摘要：針對現(xiàn)國產(chǎn)大功率拖拉機駕駛舒適性差、易駕駛疲勞、作業(yè)效率低等問題，設(shè)計一種非獨立懸浮前橋，運用仿真分析、邊界試驗、響應(yīng)試驗、隔振質(zhì)量試驗等對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化確定。按照懸浮前橋壽命15 000 h，拖拉機最高時速40 km/h，最大制動減速度5 m/s2，懸浮量±65 mm的邊界，結(jié)合理論分析與經(jīng)驗設(shè)計，初步確定懸浮前橋剛度值310～980 N/mm，對應(yīng)的無阻尼固有頻率范圍小于2.0 Hz；阻尼系數(shù)范圍0.2～0.7 s-1；模式切換時，位置調(diào)整時間6～30 s，泄壓時間小于30 s。仿真分析與邊界試驗的結(jié)果表明：懸浮前橋滿足15 000 h壽命要求，滿足40 km/h最高時速，最大制動減速度5 m/s2的使用需求。經(jīng)響應(yīng)試驗驗證及優(yōu)化，模式切換時，位置調(diào)整時間為3.57～14.71 s，泄壓時間小于16.69 s。隔振質(zhì)量試驗表明，無阻尼固有頻率小于1.8 Hz，阻尼系數(shù)0.45～0.56 s-1。

關(guān)鍵詞：懸浮前橋；拖拉機；獨立側(cè)最小加速度；振動譜；傅里葉變換

中圖分類號：S232.3; S24" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 10?0162?08

Design， commissioning and test of suspension front axle of high?power tractor

Zhao Wenke1， Fu Shuai1， Zhang Liyuan1， Dong Yunpeng2， Jia Qiang2， Zhu Hao1

（1. Weichai Lovol Intelligent Agricultural Technology Co.， Ltd.， Weifang， 261200， China;

2. Shandong Weichai Lovol Transmission Co.， Ltd.， Linyi， 273300， China）

Abstract： In view of the problems of poor driving comfort， easy driving fatigue and low working efficiency of the domestic high?horsepower tractor， a non?independent suspension front axle is designed， the structural parameters are optimized and determined by simulation analysis， boundary test， response test and vibration isolation quality test. According to the boundary of suspension front axle life of 15 000 hours， tractor maximum speed of 40 km/h， maximum braking deceleration of 5 m/s2， suspension capacity of ±65 mm， combined with theoretical analysis and empirical design， the stiffness value of the suspension front axle is initially determined to be 310-980 N/mm， and the corresponding undamped natural frequency range is less than 2.0 Hz. The damping coefficient range is 0.2-0.7 s-1. When the mode is switched， the position adjustment time is 6-30 s， and the pressure relief time is less than 30 s. The results of simulation analysis and boundary test show that the suspension front axle meets the life requirement of 15 000 hours， the maximum speed of 40 km/h and the maximum braking deceleration of 5 m/s2. After the response test and optimization， the position adjustment time is 3.57-14.71 s and the pressure relief time is less than 16.69 s when the mode is switched. The vibration isolation quality test shows that the undamped natural frequency is less than1.8 Hz， and the damping coefficient is 0.45-0.56 s-1.

Keywords： suspension front axle; tractor; independent side minimum acceleration; vibration spectrum; Fourier transform

0 引言

拖拉機作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要機械設(shè)備，主要工作區(qū)域路面顛簸不平，嚴重影響了拖拉機的作業(yè)質(zhì)量和駕駛舒適性[1?3]。通過懸浮前橋可以將拖拉機前輪與底盤解耦，這種解耦實現(xiàn)了兩個目的，一是保護其獨立側(cè)部件（底盤、駕駛室）免受其輸入側(cè)部件（地面、車輪）的速度和加速度的影響，獨立側(cè)達到最小加速度，給駕駛員提供更舒適的駕駛體驗[4?7]；二是使垂直車輪力的時間歷程更加平滑，減少打滑、提高牽引力的傳遞。車輛配置滿足上述功能后，與沒有懸浮前橋的拖拉機相比，可以以更快的速度行駛、作業(yè)[8?11]。

拖拉機懸浮前橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計以行駛安全為原則；性能參數(shù)的設(shè)計以人體對于振動的感知為標準，以基礎(chǔ)激勵下單質(zhì)量振蕩器特性為依據(jù)；調(diào)試與試驗的設(shè)計，以滿足拖拉機的實際使用需求為準則。我國拖拉機懸浮前橋的技術(shù)已經(jīng)取得了部分成果。山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院的全獨立式懸浮轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋[12]，設(shè)計了一種采用負載敏感變量柱塞泵的全獨立式懸浮轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋的液壓系統(tǒng)。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院對拖拉機前橋懸架參數(shù)匹配及其對振動特性的影響進行了深入研究[13]，設(shè)計了一套基于CAN 總線的電氣控制系統(tǒng)，并詳細設(shè)計了硬件與軟件系統(tǒng)。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院對大功率拖拉機懸浮式前橋懸架插裝式比例閥建模與設(shè)計進行了設(shè)計及驗證[14]，設(shè)計了用于前橋懸架系統(tǒng)的插裝式比例閥液壓系統(tǒng)回路，并對工作機理進行了分析，建立了非線性數(shù)學(xué)模型，明確了設(shè)計部件與懸架性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，并實現(xiàn)多種模式的前橋懸架阻尼調(diào)節(jié)。上述研究在懸浮橋功能開發(fā)和性能升級上取得了可觀成就，但并未結(jié)合懸浮橋結(jié)構(gòu)，進一步對懸浮橋與拖拉機匹配后驗證功性能實現(xiàn)的試驗方法和標準進行分析。

本文在闡明拖拉機非獨立懸浮前橋功性能實現(xiàn)原理的基礎(chǔ)上，重點針對懸浮前橋結(jié)構(gòu)的功性能、可靠性展開研究，并在拖拉機整車上運用響應(yīng)試驗、隔振質(zhì)量試驗，對懸浮前橋的實際結(jié)構(gòu)可靠性、功性能參數(shù)進行優(yōu)化確定。

1 懸浮前橋設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本文重點設(shè)計應(yīng)用于大功率拖拉機的非獨立懸浮前橋。其包括自動、手動、鎖定、校準四種模式，能夠?qū)崿F(xiàn)運輸、犁耕、旋耕、播種、前裝載等多種應(yīng)用工況下，系統(tǒng)固有頻率小于2.0 Hz的功性能需求。非獨立懸浮前橋由三部分組成，懸架結(jié)構(gòu)、彈性阻尼系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，三維模型如圖1所示。懸浮前橋主要輸入?yún)?shù)表如表1所示。

懸架結(jié)構(gòu)采用帶旋轉(zhuǎn)點、下置縱長軸搖臂結(jié)構(gòu)；彈性阻尼系統(tǒng)采用雙作用油缸與蓄能器組成的液壓氣動阻尼系統(tǒng)；控制系統(tǒng)算法根據(jù)二階可變預(yù)加載系統(tǒng)設(shè)計，集成到整車VCU中，通過HMI界面，實現(xiàn)自動、手動、鎖定、校準模式的切換。

1.2 懸架結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1.2.1 懸架結(jié)構(gòu)受力分析

采用帶旋轉(zhuǎn)點、懸浮油缸前置、縱長軸搖臂結(jié)構(gòu)，對懸浮前橋運動情況進行分析，懸浮前橋作業(yè)時，運動拓撲是繞搖擺軸軸線的搖擺運動與繞搖臂旋轉(zhuǎn)軸軸線的懸浮運動的復(fù)合運動[15]，如圖2所示。

單獨分析搖擺運動與懸浮運動，搖擺運動受力分析與剛性橋一致，對懸浮運動進行受力分析，如圖3所示。

作業(yè)過程中，懸浮前橋隨地面沖擊，在懸浮行程內(nèi)繞搖臂旋轉(zhuǎn)軸軸線上下懸浮運動，極限情況出現(xiàn)在最大減速度時，此時懸浮前橋受到的垂直地面方向的支反力FFA及與行進方向相反的制動力FBF形成的合力Fres會產(chǎn)生繞搖臂旋轉(zhuǎn)軸方向的扭矩MPP，懸浮結(jié)構(gòu)的設(shè)計保證MPP的方向為順時針。

根據(jù)圖3可知

[MPP=Fres ? Lres≥0] （1）

式中： [MPP]——制動時，懸浮前橋在搖臂旋轉(zhuǎn)軸處產(chǎn)生的扭矩，N ? m；

[Fres]——制動時，懸浮前橋地面支反力與制動力的合力，N；

[Lres]——制動時，[Fres]對于搖臂旋轉(zhuǎn)軸的力臂，m。

懸浮前橋緊急制動時，在搖臂旋轉(zhuǎn)軸處會產(chǎn)生運動過程中的最大扭矩，若扭矩為逆時針方向，通過搖臂，會產(chǎn)生將油缸活塞拔出的力，該力過大時油缸活塞被完全拔出，破壞懸浮系統(tǒng)機械機構(gòu)，懸浮前橋失效。若扭矩為順時針方向，會產(chǎn)生將活塞壓緊的力，通過油缸行程末端阻尼及前橋與底盤支架之間的機械止動結(jié)構(gòu)，懸浮前橋可實現(xiàn)既定功能。

懸浮前橋懸架結(jié)構(gòu)尺寸在此邊界的基礎(chǔ)上，根據(jù)整車的最大減速度、整車不同工況的重量、軸距、質(zhì)心坐標、前后橋坐標確定。

1.2.2 懸浮前橋參數(shù)的初步確定

懸浮前橋懸架結(jié)構(gòu)確定后，根據(jù)使用需求確定懸浮前橋性能參數(shù)。懸浮前橋性能以對振動的隔離質(zhì)量評價。隔離質(zhì)量用傳遞率隨激勵頻率的變化曲線表示，變化曲線是固有頻率與阻尼比的函數(shù)。

根據(jù)變化曲線，只有在高于[2]倍的固有頻率f范圍內(nèi)，才能達到隔振的目標[16]，因人體對于振動頻率主觀舒適性的感知范圍為1～4 Hz，懸浮系統(tǒng)固有頻率在小于2.82 Hz的范圍內(nèi)，數(shù)值越小，隔振效果越好，懸浮系統(tǒng)舒適性越高。但懸浮系統(tǒng)的固有頻率受整車承載范圍、整車布置、懸浮系統(tǒng)位移量等多項參數(shù)共同影響。

本文設(shè)計的懸浮前橋是在綜合考慮了整車布置及其他元件參數(shù)選擇的情況下，經(jīng)設(shè)計計算，初步確定懸浮前橋的懸浮量為±65 mm，固有頻率為小于2.0 Hz [17]，位置調(diào)整時間6～30 s，泄壓時間小于30 s。根據(jù)變化曲線，阻尼越高，固有頻率f范圍內(nèi)傳遞率越低，超過固有頻率，傳遞率變差，懸浮系統(tǒng)阻尼的選擇是在具有固有頻率的激勵情況下的足夠阻尼和超過固有頻率的可能低阻尼之間的折中，結(jié)合固有頻率范圍，初步確定懸浮前橋阻尼系數(shù)取值范圍為0.2～0.7 s-1。根據(jù)固有頻率與阻尼系數(shù)的范圍，確定彈性阻尼系統(tǒng)類型及參數(shù)。

1.3 剛度與阻尼系數(shù)的分析及確定

1.3.1 剛度分析及確定

大功率拖拉機前橋懸掛質(zhì)量范圍為1 400～8 500 kg，對懸浮前橋的工作過程進行分析，限制因素是在不同的承載下，實現(xiàn)同樣的隔離質(zhì)量，結(jié)合性能、空間、可靠性要求，采用由雙作用油缸與蓄能器組成、帶恒定液壓預(yù)載的液壓氣動懸浮系統(tǒng)[17?19]，懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，彈簧剛度[17]

[c=n?（Ff+pv?AR）2pok?Vok+n?pv2?AR2poR?VoR] （2）

式中： n——蓄能器內(nèi)氣體多變指數(shù)；

[Ff]——懸浮系統(tǒng)受到的懸掛力，N；

[pv]——液壓油缸環(huán)側(cè)預(yù)緊壓力，MPa；

[AR]——液壓油缸環(huán)側(cè)面積，cm2；

[pok]——液壓油缸活塞側(cè)蓄能器能預(yù)充壓力，MPa；

[Vok]——活塞側(cè)蓄能器容積，L；

[poR]——液壓油缸環(huán)側(cè)蓄能器能預(yù)充壓力，MPa；

[VoR]——環(huán)側(cè)蓄能器容積，L。

單質(zhì)量振蕩器的固有頻率[17]

[f=12π?cm] （3）

式中： m——懸掛質(zhì)量，kg。

已知懸浮前橋的無阻尼固有頻率f小于2.0 Hz，懸掛質(zhì)量m范圍1 400～8 500 kg，蓄能器氣體選用N2，懸浮行程±65 mm，式（2）代入式（3），根據(jù)邊界條件，確定n取1.3，[pv]取8.6 MPa，[AR]取15.6 cm2，[pok]取7.3 MPa，[Vok]取1.4 L，[poR]取6.5 MPa，[VoR]取0.55 L?？傻脩腋∏皹虻膽覓熨|(zhì)量—剛度曲線，如圖5所示。

通過曲線，可知為達到懸浮前橋懸掛質(zhì)量m范圍內(nèi)相同的隔振效果，懸浮前橋剛度c需隨懸掛質(zhì)量m非線性取值，為310～980 N/mm，因剛度曲線難以通過試驗獲得，故在后續(xù)的試驗驗證階段，通過測量固有頻率的形式評價。

1.3.2 阻尼系數(shù)初步確定

本文所述的懸浮前橋，蓄能器通過液壓油管與懸浮油缸連接，懸浮前橋的阻尼主要由蓄能器與液壓油缸之間液壓油流動過程中的產(chǎn)生的內(nèi)部流體摩擦提供，是路徑中管口的直徑變化的函數(shù)。初步確定路徑中三次管口變化，分別為活塞側(cè)自油缸至蓄能器1.8 mm、14 mm、20 mm；桿側(cè)自油缸至蓄能器2.2 mm、16 mm、20 mm。

根據(jù)式（4）[17]阻尼與液壓油流量的函數(shù)關(guān)系，初步計算阻尼系數(shù)取值范圍為0.2～0.7 s-1。

[?p=V?KB] （4）

式中： [KB]——與孔的幾何形狀、尺寸以及液壓油密度相關(guān)的常數(shù)；

[?p]——路徑中的壓力損失，Pa；

[V]——體積流量，m3/s。

除蓄能器與液壓油缸之間的流體摩擦提供的主要阻尼外，系統(tǒng)中機械部件的摩擦、液壓部件密封的摩擦、油嘴中的液壓阻力、蓄能器壁上的熱耗散也會提供次要阻尼，該部分阻尼難以通過理論計算，故懸浮前橋的阻尼系數(shù)還需要通過后續(xù)的試驗進一步驗證、優(yōu)化。

1.4 控制邏輯及參數(shù)

論述的懸浮前橋有主動、鎖定、手動、校準四種模式，控制系統(tǒng)實現(xiàn)三個功能：一是根據(jù)HMI人機交互界面輸入的信號，控制液壓回路中電磁閥的動作，實現(xiàn)懸浮前橋模式的切換；二是通過監(jiān)控位置、速度、壓力信號的變化，實現(xiàn)自動模式下懸浮前橋位置、剛度的自主調(diào)節(jié)；三是識別系統(tǒng)故障，發(fā)出預(yù)警，進入保護模式[20]。

模式切換邏輯：根據(jù)HMI信號及邏輯運算關(guān)系，打開相應(yīng)電磁閥4.1、電磁閥4.2、電磁閥4.3，液壓系統(tǒng)介入，調(diào)整位置、壓力回到閾值范圍。

自主調(diào)節(jié)邏輯：自動模式下，關(guān)閉電磁閥4.1、電磁閥4.2、電磁閥4.3，實時監(jiān)測表2中角度傳感器、壓力傳感器、時間信號，信號之間存在邏輯運算關(guān)系，若信號的測量值超出閾值，則根據(jù)運算關(guān)系打開對應(yīng)電磁閥4.1、電磁閥4.2、電磁閥4.3，液壓系統(tǒng)介入，調(diào)整位置、壓力回到閾值范圍。

保護模式：識別邏輯運算關(guān)系中會導(dǎo)致進入錯誤循環(huán)的值，錯誤值出現(xiàn)時，系統(tǒng)報錯，根據(jù)運算關(guān)系打開或關(guān)閉對應(yīng)電磁閥4.1、電磁閥4.2、電磁閥4.3，液壓系統(tǒng)介入，狀態(tài)重置。

控制系統(tǒng)信號如表2所示，液壓氣動懸浮系統(tǒng)簡圖如圖6所示。

控制系統(tǒng)的參數(shù)影響懸浮系統(tǒng)的反應(yīng)速度，反應(yīng)速度與駕駛安全和駕駛舒適性相關(guān)，控制系統(tǒng)參數(shù)的取值是駕駛安全性與舒適性權(quán)衡后的結(jié)果。

自動模式下：閾值為中間位置超出懸浮量±3%，且時間超過3 s，主動控制系統(tǒng)介入；位置返回中間位置±3%懸浮量內(nèi)，壓力平穩(wěn)3 s后，主動控制退出，返回自動控制。

模式切換：最低位到中位，最輕懸掛質(zhì)量狀態(tài)時間5 s、最重懸掛質(zhì)量狀態(tài)時間10 s；中位到最低位，最輕懸掛質(zhì)量狀態(tài)時間10 s、最重懸掛質(zhì)量狀態(tài)時間3 s；對應(yīng)時間參數(shù)，圖6所示的節(jié)流孔7.1、7.2、8，直徑分別為0.6 mm、0.8 mm、1.5 mm。

控制系統(tǒng)軟件完成后，進行硬件在環(huán)仿真，識別并修正邏輯錯誤。

2 優(yōu)化與驗證試驗

為驗證懸浮前橋結(jié)構(gòu)的可靠性及主要功性能參數(shù)。對主要結(jié)構(gòu)進行仿真分析、邊界試驗及耐久性驗證，通過響應(yīng)試驗、阻尼試驗對性能參數(shù)進行調(diào)試、優(yōu)化后，通過隔振質(zhì)量試驗對功能進行驗證。

2.1 仿真模型與模型參數(shù)確定

在UG軟件中繪制懸浮前橋的三維模型，將三維模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中，采用3D四面體網(wǎng)格進行劃分，使用Abqus 2021.hf8軟件進行計算，主要部件的微觀參數(shù)如表3所示，托架、連接座、前橋殼體、搖臂材料均為QT500-7，表中以托架為代表，懸浮前橋仿真模型圖如圖7所示。

2.2 仿真結(jié)果與分析

懸浮前橋的前橋殼體、連接板、托架強度需要在高速行駛、單輪支撐、側(cè)滑3狀態(tài)下模擬。高速行駛工況設(shè)側(cè)向力和縱向力為0，在左右前輪上的垂直反力分別為FzL、FzR，KD動載系數(shù)取3.5；單輪支撐工況因兩側(cè)基本對稱，只計算一側(cè)，此時前橋單側(cè)垂直方向進行約束，前輪輪距2 500 mm，擺角12°，動載系數(shù)取1.33；側(cè)滑工況設(shè)置縱向力為0，搖擺軸中心高度780 mm，前輪側(cè)向附著系數(shù)取1.23。三種工況安全系數(shù)均要求大于1。

[FzL=FzR=KDG1/2] （4）

式中： [G1]——靜止時前橋承受的垂直載荷，N。

搖臂、連接襯套在搖擺沖擊、單側(cè)向前碰撞、單側(cè)向后碰撞三種工況下模擬。搖擺沖擊位置選擇自動模式的行程中位和鎖定模式的行程最低位兩個位置，懸浮前橋懸掛質(zhì)量m選擇最大質(zhì)量8 500 kg，按照15 000 h的使用壽命，沖擊系數(shù)取1.13，循環(huán)次數(shù)2 000次；單側(cè)向前碰撞，懸浮前橋懸掛質(zhì)量m選擇行駛狀態(tài)值4 599 kg，按照15 000 h的使用壽命，沖擊系數(shù)取1，輪胎減速度9.8 m/s2，循環(huán)次數(shù)左右各50次；單側(cè)向后碰撞，懸浮前橋懸掛質(zhì)量m選擇行駛狀態(tài)值4 599 kg，按照15 000 h的使用壽命，沖擊系數(shù)取1，輪胎減速度0.5 g，循環(huán)次數(shù)左右各350次。三種工況安全系數(shù)均要求大于1，前橋強度分析結(jié)果如表4所示，搖臂強度分析結(jié)果如表5所示。

由表4、表5可知，六種懸浮前橋極限使用工況下，結(jié)構(gòu)件安全系數(shù)均大于1，結(jié)構(gòu)件最終狀態(tài)滿足可靠性需求。

2.3 響應(yīng)試驗與優(yōu)化

對懸浮前橋的響應(yīng)速度進行試驗驗證及優(yōu)化。需要測量的數(shù)據(jù)有：環(huán)境溫度、油溫、油壓、閥組狀態(tài)、懸浮前橋位置。所有數(shù)據(jù)在同一時間軸上，所有數(shù)據(jù)通過車輛VCU獲得，油溫、油壓同步通過IPEmotion數(shù)采設(shè)備采集，用于對比校準。m取值范圍1 400～8 500 kg，不同懸掛質(zhì)量m狀態(tài)下響應(yīng)速度不同，取最大值、最小值、兩組中間值，共四種狀態(tài)進行測量，測量順序：t1：前橋懸掛從50%降低到0%；t2：活塞壓力降至0 MPa；t3：環(huán)壓力增加到10.5 MPa；t4：壓力建立時間；t5：活塞壓力增加；t6：環(huán)壓力降低；t7：前橋懸掛從0%提升到100%；t8：前橋懸掛從100%降低到0%。

每種狀態(tài)進行4次測量循環(huán)，4次測量結(jié)果取平均值，四種不同懸掛質(zhì)量m狀態(tài)下響應(yīng)測試結(jié)果如表6所示。其中，最大m為8 500 kg，中間[m1]為7 500 kg，中間[m2]為5 500 kg，最小m為1 400 kg。相同懸掛質(zhì)量m下的4次測量結(jié)果沒有出現(xiàn)明顯的擴散，且結(jié)果高度相似。

結(jié)果顯示，位置調(diào)整時間t1范圍3.5～12.84 s、t4+t5范圍5.45～11.81 s、t7范圍4.01～8.80 s、t8范圍6.87～14.71 s；泄壓時間t2為1.14～16.69 s。試驗結(jié)果表明，節(jié)流孔7.1、7.2、8，直徑分別為0.6 mm、0.8 mm、1.5 mm的設(shè)計，最高響應(yīng)時間滿足6～30 s的要求，最低響應(yīng)時間低于理論設(shè)計值6 s，實際響應(yīng)速度優(yōu)于理論設(shè)計值。實際值與理論值的偏差，分析為整車實際載荷分布、環(huán)境溫度、油路布置與設(shè)計值的偏差導(dǎo)致。

2.4 邊界試驗

上文所述的響應(yīng)試驗為靜態(tài)試驗，整車靜止。自邊界試驗開始，后續(xù)文中分析的試驗均為動態(tài)試驗，采集信號增加。除從整車VCU獲取的環(huán)境溫度、油溫、油壓、閥組狀態(tài)、懸浮前橋位置信號外，還需從整車VCU采集輪速、用外接GPS設(shè)備采集車速及軌跡，用356 A25加速度傳感器及eDAQ數(shù)采設(shè)備采集車輪加速度、底盤加速度信號，加速度傳感器坐標系采用右手定則，與整車坐標軸平行，安裝到兩側(cè)車輪及底盤，加速度計安裝位置如圖8所示。數(shù)采過程所有采集數(shù)據(jù)要求同一時間軸，故所有信號源均接入整車VCU，自VCU輸出所有數(shù)據(jù)。

根據(jù)受力分析，懸浮前橋制動過程中的功性能表現(xiàn)是安全性和駕駛舒適性的邊界，對制動過程的表現(xiàn)進行測試，分析是否存在異常振動。制動試驗設(shè)計3種變量，路面、車速、制動力；路面選用3種：水泥路、田間硬路面、田間松軟土地；車速選用2種速度，20 km/h、40 km/h；制動力共4種，輕踩制動、中度踩制動1、中度踩制動2、重踩制動，4種制動力大小分別為100 N±20%、200 N±20%、400 N±20%、600 N±20%。制動測試中，在試驗規(guī)定的測量路面下，行駛到試驗速度后，按照既定的制動力進行整車制動。測量自制動開始時至整車靜止時，懸浮前橋的實際位置及位置持續(xù)時間，位置用百分比表示，時間單位為s，數(shù)據(jù)共24組。對制動過程的24組數(shù)據(jù)進行分析，懸浮前橋的位置分布結(jié)果符合正態(tài)分布，全過程無觸底，邊界試驗結(jié)果良好，懸浮前橋位置—時間分布圖如圖9所示。

2.5 阻尼試驗結(jié)果及分析

在整車靜止?fàn)铙w下，對懸浮前橋進行跌落試驗，懸浮前橋持續(xù)幾個振蕩周期，直到摩擦力使其停止。計算過程直接使用角度傳感器的電壓信號表示懸浮前橋位置變化，通過兩個連續(xù)的相對振幅分析阻尼，最終確定阻尼系數(shù)。

如上文所述，因為懸浮前橋不是簡單的彈簧/質(zhì)量模型，而是包含蓄能器與各種熱效應(yīng)的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，且整車包含輪胎、駕駛室、后提升等多種振蕩系統(tǒng)，具有多個摩擦源，理論計算值提供指導(dǎo)，需要通過阻尼試驗，確定實際阻尼系數(shù)，判斷是否進一步優(yōu)化。

取5組懸掛質(zhì)量m進行測試，分別為最小懸掛質(zhì)量m為1 400 kg、最大懸掛質(zhì)量m為8 500 kg及三組中間值3 500 kg、4 500 kg、6 500 kg、。每種懸掛質(zhì)量進行10次循環(huán)，取均值。阻尼試驗角度傳感器信號導(dǎo)出的懸浮前橋的時間-位置分布如圖10所示。

阻尼試驗計算時，每個振幅振蕩周期沒有定義的中間位置，第一步用三個交替振幅計算中位，之后計算實際振幅。長時間的振蕩表明，阻尼系數(shù)在整個振蕩過程中不恒定，隨著時間的推移而增加，隨著前橋負載的增加，阻尼略有下降。經(jīng)計算，每種工況下振蕩在3～4個周期內(nèi)停止，第1、第2振幅之間的平均阻尼系數(shù)為0.45 s-1，第2、第3振幅之間的平均阻尼系數(shù)為0.56 s-1，第3振幅之后的振幅不具有計算意義，阻尼滿足使用需求，無需調(diào)整孔口直徑。

2.6 干擾因素試驗

在進行動態(tài)的隔振質(zhì)量試驗之前，需要確定試驗中的可能存在的干擾頻率，進行干擾因素試驗。整車靜止?fàn)顟B(tài)，在最大懸掛質(zhì)量m為8 500 kg、最小懸掛質(zhì)量m為1 400 kg下，進行發(fā)動機試驗。整車啟動后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速升至800 r/min，轉(zhuǎn)速每穩(wěn)定20 s后發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加100轉(zhuǎn)，增至2 100 r/min結(jié)束。采集每種轉(zhuǎn)速下底盤上傳感器在z方向的加速度值，對加速度值進行傅里葉變換，確定干擾頻率在20 Hz以上，主頻率均在發(fā)動機主階之間，20 Hz以下沒有其他干擾頻率。

2.7 隔振質(zhì)量試驗

對懸浮前橋的隔離質(zhì)量進行檢驗，懸浮前橋在鎖定與開啟狀態(tài)下分別進行相同操作，進行對比試驗。變量為懸掛質(zhì)量、車速、路面。整機懸掛質(zhì)量m選取最小懸掛質(zhì)量1 400 kg、最大懸掛質(zhì)量8 500 kg及兩組中間值4 500 kg、6 500 kg；車速選擇5 km/h、10 km/h、15 km/h、20 km/h、25 km/h、30 km/h、35 km/h、40 km/h八組車速；路面選擇瀝青路面、顛簸路面、單脈沖路面、田間路面四種路面，測試路面如圖11所示。

測量懸浮前橋開啟及鎖定模式下，左右輪胎與底盤的加速度變化，對加速度進行傅里葉變換，分析懸浮前橋?qū)φ駝拥母綦x情況。

以顛簸路、4 500 kg懸掛質(zhì)量、25 km/h速度下的測試為例，展示測試結(jié)果。圖12為鎖定狀態(tài)下、測量時間內(nèi)的振幅譜，振幅譜圖的顏色表示激勵的均方根值，單位為g，經(jīng)傅里葉變換的頻率譜圖中綠色曲線為底盤振幅譜，藍色、紅色曲線為左右輪振幅譜；圖13為懸浮開啟狀態(tài)下的振幅譜及頻率譜，參數(shù)與圖12一致。通過振幅譜計算，可知懸浮狀態(tài)下振幅明顯降低；由頻率譜計算可知，懸浮前橋?qū)?.8 Hz頻率以上的振動，起到了很好的隔離效果。對其余255組數(shù)據(jù)采取同樣的處理方式，256組數(shù)據(jù)均顯示懸浮系統(tǒng)的無阻尼固有頻率小于1.8 Hz，結(jié)果優(yōu)于預(yù)期。

2.8 試驗驗證

對整車進行了田間試驗驗證，試驗總時長2 500 h，地區(qū)包含新疆、東北、內(nèi)蒙、廣西、河南、山東，工況包含犁耕、整地、旋耕、播種、運輸，溫度跨度自-20 ℃～35 ℃，田間試驗主要驗證懸浮前橋的耐久性及用戶體驗，不接入任何采集設(shè)備，2 500 h田間試驗結(jié)束后，懸浮前橋結(jié)構(gòu)無損壞，用戶反饋舒適度明顯提高。

3 結(jié)論

1） 針對現(xiàn)有大功率拖拉機駕駛舒適性差的問題，結(jié)合大功率拖拉機使用經(jīng)濟性、懸浮結(jié)構(gòu)耐久性及行駛安全性，設(shè)計一種大功率拖拉機非獨立懸浮前橋，結(jié)合理論分析及設(shè)計經(jīng)驗，初步確定懸浮前橋的主要參數(shù)：剛度值310～980 N/mm，剛度對應(yīng)的無阻尼固有頻率小于2.0 Hz；阻尼系數(shù)范圍0.2～0.7 s-1；模式切換時，位置調(diào)整時間6～30 s，泄壓時間小于30 s。

2） 通過進一步對懸浮前橋進行仿真分析、響應(yīng)試驗、邊界試驗及田間試驗，結(jié)果確定懸浮前橋滿足15 000 h壽命要求，滿足40 km/h最高時速，5 m/s2最大制動減速度的使用需求，模式切換時，位置調(diào)整時間為3.57～14.71 s，泄壓時間小于16.69 s，響應(yīng)效果優(yōu)于預(yù)期。

3） 經(jīng)阻尼試驗、隔振質(zhì)量試驗對懸浮前橋的功性能進行檢驗，確定懸浮前橋的無阻尼固有頻率小于1.8 Hz，阻尼系數(shù)0.45～0.56 s-1，試驗結(jié)果顯示性能優(yōu)于預(yù)期。為拖拉機懸浮前橋的設(shè)計及性能檢驗提供參考。

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