戰(zhàn) 麗，李 季，任長(zhǎng)清

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150040)

目前林間運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸艙與底盤之間通常為剛性連接，即采用無懸架結(jié)構(gòu)。這種無懸架結(jié)構(gòu)普遍存在震動(dòng)幅度大和平順性差等問題。尤其在道路狀況的多變、復(fù)雜性的前提下，使得林間運(yùn)輸精密儀器難以滿足平順性的要求。為了解決這一問題，在駕駛艙與履帶底盤中間加入懸掛系統(tǒng)，使其為彈性連接，以增強(qiáng)運(yùn)輸艙的平順性，改善精密儀器及脆弱貨物的運(yùn)輸環(huán)境。如圖1所示。［1-2］

圖1 履帶式林間運(yùn)輸機(jī)總圖Fig．1 Structure of transport machine in woodland

1 懸架類型的選擇

傳統(tǒng)的履帶小型運(yùn)輸機(jī)普遍采用無懸架結(jié)構(gòu)。同類型輪式林用機(jī)械采用傳統(tǒng)被動(dòng)懸架。被動(dòng)懸架的剛度和阻尼是按經(jīng)驗(yàn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法確定的。根據(jù)這些參數(shù)設(shè)計(jì)的懸架結(jié)構(gòu)，在汽車行駛過程中的性能是不變的，也是無法進(jìn)行調(diào)節(jié)的。在林間路況復(fù)雜多變的情況下，這使運(yùn)輸機(jī)的行駛平順性受到嚴(yán)重的影響。全主動(dòng)懸架就是根據(jù)汽車的運(yùn)動(dòng)和路面狀況，適時(shí)地調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼，使其處于最佳減震狀態(tài)。而半主動(dòng)懸架不考慮改變懸架的剛度，而只考慮改變懸架的阻尼，因此它是由無動(dòng)力源且只有可控的阻尼元件組成。相對(duì)于被動(dòng)懸架和全主動(dòng)懸架，半主動(dòng)懸架具有一系列優(yōu)點(diǎn):可以根據(jù)路況適時(shí)改變阻尼，平順性較被動(dòng)懸架有顯著提高;半主動(dòng)懸架系統(tǒng)無單獨(dú)動(dòng)力源，不消耗機(jī)器的動(dòng)力;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本遠(yuǎn)低于全主動(dòng)懸架;機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，可靠性高。因此應(yīng)選用半主動(dòng)懸架。［3］

2 減震系統(tǒng)概述

2．1 振動(dòng)系統(tǒng)分析

半主動(dòng)懸架的設(shè)計(jì)應(yīng)從行駛平順性和操控性出發(fā)。但林間地形多變，因此彈簧剛度和減振器的阻尼系數(shù)應(yīng)能隨運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)而變化，使懸架系統(tǒng)性能總是處于最優(yōu)狀態(tài)附近。但是，彈簧剛度選定后，又很難改變，因此從改變減振器阻尼入手，將阻尼分為兩級(jí)，根據(jù)傳感器信號(hào)自動(dòng)選擇所需要的阻尼級(jí)。

圖2 振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig．2 Diagram of vibration system

圖2為由外部電磁鐵控制的減振器簡(jiǎn)圖。為滿足平順性要求時(shí)，可選擇打開阻尼器;運(yùn)輸機(jī)高速行駛時(shí)，可選擇關(guān)閉阻尼器。無阻尼可提高運(yùn)輸機(jī)行駛操控性能，使其運(yùn)行更穩(wěn)定，但平順性下降;高阻尼可降低系統(tǒng)自振頻率，減少對(duì)機(jī)身的沖擊，利于提高平順性，但高速行駛使穩(wěn)定性下降。

2．2 電子控制系統(tǒng)概述

半主動(dòng)懸架的電控系統(tǒng)基本組成如圖3所示。傳感器將運(yùn)輸機(jī)行駛的路面情況和行駛速度及啟動(dòng)、加速、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等工況轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，輸送給電子控制器，控制器將傳感器送入的電信號(hào)進(jìn)行綜合處理，輸出對(duì)懸架的阻尼進(jìn)行調(diào)節(jié)的控制信號(hào)。［4］

為減少執(zhí)行元件所需的功率，主要采用調(diào)節(jié)減振器的阻尼系數(shù)法，只需提供調(diào)節(jié)控制閥、控制器和反饋調(diào)節(jié)器所消耗的較小功率即可?？梢愿鶕?jù)路面的激勵(lì)和機(jī)身的響應(yīng)對(duì)懸架的阻尼系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，使機(jī)身的振動(dòng)被控制在要求范圍之內(nèi)。

圖3 電控系統(tǒng)組成Fig．3 The electronic control system

3 懸架核心參數(shù)的計(jì)算和分析

3．1 懸架靜撓度與剛度

在本設(shè)計(jì)中運(yùn)輸機(jī)空載質(zhì)量約1．2 t，載重0．8 t，由于是履帶行走系統(tǒng)，它區(qū)別于輪式行走機(jī)構(gòu)，履帶行走機(jī)構(gòu)底盤有交好的整體性和較大的著地面積。出于履帶底盤整體性的考慮，小型運(yùn)輸機(jī)采用前置懸掛，后懸鉸接的結(jié)構(gòu)。于是運(yùn)輸機(jī)前后方的震動(dòng)不存在聯(lián)系。因此，運(yùn)輸機(jī)的機(jī)身固有頻率n可用下式表示。

式中:c為懸架的剛度，N/cm;m為懸架的簧載質(zhì)量，kg。

當(dāng)采用彈性特性為線性變化的懸架時(shí)，懸架的靜撓度可用下式表示

式中:g為重力加速度，g=981cm/s2。將fc帶入式(1)得到

由于運(yùn)輸機(jī)的行走環(huán)境較為惡劣，且速度不高，對(duì)操作穩(wěn)定性要求不高，推薦前懸的頻率為1．00～1．50 Hz。在選定偏頻后，再利用(2)即可算出運(yùn)輸機(jī)滿載時(shí)前懸的靜撓度。

根據(jù)以上公式，取懸架頻率為n=1．2 Hz，m=2000 kg。

算出靜撓度:fc=25/n2=25 × (1．2)2=17．36 mm。

剛度c=mg/fc=(2000 ×981)/17．36=1．13 ×105N/cm。

3．2 減振器的設(shè)計(jì)

3．2．1 減振器的選取

考慮到林間路況的復(fù)雜多變，本機(jī)采用半主動(dòng)懸架，不考慮改變懸架的剛度，而只考慮改變懸架的阻尼，因此它是由無動(dòng)力源且只有可控的阻尼元件組成的。

本設(shè)計(jì)的半主動(dòng)懸架分為有級(jí)式阻尼器，它是將懸架系統(tǒng)中的阻尼分為兩級(jí)，根據(jù)爆振傳感器的信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行選擇所需阻尼級(jí)。也就是說，可以根據(jù)路面條件和運(yùn)輸機(jī)的行駛狀態(tài)，來調(diào)節(jié)懸架阻尼級(jí)，從而可提高運(yùn)輸機(jī)的行駛平順性與高速時(shí)的行駛穩(wěn)定性。［5］

3．3．2 相對(duì)阻尼系數(shù) Ψ

在減振器的卸荷閥打開前，其中的阻力F與減振器振動(dòng)速度v之間的關(guān)系為

相對(duì)阻尼系數(shù)δ=F/v，在中等沖擊情況下取v=1．3cm/s。

運(yùn)輸機(jī)有阻尼以后，簧上質(zhì)量是周期衰減振動(dòng)，用阻尼系數(shù)Ψ的大小來評(píng)定振動(dòng)衰減的快慢程度。Ψ的表達(dá)式為

式中:c為懸架系統(tǒng)的垂直剛度;ms為簧上質(zhì)量。

可算出:相對(duì)阻尼系數(shù)δ=F/v=2000×9．81/1．3=1．5 ×104。

此處取 Ψ =0．5。

4 利用ADAMS進(jìn)行振動(dòng)分析

4．1 建立三維模型

通過SolidWorks 2012建立運(yùn)輸機(jī)履帶底盤三維模型，然后導(dǎo)入ADAMS 2010(如圖4所示)。

圖4 運(yùn)輸機(jī)模型導(dǎo)入ADAMSFig．4 Input the model into ADAMS

4．2 完善模型并添加約束

底盤的模型基礎(chǔ)上，在ADAMS中添加車兜，并添加各個(gè)部件的約束(如圖5所示)。圖中在運(yùn)輸機(jī)底盤前部添加兩個(gè)彈簧減震器模型。約束類型:車兜與底盤為滑動(dòng)副，只允許其在垂直方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖5 添加約束與減震器Fig．5 Add constraints and absorber

并將上文的計(jì)算參數(shù)輸入彈簧阻尼器中(如圖6所示)。

圖6 將參數(shù)輸入彈簧阻尼器Fig．6 Input the parameter into spring-absorber

4．3 創(chuàng)建振動(dòng)系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)

創(chuàng)建兩個(gè)并行周期運(yùn)轉(zhuǎn)的凸輪，作為系統(tǒng)的輸入信號(hào)，為運(yùn)輸機(jī)經(jīng)過障礙的模擬信號(hào)(如圖7所示)。然后將step函數(shù)作為輸入信號(hào)賦值給Motion作為動(dòng)力源。

STEP(time，0，0d，0．01，360d)+STEP(time，2，0d，2．01， -360d)。

圖7 添加系統(tǒng)激勵(lì)源Fig．7 Add the motion

圖8為系統(tǒng)輸入信號(hào)的曲線圖

圖9為系統(tǒng)關(guān)閉阻尼情況下輸入信號(hào)時(shí)機(jī)身的振動(dòng)情況。圖中實(shí)線為機(jī)身位移-時(shí)間曲線圖，由于關(guān)閉阻尼器時(shí)機(jī)身相當(dāng)于剛性連接，其曲線趨勢(shì)與信號(hào)屬于趨勢(shì)相同;虛線為加速度-時(shí)間曲線圖，該曲線是實(shí)線的2階導(dǎo)數(shù)。

圖10為打開阻尼器的情況，由圖可見實(shí)線為位移-時(shí)間曲線圖，其位移的波動(dòng)范圍明顯小于阻尼關(guān)閉的情況。而實(shí)線的二階導(dǎo)數(shù)曲線為加速度-時(shí)間曲線，在圖中用虛線表示。

根據(jù)同時(shí)對(duì)比兩種情況下的加速度曲線的最大值，在無阻尼時(shí)是打開阻尼器時(shí)的三倍。在質(zhì)量不變的情況下，瞬時(shí)加速度的降低直接導(dǎo)致沖擊力的減小，因此本懸架可有效的提高機(jī)身的平順性，減小振動(dòng)。

圖8 激勵(lì)信號(hào)曲線Fig．8 The pumping signal curve

圖9 無阻尼系統(tǒng)振動(dòng)曲線Fig．9 The curve of vibrating system without damping

圖10 高阻尼系統(tǒng)振動(dòng)曲線Fig．10 The curve of vibrating system with damping

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)為現(xiàn)有林間運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)了半主動(dòng)懸架。可變的減振器阻尼值能夠較好的適應(yīng)林間多變的路況，滿足運(yùn)輸機(jī)的平順性要求。在路面狀況良好的情況下，關(guān)閉阻尼器，提高最大車速并且增加運(yùn)輸機(jī)的操控性與行駛穩(wěn)定性;在林間路面狀況復(fù)雜的情況下，打開阻尼器可以有效的衰減振動(dòng)，減小沖擊。并利用了ADAMS對(duì)其振動(dòng)系統(tǒng)分析:較普通的剛性連接，本懸架可以減小大約三倍的沖擊力，為林業(yè)研究中精密儀器的運(yùn)輸提供可靠環(huán)境。

［1］白 帆，白勝文，肖 冰，等．我國木材生產(chǎn)機(jī)械的發(fā)展(二)——集材機(jī)械［J］．林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2013，41(2):18-21．

［2］馮 敏，王猛猛，陳 劭．基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的某轎車懸架性能仿真分析［J］．林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2015，43(2):33-36．

［3］王其東，梅雪晴．汽車半主動(dòng)懸架的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué) 版)，2013，36(11):1289-1294．

［4］武云鵬，管繼富，顧 亮．車輛半主動(dòng)懸架自適應(yīng)控制［J］．兵工學(xué)報(bào)，2011，32(2):242-246．

［5］陳 杰，趙 強(qiáng)，孫 驍，等．1/4車輛半主動(dòng)懸架的模糊控制研究［J］．機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2014，27(2):17-18．