着主轴方向的阻尼。当弹性中心受到平行于弹性轴方向的作用力时,悬置单元只产生平移而不产生角位移。在每个悬置单元的局部坐标系e—α β γ中,α、β和γ方向上的力与变形位移符合如下公式:
在驾驶室与机身连接处用bushing部件来模拟橡胶块(图 7),建立刚柔混合的整机模型。根据李科[12] 的研究将驾驶室前后bushing部件的刚度和阻尼系数分别取为20 kN · m-1、1 233 N · s · m-1和20 kN · m-1、1 726 N · s · m-1。用同样的方法得到拖拉机驾驶室质心各向加速度均方根值(表 5)。
. | 图 7 Bushing部件位置Fig. 7 The location of bushing parts |
在ADAMS中对加速度—时间曲线进行傅里叶计算,得到幅频特性曲线。图 8为拖拉机行驶速度为5 km · h-1的各向幅频特性曲线,表 6为减振后不同速度下各方向谱峰频率值。
 | 图 8 减振后幅频特性曲线Fig. 8 Amplitude frequency characteristic curve after damping |
由表 5和6可知,减振处理后,不同速度下驾驶室质心的各向加速度均方根值都有减少,其中在侧倾方向的减振效果最为明显,加速度均方根值最大降低了50%。拖拉机驾驶室质心不同方向的谱峰值频率较之前有变化,其中侧倾方向的谱峰值频率都有增加,说明侧倾方向振动强度改善较明显。不同速度下相同方向上有着相似的谱峰值频率,再次说明拖拉机行驶速度对谱峰值频率影响不明显。上述结果表明:驾驶室橡胶悬置能够很好地减小拖拉机振动,提高拖拉机行驶舒适性。
| m · s-2 | |||
| 方向 Direction | 速度/(km·h-1)Speed | ||
| 4 | 5 | 6 | |
| 俯仰Pitch | 0.45/0.39 | 0.55/0.42 | 0.7/0.53 |
| 侧倾Roll | 0.32/0.21 | 0.43/0.27 | 0.64/0.32 |
| 垂直Vertical | 2.7/2.37 | 3.28/2.75 | 4.68/3.26 |
| 注:减振前/减振后Before damping/after damping | |||
| Hz | |||
| 方向 Direction | 速度/(km·h-1)Speed | ||
| 4 | 5 | 6 | |
| 垂直Vertical | 2.5 | 2.6(3.0) | 2.4 |
| 俯仰Pitch | 1.3(6.0) | 1.5(5.0) | 1.3(5.0) |
| 侧倾Roll | 5.0(1.3) | 4.7(1.2) | 4.8(1.3、2.7) |
1)驾驶员承受的振动强度随行驶速度的增加而增大,从4 km · h-1到6 km · h-1时垂直、俯仰、侧倾方向的加速度均方根值增幅分别为68%、56%和100%。在不同行驶速度下,同一方向有着相似的谱峰值频率,说明行驶速度对谱峰值频率影响不明显。
2)驾驶室通过悬置隔振后各个方向的加速度均方根值都有相应的降低,其中在侧倾方向上的均方根值降低幅度最大,达50%,减振效果较为明显。此结论为进一步研究驾驶室悬置的振动特性提供了参考。
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