考慮人體舒適性的裝載機駕駛室懸置系統設計與試驗研究

宋勇，陸浩，李占龍，王瑤，秦園

（太原科技大學機械工程學院，山西 太原 030024）

裝載機是一種廣泛應用于港口、碼頭、礦山、水利及國防等多個領域的工程機械，對于減輕勞動強度、加快工程進度及保障工程質量具有重要意義。但其工作環境惡劣，振動強度大，駕駛員易疲勞，會對施工安全和駕駛員健康造成重大隱患，因此，裝載機駕駛室減振性能和舒適性的提升顯得尤為重要［1-2］。

Tao等［3］提出了輪式裝載機多種阻尼模式的懸置，通過改變兩個高速開關電磁閥的離散狀態實現阻尼可調，以提高駕駛室舒適性。程正午［4］為提高工程車輛駕駛室的舒適性，建立3自由度人-座椅振動模型并進行多目標優化。趙萌［5］采用改進的遺傳算法對裝載機駕駛室懸置位置和剛度等參數進行優化，提高了懸置系統的解耦率。

文獻［3-5］中采用的裝載機舒適性評價標準不盡相同，但多以駕駛室或座椅的振動水平為評價依據，且沒有考慮人體關鍵部位的振動情況。基于上述分析，本文考慮人體關鍵部位的舒適性，建立9自由度的人-座椅-駕駛室動力學模型，以避開人體內臟部位敏感頻率和提高人體舒適度為目標，對裝載機駕駛室懸置系統進行參數優化、改進設計及實車試驗。

1 裝載機駕駛室振動測試與評價

1.1 振動測試

測試工況：平坦路面行駛、不平路面行駛和V型作業。試驗場地和樣機如圖1所示。

圖1 試驗場地與樣機Fig.1 Test site and prototype

測試裝置：加速度傳感器、數據采集終端和筆記本電腦等。加速度傳感器安裝位置如圖2所示。

圖2 加速度傳感器安裝位置Fig.2 Accelerometer installation location

測試結果：在不同工況下，駕駛室地板和座椅的時域響應如圖3所示，駕駛室座椅的頻域響應如圖4所示。

圖3 不同工況下駕駛室地板和座椅的時域響應Fig.3 Time domain response of cab floor and seat under different working conditions

圖4 不同工況下座椅的頻域響應Fig.4 Frequency domain response of seat under different working conditions

1.2 舒適性評價

依據GB/T 17245—2004標準對人體的劃分［12］及研究發現，人體垂向敏感頻率為4～8 Hz，主要集中在胸部內臟等部位。

由座椅垂向振動加速度計算得其計權加速度均方根值aw見表1。由表1知，裝載機在不平路行駛和V型作業時，垂向計權加速度均方根值均大于2.5 m·s-2，人體的主觀感受為極不適，在平路行駛時垂向計權加速度均方根值為1.519 m·s-2，人體的主觀感受為很不適。

表1 座椅垂向加權加速度均方根值awTab.1 Seat vertical weighted acceleration root mean square value aw

2 人-座椅-駕駛室系統建模

2.1 人-座椅-駕駛室動力學模型

本文通過Wan等［6］建立的4自由度人體模型，將裝載機人-座椅-駕駛室系統簡化為一個4輸入9輸出的動力學駕駛室模型如圖5所示。駕駛室模型參數由裝載機廠家提供，見表2。

圖5 人-座椅-駕駛室動力學模型Fig.5 Human-seat-cab dynamics model

表2 駕駛室模型參數Tab.2 Cab model parameters

圖5中，zb為駕駛室地板垂向自由度；θ為駕駛室地板俯仰自由度；φ為駕駛室地板側傾自由度；z1～z6為頭部、上軀干、內臟、下軀干、座椅坐墊、座椅垂向自由度；z7～z10右前、左前、左后、右后駕駛室懸置上方垂直自由度；m1～m6、mb為人體頭部、上軀干、內臟、下軀干、座椅坐墊、座椅、駕駛室地板質量；k1～k6、k24為人體頭部、上軀干、內臟、下軀干、座椅坐墊、座椅懸置及上軀干-下軀干剛度；c1～c6、c24為人體頭部、上軀干、內臟、下軀干、座椅坐墊、座椅懸置及上軀干-下軀干阻尼；k7～k10為駕駛室懸置剛度；c7～c10為駕駛室懸置阻尼；br為駕駛室地板質心至左懸置距離；bf為駕駛室地板質心至右懸置距離；lr為駕駛室地板質心至前懸置距離；lf為駕駛室地板質心至后懸置距離；ls為駕駛室地板質心至座椅縱向距離；bs為駕駛室地板質心至座椅橫向向距離；f1（t）～f4（t）為左前、左后、右后、右前駕駛室懸置下方不平度激勵。

駕駛室模型的振動方程為

式中：M=［m1，m2，m3，m4，m5，m6，mb，Ip，Ir］；Q為外部激勵矩陣；k、c分別為駕駛室懸置系統的剛度矩陣和阻尼矩陣，k、c矩陣相同，其表達式為

2.2 駕駛室模型驗證

將試驗測得不平路面行駛工況下，駕駛室懸置下方的振動信號作為駕駛室模型的輸入激勵。運用Matlab對駕駛室模型進行仿真計算，并與試驗結果進行對比，結果如圖6、圖7所示。

圖6 駕駛室地板試驗與仿真結果對比Fig.6 Comparison of cab floor test and simulation results

圖7 座椅試驗與仿真結果對比Fig.7 Comparison of seat test and simulation results

由圖6、圖7可見，駕駛室地板與座椅的試驗與仿真垂向振動加速度信號趨勢基本一致。由表3知，駕駛室地板加速度均方根的試驗與仿真值誤差為6.24%，座椅加速度均方根的試驗與仿真值誤差為7.77%，誤差較小，驗證了駕駛室模型的正確性。

表3 駕駛室地板和座椅的試驗與仿真結果對比Tab.3 Comparison of test and simulation results for cab floor and seat

3 懸置系統優化與實車試驗

3.1 駕駛室懸置參數優化

駕駛室懸置作為整車隔振的主要部件，直接影響駕駛員的舒適性，考慮成本因素，本文僅對駕駛室懸置的剛度阻尼進行優化，原車駕駛室質心、懸置安裝位置和懸置尺寸均不變。由原車數據，駕駛室懸置剛度均為875 N·mm-1，阻尼均為46.1 N·s·mm-1，由于質心靠后（企業實測質心至前懸距離1.25 m，至后懸距離0.63 m），4個懸置點剛度相同是不合理的。由于質心至左右懸置距離相等，故可設左右懸置剛度阻尼相同，前后懸置剛度阻尼不同。

以前期試驗測得駕駛室懸置下方的加速度信號為輸入激勵，將駕駛室懸置剛度和阻尼取值分別帶入式（1），得到人體重要部位的加速度曲線，并計算得到加權加速度均方根值，將加速度曲線進行傅里葉變換獲得人體各部位頻率響應主振頻位置。不同剛度和阻尼的內臟部位加權加速度均方根值如圖8所示，主振頻位置如圖9所示。

圖8 內臟部位加權加速度均方根值Fig.8 Root mean square value of weighted acceleration of internal organs

圖9 內臟部位主振頻位置Fig.9 The position of the main vibration frequency of the internal organs

由圖8可知：當駕駛室前懸置一定時，內臟部位加權加速度均方根值隨后懸置剛度的增大而增大；當后懸置一定時，內臟部位加權加速度均方根值隨前懸置剛度的增大而增大，即人體舒適性與懸置剛度呈負相關。前懸置取700～800 N·mm、后懸取700～850 N·mm時，aw＜0.315 m·s-2，為“無不適感覺”區域。由圖9可知，在前懸置為700 N·mm、后懸置為800 N·mm時，內臟部位主振頻取得最小值為3.75 Hz，避開了內臟部位敏感的4～6 Hz。綜上所述，前懸置為700 N·mm、后懸置為800 N·mm時，人體內臟部位主振頻避開了敏感的4～6 Hz，同時aw＜0.315 m·s-2。

在駕駛室前懸置剛度等于700 N·mm、阻尼等于39.3 N·s·mm-1、后懸置剛度等于800 N·mm、阻尼等于59.2 N·s·mm-1時，分別在不平路面行駛、V型作業、平路行駛工況下進行仿真分析，結果見表4。

由表4可知，在3種試驗工況下，優化后駕駛室地板加速度均方根值較優化前分別減小38.7%、35.5%和27.9%，內臟加速度均方根值分別減小40.2%、37.5%和24.1%，參數優化結果合理可行。

表4 優化前后加速度均方根值結果Tab.4 Root mean square acceleration results before and after optimization

3.2 實車試驗

為了驗證優化方法的有效性和仿真結果的正確性，根據優化設計結果在橡膠懸置廠家定制駕駛室前懸置和后懸置各兩副，如圖10所示，對優化后裝載機駕駛室懸置開展實車測試，試樣機、試場地、駕駛員和傳感器安裝位置同優化前試驗測試相同。試驗結果如圖10和表5所示。

圖10 優化后駕駛室橡膠懸置實物Fig.10 Optimized rear cab rubber mount

表5 優化后試驗座椅垂向計權加速度均方根值aw Tab.5 Root mean square value aw of vertical weighted acceleration of test seat after optimization

由圖11和表5可知：3種試驗工況下，人體主觀感覺在平路行駛時無不適感覺，在不平路行駛和V型作業工況時僅稍有不適；座椅位置主振頻在1.51～3.71 Hz，避開了人體敏感的4～8 Hz。結果表明，駕駛室懸置參數優化結果正確合理，該裝載機駕駛舒適性得到有效改善。

圖11 3種試驗工況下內臟部位頻域響應Fig.11 Frequency domain response of visceral parts under three test conditions

4 結論

為研究裝載機駕駛室垂向振動特性和提高駕駛員舒適性，本文以某裝載機為研究對象，開展了考慮人體舒適性的駕駛室懸置系統設計與試驗研究，得到以下結論：①原裝載機駕駛室座椅振動主振頻在人體敏感頻率范圍內，對人體健康危害大；加權加速度均方根值aw均大于1.25 m·s-2，人體主觀感覺很不舒適。②試驗測得駕駛室地板和座椅加速度與駕駛室模型輸出加速度誤差較小，驗證了所建駕駛室模型的正確性和可行性。③懸置系統優化后內臟部位主振頻避開了人體內臟部位敏感頻率，駕駛舒適性明顯改善，驗證了本文研究思路的正確性和方法的有效性。④懸置系統優化后，在不平路行駛和V型作業工況下，人體主觀感覺還稍有不適，駕駛舒適性還有進一步提升空間。