长春工业大学 赵敌车辆动态分析装载机与悬浮轴文摘 i轮式装载机是一种工程机械主要用来在较短的距离移动未加工的材料因为车辆的设计没有车轮悬架,轮式装载机司机暴露于高水平的全身振动中严重影响司机的舒适性提出了本文的工作就是为轮式装载机添加一个轴悬挂,以减少振动和提高处理质量而悬浮轴潜力巨大提高乘坐舒适性和性能,他们也必然影响到车辆动态行为，在许多方面不同于乘用车或其他道路车辆:轮式装载机有大螺距惯性质量,相比的轴载荷与加载条件相差很大,对车辆使用一个铰接框架转向系统而不是方向盘这些问题都必须考虑在轮式装载机悬挂设计过程中悬浮轴上的影响是通过振动模拟一个多体轮式装载机模型和无轴悬挂来分析的来自仿真结果表明,udinal和垂直加速度的去处以及水平加速度大大降低轴支撑,但这对侧向加速度减小的较小通过减少了轧辊刚度侧向加速度可以进一步减少,尽管这可能不可行,因为操纵稳定性要求俯仰振荡的车辆也被研究过,因为这是已知对乘坐舒适性有很大影响的一个分析模型用于研究前后悬架特征在俯仰响应的轮式装载机上的效果表明一个更强硬的后方悬架是有利于减少倾斜,但用更硬的前悬架是可以达到类似的效应的与多体仿真结果相比,显示相同的分析预测趋势。
通过一个包含性表示一个液压气动悬挂在模型中,同时还发现,有利的动态行为可以维持，当车辆加载时可以利用悬架刚度与轴负载增加这一事实当高速度时，铰接式车辆可能出现横向振荡称为“蛇行”驱动悬浮轴的影响在这些振荡进行分析使用多体仿真模型的轮式装载机使用一个等效辊刚度悬架模型它是利用辊运动的簧上质量有一个略不稳定影响的蜿蜒振荡这个效果更加显著,如果身体转动频率接近的曲线运动的频率,虽然这个损失在稳定性方面可以通过增加等效刚度或阻尼的转向系统来弥补现有的车辆动力学理论一起和设计规则,研究报告这个工作中提供了一个对轮式装载机设计的特殊视角1 介绍1.1 背景建筑机械,有时被称为工程车辆或挖土机,基本上是一个类的自航机械用于土木工程在本论文的工作关注的是一个特殊类施工机械、轮式装载机这车本来是一个类型配备固定的拖拉机,前安装升降手臂由油缸来实现与气体车辆设计不同轮式装载机主要用于运输,它的建立没有任何轴悬挂前面轮子是直接连接到车辆的身体,并且后轴是允许摆动在纵轴,从而允许所有车轮保持接触地面一个示例的一个中型轮式装载机如图1所示装载机主要用于建设或表面开采原油，在较短的距离移动材料,但因为属于多功能性的机器他们也常用于托盘搬运、木材加载和类似的任务.在出现第一个特制的轮式装载机大约50年前,对于提高效率、安全性和可操作性的车辆人们已经付出了很大努力。
然而,对于控制振动或操作稳定方面重视不足传统上,装载机已被视为机器而不是车辆所以驾驶动力学被认为是不太重要然而,自需要提高工作效能和操作者的舒适度不断增长,未来需求为隔振和高速运输能力将需要悬挂系统,允许安全而舒适的驾驶在一个范围的操作条件.这意味着在设计的装载机时车辆动态因素正在成为越来越重要的由于原始汽车设计和粗糙的表面被应用于轮式装载机上,轮式装载机司机经常暴露于高水平的全身振动在短期的角度来看这些振动会影响操作者消极,导致司机疲劳长期暴露于低频率振动也被证明能增加背部疼痛的风险,也被认为是导致各种内脏器官疾病的原因之一.因此,全身振动可以被认为是一个主要的职业危害对于挖土机操作者这也已经成为了各种立法的重点如欧洲振动指令因为轮式装载机没有任何轴支撑,主要隔离从地面激振动是通过轮胎挖土机轮胎通常是大的和软的,因此通过地面粗糙度滤来吸收振动和冲击.从理论上讲,轮胎可以被人为抑制高度虽然这将对振动实际上是非常不切实际的据线图表示,轮胎会吸收大约五到十倍的振动能量为了充分保护操作员来自地面感应振动这将大大影响轮胎的滚动阻力,因此车辆的能源消耗也会增加此外,较大的能量吸收会导致高热力和机械应力在轮胎的材料上,这将加速磨损。
很明显,轮胎设计增加振动隔离很快就会冲突经济和环境方面的考虑驾驶室和座椅悬架也能减少操作员振动水平驾驶室通常安装在橡胶元素上,有时加上一个集成的油箱,从而提供振动隔离通过弹性和粘性阻尼更精致的驾驶室悬架也存在,驾驶室是安装在一个暂停的副框架上的高端的司机座位通常设计用液压或气动阻尼器来缓冲司机从振动和冲击主要限制的阀座和驾驶室悬架有少量的悬挂行程可用来实现的因为这些限制,刚度系数的灵活的元素需要足够高,以避免影响在大量加载时悬挂,因此,本征频率的驾驶室或座椅悬架一般是高于提供隔振在低频率范围的此外,驾驶室和阀座主要是减少振动悬架的垂直方向这可能缓解由活跃的系统[5],尽管潜在的先进技术是座位车辆动态分析装载机与悬浮轴仍然还不清楚还应指出的是,振动隔离的座位通常是减少操作员的姿势不足此外驾驶室和座椅悬架,更大的装载机通常装有升降臂悬挂系统质量和惯性分离的升降手臂在车身上铲斗和提升臂被孤立，车辆通过气体弹簧进入起重液压从而在某种程度上俯仰和垂直振荡,主要是对于一个加载车辆考更大的振动隔离,可以提供全轮悬挂轮式装载机这将意味着灵活的连接车轮车身通过弹簧和阻尼器,就如几乎所有的公路车辆和大多数越野车车辆一样。
轴悬挂有更大的潜力来提高驾驶的舒适性因为可用悬挂行程比较大,也有可能减轻振动在横向和纵向方向的方式通过乘驾驶室和座椅悬架无论如何是不能实现的除了减少司机接触振动、轴悬架也可以提高装载机的工作效率一个挖土机通常根据效率来定义体积,可以用一个指定的时间,工作性能直接关系到最大的实际车辆的速度这个速度是目前很大程度上受限于操作员能够承受振动能力,因此屏蔽来自操作符震动会在实践中增加实现车辆速度一个轴悬挂对减少轮载荷的波动也起作用,从而提高处理质量和操纵稳定性以很高的速度因此悬浮轴不仅对于驾驶的舒适性是有益的也为车辆的效率有益包括暂停轮轮轴在内,很大一部分车辆的质量将振荡在轴支撑而不是简单的轮胎的灵活性这显然会影响到车辆的驾驶性能，自然,增加了车辆的复杂性也将增加总成本和维护需求,这是一个重要的考虑因素悬浮轴有时被用在特定的工程车辆,主要是越野的转储卡车可以使用橡胶弹簧或液压气动作为悬挂元素农业拖拉机、暂停前轮轴越来越普遍和一些模型特性也是用后桥悬挂,应用程序装载机不常见,只能局限于军事模型它们配备悬浮轴来保证高速驾驶,从而允许快速部署和增加战斗生存能力因为之前的信息关于轮式装载机悬挂设计有限,评估目前的设计方法的适用性,以及开发新的方法论,还要求为轮式装载机悬架设计提供必要的知识。
1.2 目标和研究问题本文的目的是为轮式装载机加载悬浮轴提供一种方法论为轮式装载机加载悬浮轴这包括车辆动态行为的分析车辆,以及这种行为将受到影响,通过增加悬挂总之,研究问题可以被制定为:潜在的好处和增加悬挂轮装载机的问题是什么,考虑到汽车特定的车辆动态性能了吗?选定的研究方法是使用不同复杂性的仿真模型系统地研究车辆的动态行为分析方法用于预测的基本特征,并提供输入更多准确的模拟这个方法需要足够的车辆动态模型和客观的驾驶和操作舒适性的评定因此,工作中的一个重要部分是也调查需要什么造型工具模拟研究的装载机图2:剖开立体图的现代轮式装载机现代轮式装载机铰接式拖拉机后置式发动机基本上是用前置升降实现的,当车轮车轴不悬浮,后桥通常是安装在一个旋转接头上允许车轮接触在不平坦的地面上,尽管一些模型由一个联合中心完成这一联合,然而它也允许接合和转动位移当研究车辆动态行为的轮式装载机,一些重要的特征要明确:车辆质量:现代装载机范围在质量,从2 000 - 3 000公斤紧凑机器非常大矿业装载机总质量超过200 000公斤多数的车辆范围在10 000 - 000公斤因此,一个平均大小的轮式装载机相当于一辆重型卡车的总质量。
然而,完整的车子的重量只有两个车轴支撑这意味着悬挂组件必须强大到足以维持车辆轴的加载,这是远非道路车辆的重量可比的车辆轴距是相对较短的,特别是影响俯仰动力学同时,大型车辆质量和越野车的使用意味着专业轮胎也要被使用,它可能会有不同于乘用车轮胎的特性轴载荷变化:最大负荷的轮式装载机通常是大约60%的卸下车重与一辆卡车或其他货运车辆不同,这个负载由前轴进行加载,意味着不仅质量增加的同时,重心转移前移通常,前轴上的负载会增加约三到四倍当车辆装载时,而后桥载荷减小大约三分之二的静态轴重的卸载这也影响了车辆的俯仰转动惯量因此,轮式装载机悬架必须能够处理这种大范围的轴负载同时,当举升时重心将向上移.虽然这与驾驶和控制无关，然而在高速驾驶时举升臂通常放在下面较低的位置,它仍然是静态稳定和短周期加载应该注意的重要事项装载机通常配备铰接框架操纵这意味着车辆分离在锋面和后框架,连接着垂直转动关节获得的转向角是通过改变相对角前方及后方之间在偏航平面,而不是引导车轮上的阿克曼操纵车辆这个操纵装置的优势是转弯半径小和一个更健壮的设计,但它也有缺点那就是是降低静态稳定转弯的时候在停滞的重心是在位移的外侧与阿克曼转向相比,铰接框架转向有几方面不同。
数学公式的车辆动力学是平面更加复杂和灵活的转向系统这可能导致在高速开车时不稳定复杂的动力:一个客运车辆可以通过一个单一的刚体模型描述的相当好,动力学的重型车辆是更复杂的这主要因为车辆由几种重型零件和灵活的元素组成各自的固有频率都在同一数量级这将作为整个车辆的刚体频率类似的条件也存在重型卡车上面,制定简单的和准确的模型更加困难,因为一些车辆零件导致低频车辆振动虽然简化模型可以用于初步设计考虑,一个更加精炼的振动分析需要加入更多的车辆零部件不仅仅是车辆的身体从上面的清单可以看到,轮式装载机拥有一定数量的独特的属性,这些属性使它有别于之前动态分析的车辆这些属性都必须解决以提供有用的信息输入来设计轮式装载机轴悬挂上面列出的这个特点也有助于得出哪些方法是适合轮装载机建模和分析的车辆动态行为的评估3.1乘坐舒适性评估通常,术语“试驾质量”是用来描述车辆的振动频率的范围约0 - 25 Hz更高的频率扰动被称为“噪声” 另一个区别是与触觉和视觉质量的振动联系在一起的,而噪音代表听觉振动车辆上的低频振动通常是由表面起伏引起的振动由车辆本身引起的,如动力传动系统或发动机振动,通常是更高的频率,因此有关噪声而不是乘坐舒适性。
噪声的考虑通常对于任何更大的程度上轴悬挂设计是没有影响的,因此聚焦在这个论文的主要是在乘坐质量上除了影响操作者的舒适度,干扰振动也可能对乘坐健康有影响作为健康的影响是长期的需要很长时间才能暴露出来的量化这种影响比纯操作者的舒适度是更加困难冲突的情况也可能存在于改善舒适性不一定意味着健康状况的改善效果不重要,反之亦然这进一步复杂化了汽车乘坐振动的评价乘坐舒适性评价方法一般分为两类,定义为主观或客观主观的方法包括问卷调查、采访或其他测试旨在评估司机的印象，这通常需要经过训练的测试车手,要求能够对车辆改动产生细微差距和对重复的结果和辨别使用客观的方法可测量参数,最常见的加速度,用来估计舒适水平这提供了一种直观的方式来预测舒适性,但是它还要求客观评价来估计有意义的主观印象.特别是越野车辆,那里的振动光谱可能差别很大与公路车辆相比因此当解释客观测量舒适性需要考虑建立强健的而且具有代表性的客观舒适性措施仍然是一个研究的主题和没有全世界的相互关系，在客观的措施于感觉舒适之间，虽然一些协议已经在特定的测试情形被显示其它显示表明在一离开道路驾驶情节时客观的舒适措施与主观的印象互是有关连的.一项相似的研究被曼斯菲尔德和白－路易斯在一条粗糙的道路上的使用垂直的加速一辆道路车辆来估计乘坐舒适性进行了。
3.1.1 标准一些标准已经为乘坐震动做出了客观评估被计划仍然需要非常大的讨论，这些标准发现大量的使用能为乘坐评估提供一个好出发点ISO 2631 国际标准组织标准的 2631个现行的评估的架构表明人类对不同的情节全部身体对震动的回应给震动评估的一般指导方针是建立在标准的第一个部份， ISO 263。