推土机驾驶室悬置系统优化设计

崔东斌

山推工程机械股份有限公司，广东江门 529000

推土机驾驶室悬置系统优化设计

崔东斌

山推工程机械股份有限公司，广东江门 529000

合理匹配推土机驾驶室悬置系统是改善驾驶室隔振性能，提高产品NVH性能的重要途径。本文在某国产推土机驾驶室悬置系统开发中，应用拉格朗日动力学方程建立驾驶室悬置系统简化六自由度模型，使用Matlab软件编写悬置系统固有频率、能量解耦率程序与图形用户界面。并利用Isight软件集成Matlab进行多目标优化设计，结果表明，通过对悬置刚度及相关安装角度的优化能够有效提高解耦率，从而改善系统NVH性能。

悬置系统；解耦率；推土机

随着消费者对推土机的舒适性要求不断提高，推土机的振动问题已成为了产品开发设计中的重要考虑因素。驾驶室总成悬置系统作为推土机振动系统的主要减振机构，其振动的传递特性对产品的舒适性有很大影响，所以合理匹配驾驶室悬置系统可以有效减少振动传递，从而提高产品的舒适性。

国内外文献关于悬置匹配主要分为以下几种方法：系统弹性中心理论、打击中心理论及模态解耦设计。本文应用能量法进行模态解耦设计，在分析驾驶室悬置系统模型的基础上，建立悬置系统模型，以悬置系统的振动解耦率为目标函数，利用Isight软件进行优化设计，实现悬置系统的优化。

1 驾驶室悬置系统模型的建立与分析

1.1系统模型简化

在分析悬置系统总成振动问题时，由于悬置系统自由振动频率远低于驾驶室与车架弹性模态频率，可将驾驶室和车架视为刚体，忽略悬置变形产生的角位移，将橡胶悬置简化为三弹性主轴相互正交的线性弹簧-阻尼元件，在分析系统自由振动特性时，进一步忽略阻尼影响，这样就可以把驾驶室悬置系统简化为六自由度的振动系统模型，如图1所示。

图1　驾驶室悬置系统模型

1.2系统坐标系定义

1.2.1广义坐标系

将悬置系统总成的广义坐标系的原点定于驾驶室质心，X轴为推土机前后方向并指向驾驶室后部，Z轴竖直向上，Y轴由右手定则确定。

1.2.2悬置坐标系

悬置坐标系原点定于橡胶悬置三维弹性中心，u轴通过弹性中心平行于发动机曲轴指向驾驶室后部，w轴为悬置元件的轴向方向，v轴由右手定则确定。

1.3动力学模型建立

拉格朗日微分方程为:

式中：ET为系统动能，EV为系统势能，ED为系统耗散能，q为系统广义坐标系，Q为系统所受广义力。

将系统的动能、势能、耗散能带入上式可得驾驶室总成悬置系统的动力学方程为：

式中：M为系统质量矩阵；C为系统阻尼矩阵；K为系统刚度矩阵；q为系统广义坐标；F为外力矩阵；忽略外力和阻尼，则系统的自由振动方程为：，可得：，系统的固有频率为矩阵M-1K的特征值，而其对应的振型为矩阵M-1K的特征向量。

1.4驾驶室总成悬置系统参数获取

某推土机驾驶室总成质量、转动惯量，各个悬置刚度初始值、广义坐标系下坐标值，悬置坐标系与广义坐标系夹角汇总如表1所示。

表1　悬置系统参数表

1.5基于Matlab的固有频率及振型计算

使用Matlab建立驾驶室总成悬置系统动力学方程，将系统参数输入，并求解系特征值、特征向量得到相应的固有频率与振型。表2为Matlab计算结果。

表2　固有频率和振型

2 驾驶室悬置系统优化

2.1能量法解耦的计算

2.1.1能量解耦法理论

通过利用广义质量矩阵、振型分别计算6阶振型下各个广义坐标能量占该阶振型总能量的百分比，写成矩阵形式，即可得到能量分布矩阵。根据能量分布来判断悬置系统的解耦程度，应尽量使各阶振动能量集中在某一广义坐标上，令各个模态方向上的振动互不影响，达到解耦目的。

当系统做第i阶振动时，最大总动能为：

式中mkl为质量矩阵k行l列元素，为在振型下，第l个元素，为在振型下，第k个元素。

第k个广义坐标能量占该阶系统总能量百分比为：

2.1.2基于Matlab的能量解耦计算

使用Matlab编写能量解耦计算程序，并运用Matlab/guide模块编写能量固有频率、振型及能量解耦率计算专用界面，表3为固有频率及能量解耦率计算结果。

表3　固有频率及能量分布矩阵

2.2悬置系统参数优化

2.2.1目标函数

目标函数选取6自由度广义坐标向量的能量解耦率。定义目标函数为：

式中为加权因子。考虑到发动机激励方向主要为z方向的不平衡力，因此应尽量提高z向的加权因子和解耦目标值。

2.2.2设计变量

由于布置限制，驾驶室悬置元件的安装位置很难改变，因此设计变量为各个悬置元件的主轴刚度以及左后悬置与右后悬置的俯仰安装角度。

2.2.3约束条件

在实际应用中，应将悬置系统六个固有频率匹配在合理范围内，使其具有较好的NVH特性。频率约束如下：1）各阶固有频率分布在5-25Hz；2）垂向频率避开4-8Hz；3）垂向频率小于发动机发火频率的；4）绕曲轴转动的频率小于怠速频率的；5）从生产需求和装配角度出发，保证4个悬置刚度应相同。

2.3基于Isight的系统优化分析

基于系统的复杂程度，并保证计算与优化速度，本文采用Isight软件集成Matlab进行多目标优化，使用多岛遗传算法，在优化过程中通过调整权重系数达到解耦目标值。经优化，悬置主轴刚度分别为705N/mm、705N/mm、3 504N/mm，左后与右后悬置俯仰安装角度及优化后固有频率和解耦率如表4所示，对比表3、表4，悬置系统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显著提高，并实现固有频率合理配置，达到优化目的。

表4　优化后左后、右后悬置安装角及各向解耦率

3 结论

本文从分析驾驶室总成悬置系统模型及其优化设计角度出发，运用Matlab编写能量解耦计算程序及专用界面，并以各个悬置主轴刚度，左后悬置与右后悬置俯仰角度为设计变量，利用Isight、Matlab联合仿真对驾驶室悬置系统进行多目标优化。在满足相关约束条件下，解决了驾驶室悬置系统总成刚体模态能量耦合和频率匹配问题，提升了产品的NVH性能。

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U46

A

1674-6708（2016）171-0256-02

崔东斌，助理工程师，研究方向为振动与噪声。