推土機駕駛室懸置系統優化設計

崔東斌

山推工程機械股份有限公司，廣東江門 529000

推土機駕駛室懸置系統優化設計

崔東斌

山推工程機械股份有限公司，廣東江門 529000

合理匹配推土機駕駛室懸置系統是改善駕駛室隔振性能，提高產品NVH性能的重要途徑。本文在某國產推土機駕駛室懸置系統開發中，應用拉格朗日動力學方程建立駕駛室懸置系統簡化六自由度模型，使用Matlab軟件編寫懸置系統固有頻率、能量解耦率程序與圖形用戶界面。并利用Isight軟件集成Matlab進行多目標優化設計，結果表明，通過對懸置剛度及相關安裝角度的優化能夠有效提高解耦率，從而改善系統NVH性能。

懸置系統；解耦率；推土機

隨著消費者對推土機的舒適性要求不斷提高，推土機的振動問題已成為了產品開發設計中的重要考慮因素。駕駛室總成懸置系統作為推土機振動系統的主要減振機構，其振動的傳遞特性對產品的舒適性有很大影響，所以合理匹配駕駛室懸置系統可以有效減少振動傳遞，從而提高產品的舒適性。

國內外文獻關于懸置匹配主要分為以下幾種方法：系統彈性中心理論、打擊中心理論及模態解耦設計。本文應用能量法進行模態解耦設計，在分析駕駛室懸置系統模型的基礎上，建立懸置系統模型，以懸置系統的振動解耦率為目標函數，利用Isight軟件進行優化設計，實現懸置系統的優化。

1 駕駛室懸置系統模型的建立與分析

1.1系統模型簡化

在分析懸置系統總成振動問題時，由于懸置系統自由振動頻率遠低于駕駛室與車架彈性模態頻率，可將駕駛室和車架視為剛體，忽略懸置變形產生的角位移，將橡膠懸置簡化為三彈性主軸相互正交的線性彈簧-阻尼元件，在分析系統自由振動特性時，進一步忽略阻尼影響，這樣就可以把駕駛室懸置系統簡化為六自由度的振動系統模型，如圖1所示。

圖1　駕駛室懸置系統模型

1.2系統坐標系定義

1.2.1廣義坐標系

將懸置系統總成的廣義坐標系的原點定于駕駛室質心，X軸為推土機前后方向并指向駕駛室后部，Z軸豎直向上，Y軸由右手定則確定。

1.2.2懸置坐標系

懸置坐標系原點定于橡膠懸置三維彈性中心，u軸通過彈性中心平行于發動機曲軸指向駕駛室后部，w軸為懸置元件的軸向方向，v軸由右手定則確定。

1.3動力學模型建立

拉格朗日微分方程為:

式中：ET為系統動能，EV為系統勢能，ED為系統耗散能，q為系統廣義坐標系，Q為系統所受廣義力。

將系統的動能、勢能、耗散能帶入上式可得駕駛室總成懸置系統的動力學方程為：

式中：M為系統質量矩陣；C為系統阻尼矩陣；K為系統剛度矩陣；q為系統廣義坐標；F為外力矩陣；忽略外力和阻尼，則系統的自由振動方程為：，可得：，系統的固有頻率為矩陣M-1K的特征值，而其對應的振型為矩陣M-1K的特征向量。

1.4駕駛室總成懸置系統參數獲取

某推土機駕駛室總成質量、轉動慣量，各個懸置剛度初始值、廣義坐標系下坐標值，懸置坐標系與廣義坐標系夾角匯總如表1所示。

表1　懸置系統參數表

1.5基于Matlab的固有頻率及振型計算

使用Matlab建立駕駛室總成懸置系統動力學方程，將系統參數輸入，并求解系特征值、特征向量得到相應的固有頻率與振型。表2為Matlab計算結果。

表2　固有頻率和振型

2 駕駛室懸置系統優化

2.1能量法解耦的計算

2.1.1能量解耦法理論

通過利用廣義質量矩陣、振型分別計算6階振型下各個廣義坐標能量占該階振型總能量的百分比，寫成矩陣形式，即可得到能量分布矩陣。根據能量分布來判斷懸置系統的解耦程度，應盡量使各階振動能量集中在某一廣義坐標上，令各個模態方向上的振動互不影響，達到解耦目的。

當系統做第i階振動時，最大總動能為：

式中mkl為質量矩陣k行l列元素，為在振型下，第l個元素，為在振型下，第k個元素。

第k個廣義坐標能量占該階系統總能量百分比為：

2.1.2基于Matlab的能量解耦計算

使用Matlab編寫能量解耦計算程序，并運用Matlab/guide模塊編寫能量固有頻率、振型及能量解耦率計算專用界面，表3為固有頻率及能量解耦率計算結果。

表3　固有頻率及能量分布矩陣

2.2懸置系統參數優化

2.2.1目標函數

目標函數選取6自由度廣義坐標向量的能量解耦率。定義目標函數為：

式中為加權因子。考慮到發動機激勵方向主要為z方向的不平衡力，因此應盡量提高z向的加權因子和解耦目標值。

2.2.2設計變量

由于布置限制，駕駛室懸置元件的安裝位置很難改變，因此設計變量為各個懸置元件的主軸剛度以及左后懸置與右后懸置的俯仰安裝角度。

2.2.3約束條件

在實際應用中，應將懸置系統六個固有頻率匹配在合理范圍內，使其具有較好的NVH特性。頻率約束如下：1）各階固有頻率分布在5-25Hz；2）垂向頻率避開4-8Hz；3）垂向頻率小于發動機發火頻率的；4）繞曲軸轉動的頻率小于怠速頻率的；5）從生產需求和裝配角度出發，保證4個懸置剛度應相同。

2.3基于Isight的系統優化分析

基于系統的復雜程度，并保證計算與優化速度，本文采用Isight軟件集成Matlab進行多目標優化，使用多島遺傳算法，在優化過程中通過調整權重系數達到解耦目標值。經優化，懸置主軸剛度分別為705N/mm、705N/mm、3 504N/mm，左后與右后懸置俯仰安裝角度及優化后固有頻率和解耦率如表4所示，對比表3、表4，懸置系統z向自由度解耦率由89.09%提高到97.37%，其他自由度解耦率也有顯著提高，并實現固有頻率合理配置，達到優化目的。

表4　優化后左后、右后懸置安裝角及各向解耦率

3 結論

本文從分析駕駛室總成懸置系統模型及其優化設計角度出發，運用Matlab編寫能量解耦計算程序及專用界面，并以各個懸置主軸剛度，左后懸置與右后懸置俯仰角度為設計變量，利用Isight、Matlab聯合仿真對駕駛室懸置系統進行多目標優化。在滿足相關約束條件下，解決了駕駛室懸置系統總成剛體模態能量耦合和頻率匹配問題，提升了產品的NVH性能。

[1]龐健，諶剛，何華.汽車噪聲與振動：理論與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006（6）：266-284

[2]上官文斌，蔣學鋒.發動機懸置系統的優化設計[J].汽車工程，1992（2）：103-110.

[3]閻紅玉，徐石安.懸置系統的能量法解耦及優化設計[J].汽車工程，1993（15）：321-328.

[4]溫任林，顏景平.汽車發動機懸置系統多目標優化的研究[J].東南大學學報，1996（26）：105-110.

U46

A

1674-6708（2016）171-0256-02

崔東斌，助理工程師，研究方向為振動與噪聲。