駕駛室橡膠減震器設(shè)計研究

管建華，楊少海，徐 卓

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272023）

1 研究背景

國內(nèi)工程機(jī)械通過多年的發(fā)展，各制造廠家的生產(chǎn)能力逐步提升，開始制造出越來越大型的工程機(jī)械產(chǎn)品，同時由于國家對環(huán)境污染控制的日趨嚴(yán)格，對振動和噪聲的控制要求日漸提高。另外，隨著人民物質(zhì)生活水平的提高，工程機(jī)械駕駛?cè)藛T對操作舒適性要求也進(jìn)一步提高。因此振動和噪聲的控制必然是今后工程機(jī)械發(fā)展的一個方向。

從振動控制方面來說，以履帶式推土機(jī)為例，推土機(jī)工作時，振動源有兩處：一是發(fā)動機(jī)運行所產(chǎn)生的振動；二是履帶在地面行走所產(chǎn)生的振動。發(fā)動機(jī)運行產(chǎn)生的振動頻率高，對整機(jī)的性能影響及駕駛?cè)藛T的操作舒適性影響大，因此發(fā)動機(jī)安裝通常是隔振安裝。同時，考慮振動的受保護(hù)對象，駕駛室或地板架通常使用減震安裝。履帶地面行走產(chǎn)生的振動頻率較低，對機(jī)器的影響較小，一般不采取減震措施。320hp以上推土機(jī)由于其機(jī)重更大，受到?jīng)_擊力更大，有些在支重輪上方采用減震安裝，如支重輪K型懸掛和X型懸掛。無論是何種位置的隔振、減震或緩沖，一般都使用橡膠作為介質(zhì)。

橡膠具有良好的彈性和緩沖性能，對抑制系統(tǒng)振動和衰減沖擊響應(yīng)有良好的效果，因此廣泛用于減震降噪。

目前工程機(jī)械行業(yè)對減震設(shè)計通常是通過類比設(shè)計，或依賴于減震器生產(chǎn)廠家進(jìn)行設(shè)計選型，導(dǎo)致減震系統(tǒng)的使用常常達(dá)不到理想的效果。以下通過對橡膠材料的性能分析，總結(jié)了一套駕駛室減震系統(tǒng)設(shè)計方法。發(fā)動機(jī)減震也可參考此方法進(jìn)行設(shè)計。

2 減震器剛度和振動傳遞率設(shè)計計算

推土機(jī)駕駛室與地板架一體，通常通過4處減震器安裝到推土機(jī)主體上，如圖1a所示?，F(xiàn)國內(nèi)主流推土機(jī)產(chǎn)品駕駛室減震器和發(fā)動機(jī)隔振器結(jié)構(gòu)形式相似，如圖1b所示。

圖1b中，件1是地板架，駕駛室與地板架剛性連接，可看成一體；件4是翼板，翼板通過螺栓安裝到主機(jī)架上，可認(rèn)為是一體。件1和件4之間通過減震器3彈性連接并實現(xiàn)減震。此處減震安裝方式主要對駕駛室上下方向的震動起到衰減作用。其中2（D-C）=2B-B1-B2。

設(shè)減震墊上方部件重量為G，假設(shè)四處減震器平均受力，則上方減震器在d2-d1圓環(huán)面受力，力的大小為G/4+k（B-B1）；下方減震器同樣在d2-d1圓環(huán)面受力，力的大小為k（B-B1）-k（BB2）=k（B2-B1）。其中k為減震器的剛度。

圖1 減震器結(jié)構(gòu)圖

對于橡膠變形，應(yīng)力σ與應(yīng)變ε存在關(guān)系σ=Eε。其中E為橡膠材料的楊氏拉伸模量；ε=ΔB/B。因此作用力F=σ×S=ES×ΔB/B，S為作用面面積。因此減震器剛度

系統(tǒng)固有頻率

減震系統(tǒng)的效率可用振動傳遞率T表示

其中ζ=C/Ccr稱為阻尼比，天然橡膠廣泛應(yīng)用于減震橡膠，查閱橡膠產(chǎn)品手冊，其數(shù)值ζ=0.05～0.15，設(shè)計計算時通常取ζ=0.1；ω為激振頻率。

由上式可知，當(dāng)時，T=1，此時減震器不起減震作用；當(dāng)時，T＞1，此時減震器對振動起放大作用，其中當(dāng)ω/ωn=1時，T趨于∞，此時系統(tǒng)產(chǎn)生共振；僅當(dāng)時，減震器才能起到消減系統(tǒng)振動的作用。故當(dāng)激振頻率一定時，減小系統(tǒng)固有頻率是提高減震效果的有效措施，而系統(tǒng)的固有頻率與系統(tǒng)的剛度kz相關(guān)。kz與減震器的外形相關(guān)，與減震器材料楊氏拉伸模量E成正比。

橡膠的剪切模數(shù)G和楊氏彈性模數(shù)E主要取決于橡膠的硬度。硬度的單位，國外多采用國際標(biāo)準(zhǔn)，即IRHD（International Rubber Hardness），我國通用的還是肖氏硬度（A硬度計）。在常用的硬度范圍內(nèi)，兩者幾乎是相等的。根據(jù)不同的硬度試驗求得的橡膠剪切模數(shù)G是橡膠件設(shè)計計算的原始依據(jù)。由于橡膠材料的不可壓縮性，根據(jù)泊松原理，楊氏彈性模數(shù)E=3G。圖2是橡膠硬度與剪切模量G的關(guān)系曲線。

圖2 橡膠硬度與剪切模量G的關(guān)系曲線

由此可知，可以通過減小減震器橡膠硬度的方法減小減震器的剛度，從而提高系統(tǒng)的減震效果。但當(dāng)系統(tǒng)剛度降低必然導(dǎo)致減震器變形增大，從而設(shè)計間隙增大。因此減震設(shè)計時要綜合考慮，合理選擇減震器的硬度。

以某機(jī)型駕駛室減震系統(tǒng)為例。已知減震橡膠直徑d1=60mm，d2=100mm，減震器厚度B=20mm，減震橡膠硬度為HS71，系統(tǒng)質(zhì)量m=850kg。

按整機(jī)行走時軸轉(zhuǎn)速1500r/min（考慮到工況，沖擊較大計算時取1500r/min），得出激振圓頻率ω=1500/60×2π=157rad/s。

根據(jù)上述圖表及公式計算，得剪切強(qiáng)度G=2.1MPa，E=6.3MPa，k=1658.7N/mm，整個駕駛室工作系統(tǒng)包括4處小減震系統(tǒng)，kzz=1658.75×4=6635N/mm=6635000N/m，ωn=88.35rad/s，振動傳遞率T=0.48；當(dāng)其余參數(shù)不變，橡膠硬度改為HS65時，G=1.7MPa，E=5.1MPa，kz=1281.6N/mm，kzz=1281.6*4=5126.4N/mm=5126400N/m，ωn=77.66，T=0.346。振動傳遞率減小了28%。圖3為剛度測試實驗室試驗方法及輸出結(jié)果。

圖3 剛度測試實驗室試驗方法及輸出結(jié)果

測試結(jié)果表明，橡膠硬度為HS71時，系統(tǒng)剛度為5250N/mm；橡膠硬度為HS65時，系統(tǒng)剛度為3550N/mm。剛度值為計算值的75%左右。這是因為剛度計算時，忽略了橡膠壓縮后形狀變化的影響。將系數(shù)0.75帶入剛度計算公式，得到公式

根據(jù)修正后的公式重新計算剛度值，將其帶入公式（3）得出橡膠硬度為HS71時，系統(tǒng)振動傳遞率T=0.356；橡膠硬度為HS65時，系統(tǒng)振動傳遞率T=0.203。

圖4為實驗室振動測試結(jié)果，輸出結(jié)果為加速度平方根。測試曲線表明當(dāng)減震器橡膠硬度由HS71變?yōu)镠S65時，振動傳遞率衰減效果測試值與上述剛度修正后計算值基本相同。

圖4 實驗室振動測試結(jié)果

計算駕駛室安裝時橡膠的平均變形量，橡膠硬度為HS71時ΔB1=1.59mm；橡膠硬度為HS65時ΔB2=2.35mm。相對于原始高度的變形量分別是7.95%和11.75%，設(shè)計間隙值較小，減震系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。上述2種硬度減震墊，硬度為HS65的能夠滿足減震系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，且振動傳遞率較小，應(yīng)優(yōu)先選用。

3 總結(jié)

以上介紹了駕駛室橡膠減震器的剛度計算以及減震能力的分析，設(shè)計方法基于推土機(jī)上最常用的形狀簡單的圓柱形橡膠彈簧。實際測量時由于重心位置相對于4個減振點中心位置不重合，所以4個減震點位置振動量也不同。設(shè)計和測試評價時以4個減震點振動量的平均值計算和比較。結(jié)構(gòu)設(shè)計時要盡量保證減震點中心位置與減震物體重心重合。

由于橡膠減震材料的多樣性和制造工藝的差別，形狀相同的橡膠減震器的性能也會有很大差別。對于形狀復(fù)雜的橡膠彈簧，一般可以簡化成多個簡單的彈簧并聯(lián)或串聯(lián)。其設(shè)計方法的總結(jié)也就需要通過大量的設(shè)計和試驗驗證。減震設(shè)計時，一定要全面考慮，確定減震系統(tǒng)減震效果目標(biāo)值，合理選擇減震器材料，設(shè)計減震器外形，以達(dá)到理想的減震效果。

［1］ 龔積球，龔震震，趙熙雍. 橡膠件的工程設(shè)計及應(yīng)用［M］. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

［2］ 朱石堅，樓京俊，等. 振動理論與隔振技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

［3］ 周光泉，劉孝敏. 粘彈性理論［M］. 北京：中國科技大學(xué)出版社，1996.