蔡俊杰

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

0 引言

振動問題不僅影響著工程機(jī)械產(chǎn)品使用的舒適性，同時(shí)也影響著工程機(jī)械產(chǎn)品零部件的使用壽命。因此，針對工程機(jī)械產(chǎn)品的振源分析，發(fā)動機(jī)懸置優(yōu)化、駕駛室減振分析、座椅舒適性提高等諸多方向的研究也越來越有必要。此外，我國目前工程機(jī)械企業(yè)的產(chǎn)品無論從可靠性，還是舒適性方面，都與國外的企業(yè)存在著一定的差距，故減振研究對提升國內(nèi)工程機(jī)械企業(yè)的市場競爭能力，對提高工程機(jī)械產(chǎn)品的舒適性、可靠性等性能方面都具有極高的實(shí)用價(jià)值。

1 車型概要和問題描述

三鋼輪靜碾壓路機(jī) （以下簡稱靜碾壓路機(jī)）是采用鋼輪作為壓路工具。在工作過程中，靜碾壓路機(jī)的駕駛室主要承受發(fā)動機(jī)及傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻振動。本案例的靜碾壓路機(jī)配套上柴公司4H系列發(fā)動機(jī) （排量為4.3 L），作業(yè)中，駕駛室出現(xiàn)異常振動。異常振動出現(xiàn)在發(fā)動機(jī)1 100 r／min轉(zhuǎn)速附近。

對此，基于振動測試方法及隔振理論進(jìn)行分析及研究，找出原因并消除異常振動。

2 振動試驗(yàn)

2.1 測試設(shè)備

振動測試采用的設(shè)備見表1。

表1 測試設(shè)備

2.2 振動傳遞途徑及測點(diǎn)分布

發(fā)動機(jī)的振動是通過車架傳遞到駕駛室的。通過在振源與隔振物體之間設(shè)置減振軟墊來吸收消化來自振源的振動，從而達(dá)到減振的目的。發(fā)動機(jī)與車架之間共有4個(gè)懸置軟墊，為1級減振系統(tǒng)；其次，在車架與駕駛室之間也設(shè)置有4個(gè)懸置軟墊，為2級減振系統(tǒng)。無論是1級還是2級減振，均采用橡膠減振軟墊。剛度作為懸置軟墊的主要參數(shù)，其對減振性能影響非常大。懸置軟墊剛度過小，減振效果不理想，承載能力變差；剛度過大，車架的振動會隨發(fā)動機(jī)振動加劇而加劇，導(dǎo)致駕駛室振動增大，起不到減振效果。

圖1為各級減振系統(tǒng)的簡單建模［1］，振源為發(fā)動機(jī)本體。發(fā)動機(jī)的振動經(jīng)1級減振系統(tǒng)后傳遞至車架，再經(jīng)2級減振系統(tǒng)傳遞到駕駛室，經(jīng)3級減振系統(tǒng)傳遞至駕駛員座椅。當(dāng)然，除了發(fā)動機(jī)周期性振動外，還存在路面的隨機(jī)激勵(lì)［2］，但整車在工作時(shí)移動速度緩慢，路面激振頻率很低，影響很小，故本文不作考慮。另外，關(guān)于整車橡膠輪胎的減振性能在本文也不做分析。根據(jù)傳遞路徑，分別在每個(gè)傳遞階段 （發(fā)動機(jī)、車架、駕駛室和座椅）各布置1個(gè)測點(diǎn)。

圖1 振動傳遞簡化模型及測點(diǎn)分布

2.3 測試方法和條件

測試工況：車速為零，發(fā)動機(jī)工況為怠速（750 r／min） 及 900 ～ 1 300 r／min。 900 ～ 1 300 r／min中每隔100 r／min測4個(gè)測點(diǎn)的振動，每個(gè)測點(diǎn)測量2次，每次時(shí)長30 s；

測試參數(shù)：振動加速度。

振動方向定義：X軸為曲軸中心線 （前后端），前端為正向；Y軸為水平橫向 （左右），左邊為正向；Z軸為垂直方向 （上下），上為正向。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖2～4分別為4個(gè)測點(diǎn)在原車狀態(tài)下實(shí)測的X、Y、Z三個(gè)方向上的加速度?？梢?，發(fā)動機(jī)至車架 （經(jīng)1級減振系統(tǒng)）的減振效果明顯，但車架至駕駛室經(jīng)2級減振系統(tǒng)過濾后，振動加速度不減反增，特別是在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100 r／min時(shí)，減振效果最差。實(shí)測數(shù)據(jù)與主觀感受一致。

圖2 原車狀態(tài)下在X方向上的振動加速度

圖3 原車狀態(tài)下在Y方向上的振動加速度

圖4 原車狀態(tài)下在Z方向上的振動加速度

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 頻率計(jì)算

發(fā)動機(jī)點(diǎn)火頻率計(jì)算如下：

式中：fe為發(fā)動機(jī)點(diǎn)火頻率，Hz；n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min；i為發(fā)動機(jī)氣缸數(shù)，個(gè)；a為沖程因數(shù)，4沖程發(fā)動機(jī)對應(yīng)的a為2。

駕駛室固有頻率計(jì)算如下：

式中：fn為駕駛室固有頻率，Hz；K為減振墊總剛度，N／mm；m為駕駛室總質(zhì)量，kg。

隔振率計(jì)算如下：

式中：I為隔振率，%；f為激振力頻率，Hz；fn為駕駛室固有頻率，Hz。

減振軟墊靜變形量計(jì)算如下：

式中：δ為靜變形量，mm；m為駕駛室總質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m／s2；K為減振墊總剛度，N／mm。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析

對圖2、圖3和圖4的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并按式（2）計(jì)算隔振率，結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)表明，經(jīng)1級減振系統(tǒng)，即在發(fā)動機(jī)的4個(gè)懸置軟墊作用下，隔振率為82%左右，屬于正常范圍，但2級減振系統(tǒng)，即駕駛室的4個(gè)懸置軟墊不但沒有起到減振作用，反而放大了振動加速度值，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為 1 100 r／min時(shí)，2級減振隔振率達(dá)到-287.8%。問題出在2級減振系統(tǒng)上，初步判斷為駕駛室模態(tài)頻率與發(fā)動機(jī)1 100 r／min附近的點(diǎn)火頻率重疊，引起了駕駛室共振。

表2 原始狀態(tài)下實(shí)測2級減振的隔振率

因駕駛室的主激勵(lì)，即激振力乃為發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火頻率，根據(jù)式 （1）計(jì)算各測試轉(zhuǎn)速下的點(diǎn)火頻率，結(jié)果如表3所示。

駕駛室總質(zhì)量320 kg，2級減振系統(tǒng)的4個(gè)懸置軟墊剛度均為4 000 N／mm，總剛度為16 000 N／mm。根據(jù)式 （2），計(jì)算得出駕駛室固有頻率fn為35.58 Hz。對照表3可以看出，駕駛室固有頻率與發(fā)動機(jī)在1 100 r／min左右時(shí)的點(diǎn)火頻率一致，理論計(jì)算與實(shí)測數(shù)據(jù)相吻合。要消除異常振動，目前的最佳方案就是通過調(diào)整駕駛室懸置軟墊剛度，即2級減振系統(tǒng)的懸置軟墊總剛度K2（見圖1），從而降低駕駛室整體的模態(tài)頻率，避開共振區(qū)。

表3 各測試轉(zhuǎn)速下的發(fā)動機(jī)點(diǎn)火頻率

4 減振軟墊優(yōu)化

優(yōu)化減振軟墊就是調(diào)整軟墊的剛度。由式（3） 可知，只有頻率比λ＝f／fn＞ 2時(shí)才會有隔振效果，λ增大，隔振效果明顯，但過大的話，會使減振墊很柔軟，穩(wěn)定性變差。當(dāng)λ＞5時(shí)，振動傳遞率下降很慢，隔振效率的提高不明顯。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對工程機(jī)械，建議 λ值一般為2.5～4.5，此時(shí)的隔振率為81%～95%。

發(fā)動機(jī)工作區(qū)間為750～2 000 r／min，要使得駕駛室固有頻率完全避開發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火頻率區(qū)間，fn＞66.666 667 （2 000 r／min 時(shí)的點(diǎn)火頻率） 或者fn＜25.000 000 （750 r／min 時(shí)的點(diǎn)火頻率）。 車用減振均以避開低頻共振為目標(biāo)，故以怠速750 r／min時(shí)的激振力頻率25 Hz作為目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。對應(yīng)λ值為2.5～4.5的駕駛室固有頻率fn的范圍為5.56～10 Hz， 由式 （2） 可計(jì)算減振軟墊的剛度：

經(jīng)計(jì)算，最佳懸置軟墊的剛度范圍為387～1 255 N／mm。

根據(jù)式 （4），并結(jié)合軟墊供應(yīng)商給出的減振軟墊最佳變形量3～4 mm，計(jì)算出滿足要求的減振軟墊剛度范圍， 為784～1 045.3 N／mm。

綜合考慮懸置軟墊隔振率與靜變形量的要求，選定減振軟墊剛度的最佳區(qū)間為784～1 045 N／mm。根據(jù)靜碾壓路機(jī)制造商可供選擇的懸置軟墊型號，選取4個(gè)剛度為250 N／mm懸置軟墊，則其總剛度為1 000 N／mm。 由式 （2） ～ （4） 計(jì)算得，如采用新懸置軟墊，則減振駕駛室固有頻率fn為8.925 Hz，發(fā)動機(jī)最低空載轉(zhuǎn)速時(shí)的隔振率為83%，1 100 r／min時(shí)的隔振率達(dá)到94.8%，懸置軟墊的靜變形量為3.136 mm。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用新的懸置軟墊后，再次對4個(gè)懸置測點(diǎn)的加速度值進(jìn)行測試，并與原先4 000 N／mm剛度的懸置軟墊進(jìn)行對比試驗(yàn)。試驗(yàn)方法和條件與2.3節(jié)相同。試驗(yàn)結(jié)果顯示：使用原4 000 N／mm剛度的懸置軟墊，車架、駕駛室、座椅處的振動是逐級放大的；Z方向上，車架處的振動加速度幅值為1.1 m／s2， 駕駛室處的為 5.8 m／s2， 座椅處的為 7.89 m／s2；使用優(yōu)化后的250 N／mm剛度的懸置軟墊，車架的振動加速度幅值沒有變化，駕駛室處的為0.5 m／s2， 座椅處的為0.35 m／s2， 減振效果明顯。這說明理論計(jì)算得出的懸置軟墊優(yōu)化方案能夠達(dá)到很好的效果。

6 結(jié)論

（1）經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本次的駕駛室振動異常是由于其模態(tài)頻率與發(fā)動機(jī)點(diǎn)火頻率重疊而引起的共振。

（2）在設(shè)計(jì)整車減振系統(tǒng)時(shí)，不能盲目地采用某一規(guī)格的懸置軟墊，需要通過計(jì)算分析，選擇與整車系統(tǒng)相匹配的懸置軟墊才有可能達(dá)到理想的減振效果；并且需要通過試驗(yàn)來驗(yàn)證匹配的效果，確認(rèn)理論計(jì)算與實(shí)際情況是否吻合。因?yàn)椴煌能囆停赡艽嬖谥鄠€(gè)激勵(lì)頻率，避免在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮全面而導(dǎo)致共振情況的發(fā)生。

（3）除了本文中所采用的調(diào)整車架的懸置軟墊剛度外，合理匹配駕駛室懸置軟墊的數(shù)量及布置位置，也能夠起到很好的優(yōu)化作用。