殷金祥，岳濤，王軍龍

卡車(chē)駕駛室準(zhǔn)零剛度懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

殷金祥，岳濤，王軍龍

（濰柴動(dòng)力上海研發(fā)中心，上海 201114）

針對(duì)卡車(chē)行駛過(guò)程中駕駛室低頻振動(dòng)問(wèn)題，結(jié)合輕卡駕駛室懸置的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種準(zhǔn)零剛度懸置系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)這種準(zhǔn)零剛度懸置系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)分析，推導(dǎo)出其力-位移特性關(guān)系和剛度-位移特性關(guān)系，并得到這種懸置系統(tǒng)在平衡位置滿足準(zhǔn)零剛度特性的前提條件，通過(guò)其特性關(guān)系，可知這種懸置系統(tǒng)具有低頻隔振性能。最后針對(duì)實(shí)車(chē)振動(dòng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)出準(zhǔn)零剛度懸置系統(tǒng)，對(duì)比優(yōu)化前后駕駛室后懸置主、被動(dòng)端振動(dòng)大小，可知這種準(zhǔn)零剛度懸置系統(tǒng)具有很好的低頻隔振效果。

駕駛室；低頻振動(dòng)；準(zhǔn)零剛度懸置；隔振

前言

1 準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)機(jī)理

負(fù)剛度系統(tǒng)是指系統(tǒng)隨著位移的增加力在減少的系統(tǒng)，其力-位移特性如圖1(b)所示。當(dāng)設(shè)計(jì)一種系統(tǒng)使正剛度系統(tǒng)與負(fù)剛度系統(tǒng)并聯(lián)，通過(guò)適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)計(jì)使系統(tǒng)在平衡附近實(shí)現(xiàn)力基本不變，其力-位移特性如圖1(c)所，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在平衡附近剛度接近于零，構(gòu)成準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)，系統(tǒng)在平衡位置附近固有頻率接近于零，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低頻隔振[4-7]。

圖1 隔振系統(tǒng)力-位移曲線示意圖

2 駕駛室懸置系統(tǒng)準(zhǔn)零系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)

2.1 準(zhǔn)零剛度懸置設(shè)計(jì)

圖2 駕駛室懸置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

對(duì)于一般輕卡駕駛室懸置設(shè)計(jì)，前懸置是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，后懸置是橡膠支撐機(jī)構(gòu)，如圖2(a)所示，容易發(fā)生俯仰模態(tài)振動(dòng)問(wèn)題，這種機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為搖桿OA及彈簧組成的振動(dòng)機(jī)構(gòu)。在后懸置位置增加一水平彈性機(jī)構(gòu)AC，和原駕駛室系統(tǒng)構(gòu)成準(zhǔn)零剛度懸置系統(tǒng)，如圖2(b) 所示。駕駛室處于水平時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，水平彈性機(jī)構(gòu)AC處于壓縮狀態(tài)。

2.2 準(zhǔn)零剛度懸置系統(tǒng)特性

駕駛室準(zhǔn)零剛度懸置系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為連桿機(jī)構(gòu)，其于尺寸關(guān)系及受力狀態(tài)如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)處于水平平衡位置時(shí)，系統(tǒng)支撐力由彈簧K1提供，彈簧K2處于壓縮狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)偏離平衡位置時(shí)，處于壓縮狀態(tài)的彈簧K2和連桿OA構(gòu)成具有負(fù)剛度特性機(jī)構(gòu)，和彈簧K1并聯(lián)，形成具有準(zhǔn)零剛度特性的懸置系統(tǒng)。

圖3 準(zhǔn)零剛度懸置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

當(dāng)系統(tǒng)偏離平衡位置時(shí)，根據(jù)受力的關(guān)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(jù)圖3所示的尺寸關(guān)系，式（3）可轉(zhuǎn)化為：

彈簧AC的恢復(fù)力2為：

式中0為彈簧AC在水平位置時(shí)預(yù)壓縮量。

于是，系統(tǒng)垂直方向的力：

1?（6）

由式（4）、式（5）和式（6），可得：

根據(jù)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(tǒng)具有準(zhǔn)零剛度特性，在平衡位置的剛度為零，并且在一定區(qū)間內(nèi)的剛度值接近于零，能夠使系統(tǒng)在平衡位置附近保持一定的力值不變，從而使系統(tǒng)剛度在平衡位置附近一定范圍內(nèi)接近于零，實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)的隔離。

對(duì)式（7）進(jìn)行位移x求導(dǎo)運(yùn)算，可得系統(tǒng)剛度與位移之間的關(guān)系式，根據(jù)式（8）可得剛度-位移曲線，如圖5所示。

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

3 實(shí)例分析

某輕卡在平直路面上行駛時(shí)，當(dāng)速度達(dá)到53 km/h時(shí)，出現(xiàn)行駛抖動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)測(cè)試駕駛室后懸置主被動(dòng)端振動(dòng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)后懸置在頻率4.8 Hz時(shí)，存在嚴(yán)重放大現(xiàn)象，放大率達(dá)322%，同時(shí)在整個(gè)低頻區(qū)都存在或多或少的放大現(xiàn)象，如圖6所示。

表1 準(zhǔn)零剛度懸置系統(tǒng)參數(shù)表

參數(shù)k1/( N/mm)k2/( N/mm )a/mmb/mmd/mmd0/mm 數(shù)值40079220002020105

圖6 后懸置主被動(dòng)端振動(dòng)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，這臺(tái)車(chē)駕駛室存在4.8 Hz的剛體模態(tài)，后輪胎的一階轉(zhuǎn)頻0～60 km/h時(shí)，激勵(lì)頻率范圍是0～7 Hz之間，根據(jù)隔振理論，傳統(tǒng)的懸置系統(tǒng)在低頻區(qū)是放大的。為解決這類(lèi)問(wèn)題，按照?qǐng)D3所示的準(zhǔn)剛度懸置系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖，設(shè)計(jì)一種零剛度系統(tǒng)，其參數(shù)如表1所示，應(yīng)用此準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)后，測(cè)得駕駛室后懸置主被端振動(dòng)如圖7所示。從圖可以看出通過(guò)該準(zhǔn)零剛度懸置系統(tǒng)，能夠解決懸置低頻隔振問(wèn)題。

圖7 優(yōu)化后懸置主被動(dòng)端振動(dòng)

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合輕卡駕駛室懸置的特點(diǎn)，其前懸置是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，后懸置是橡膠支撐機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種準(zhǔn)零剛度懸置系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)這種準(zhǔn)零剛度懸置系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)分析，推導(dǎo)出其力-位移特性關(guān)系和剛度-位移特性關(guān)系，并得到這種懸置系統(tǒng)在平衡位置滿足準(zhǔn)零剛度特性的前提條件，通過(guò)其特性關(guān)系，可知這種懸置系統(tǒng)具有低頻隔振性能。最后針對(duì)實(shí)車(chē)振動(dòng)問(wèn)題，給出準(zhǔn)零剛度懸置系統(tǒng)的參數(shù)，對(duì)比優(yōu)化前后駕駛室后懸置主、被動(dòng)端振動(dòng)大小，可知這種準(zhǔn)零剛度懸置系統(tǒng)具有很好的低頻隔振效果。

[1] 余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2] 殷金祥.卡車(chē)平順性控制技術(shù)研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2020(15):60- 62+77.

[3] 劉顯臣.汽車(chē)NVH綜合技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[4] 藍(lán)雙剪.叉式準(zhǔn)零剛度隔振器的設(shè)計(jì)及其動(dòng)力學(xué)仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2017(04):20-24.

[5] 紀(jì)晗.基于負(fù)剛度原理的結(jié)構(gòu)減震效果理論分析[J].振動(dòng)與沖擊, 2010(3):91-94.

[6] 李東海.正負(fù)剛度并聯(lián)準(zhǔn)零剛度隔振器的靜態(tài)特性研究[J].強(qiáng)度與環(huán)境,2017(12):31-36.

[7] 王曉杰.準(zhǔn)零剛度扭轉(zhuǎn)隔振器振動(dòng)傳遞特性研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2018(11):49-56.

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(jí)工程師，就職于濰柴動(dòng)力上海研發(fā)中心，主要研究方向：整車(chē)NVH開(kāi)發(fā)。