（机械制造及其自动化专业论文）工程机械驾驶室减振分析及研究.pdf

摘要 摘要 由于消费者对工程机械产品舒适性要求的关注越来越高，工程机械的振动 问题越来越受到关注，同时，振动往往影响工程机械产品零部件的使用寿命，论 文结合山东临工工程机械有限公司博士后“典型工程机械驾驶室人机工程虚拟仿 真及应用研究”项目，针对工程机械产品的振源分析、发动机悬置和驾驶室减振 设计及座椅舒适性方面的问题进行了深入研究，它的研究可有效地缩短国内产品 与国外产品的差距，提升国内工程机械企业的市场竞争能力，对提升工程机械产 品的舒适性和可靠性等性能方面具有较重要的实用价值。 论文在总结国内外大量相关研究的文献的基础上，构建工程机械产品减振设 计的动力学模型，并通过理论和实验相结合，探寻工程机械减振系统有效的减振 设计方法。 基于发动机振动原理，采用试验分析的方法，分析发动机二次振动幅值随转 速增加的变化规律，寻求发动机振动响应剧烈的主要原因；经过分析可知：发现 发动机在怠速下出现共振的主要原因是发动机减振器的刚度与阻尼参数不匹配； 支撑布局不合理，使发动机绕曲轴方向的倾覆力矩过大，x 方向振动响应剧烈。 基于发动机悬置系统的解耦设计理论与打击中心理论，合理设计发动机悬置 的布局和位置，同时匹配发动机减振器的刚度与阻尼参数，减小发动机与车架的 振动响应，提高发动机及各连接件的可靠性。经发动机悬置系统布局改进前后的 试验对比分析知，发动机在各个方向上，尤其在x 方向上振动明显减小；选择具 有小刚度与大阻尼特性的发动机减振器，可有效地避免发动机在低速下的共振， 并减小了发动机与车架的振动响应。 基于模态分析理论，对产品a 的驾驶室进行了模态试验分析，得到驾驶室的 各阶固有频率、模态振型，分析了驾驶室在结构设计过程中存在的薄弱环节，可 知：驾驶室悬置系统的固有频率应小于4 7 h z 。并试验分析了高速空跑过程中三 款驾驶室减振器的性能，结果表明具有低频大阻尼、高频小阻尼特性的某硅油减 振器可使驾驶室的减振区域在5 5 h z 附近，整体减振效果好，有效地改善了高速 空跑过程中驾驶室振颤的问题。 基于国内外座椅舒适性设计相关标准，量化评价座椅安装的减振效果与动态 乃：7 ：人硕十学俯论文 曼i! i _i ： i n 皇曼曼量曼舅曼曼曼暑皇量量皇曼皇曼曼皇曼 舒适性，实验分析并比较了三款座椅，结果表明：空载高速行驶与铲沙时三款座 椅的总乘坐值大，均处于不舒适的范围，b 座椅在垂直方向的减振效果明显。采 用论文减振设计方法，经过产品修改设计后的试验验证可知，产品改进后驾驶室、 车架、发动机的振动明显减小，有效地提高产品的可靠性与动态舒适性。 关键词：驾驶室，发动机，减振分析，悬置设计，模态试验，工程机械 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a sc u s t o m e r sp a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t ot h ec o m f o r to fc o n s t r u c t i o n e q u i p m e n t s ，v i b r a t i o no f c o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t sh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yc o n c e r n e d v i b r a t i o ns h o r t e n st h eu s el i f eo fp r o d u c t s i n t e g r a t e dw i t ht h ep r o j e c t e r g o n o m i c s i m u l a t i o na n da p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e sc a b ，t h i sp a p e r s t u d i e st h ev i b r a t i o ns o u r c e s ，e n g i n e sm o u n t i n gs y s t e m ，v i b r a t i o nr e d u c t i o no fc a b a n ds e a t sd y n a m i cc o m f o r ti nd e p t h ，w h i c hc o u l dc l o s et h eg a pb e t w e e nd o m e s t i ca n d f o r e i g np r o d u c t s ，i m p r o v em a r k e tc o m p e t i t i v es t r e n g t h o fd o m e s t i cc o n s t r u c t i o n m a c h i n ec o m p a n i e s t h i sp a p e rp r o v i d e sg u i d i n gs i g n i f i c a n c e f o rc o n s t r u c t i o n m a c h i n ec o m p a n i e st od e v e l o pp r o d u c t sw i t hh i g hr e l i a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c e i n d e p e n d e n t l y a c c o r d i n gt oa l l k i n d o fv i b r a t i o np r o b l e m s ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e sm a n y d o m e s t i ca n df o r e i g n r e s e a r c hl i t e r a t u r e ，a n dm o d e l st h ed y n a m i c s o f v i b r a t i o n r e d u c t i o ns y s t e mo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , t h e nf i n d st h ed e s i g nm e t h o d s o fr e d u c i n gv i b r a t i o nb yt h ec o m b i n a t i o no f t h e o r yw i t hp r a c t i c e ： b a s e do nt h ev i b r a t i o nt h e o r yo fe n g i n e ，e x p e r i m e n t a l l ya n a l y z et h eq u a d r a t i c v i b r a t i o na m p l i t u d ev a r i a t i o no ft h ee n g i n ew i t hi n c r e a s i n gs p e e d ，a n df i n dt h em a i n c a u s eo fs e v e r ev i b r a t i o n b a s e do nt h er e s u l to fa n a l y s i s ，w e 勖dt h a te n g i n e s s t i f f n e s sa n dd a m pp a r a m e t e r sm a t c hi n a p p r o p r i a t e l ya n dm a k e t h em o u n t i n gs y s t e m r e s o n a t i n g ；i n a p p r o p r i a t el a y o u to fm o u n t i n gs y s t e mm a k e st i p p i n gm o m e n t h u g e ，t h e v i b r a t i o ni ss e v e r ei nxd i r e c t i o n b a s e do nd e c o u p l i n ga n ds t r i k i n gc e n t e rt h e o r yo fe n g i n e sm o u n t i n gs y s t e m ， d e s i g nr e a s o n a b l el a y o u ta n dl o c a t i o n so fe n g i n e sm o u n t i n gs y s t e m ，a n dc h o o s et h e e n g i n e sa b s o r b e r w i t ha p p r o p r i a t es t i f f n e s sa n dd a m p ，w h i c hw i l lr e d u c et h ev i b r a t i o n r e s p o n s e o fe n g i n ea n df r a m ea n di m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ee n g i n ea n di t s a t t a c h m e n t s a f t e re f f e c t i v em e a s u r e s ，t h ev i b r a t i o n o ft h ee n g i n ei sr e d u c e d o b v i o u s l yi na l ld i r e c t i o n s ( e s p e c i a l l yi n xd i r e c t i o n ) ，r e s o n a n c eo ft h ee n g i n ei s a v o i d e db yc h o o s i n gt h ea b s o r b e r sw i t hl o w s t i f f n e s sa n dh i g hd a m p i i i b a s e do nm o d a la n a l y s i st h e o r y , t e s tt h em o d e so ft h e c a b ，g e tt h en a t i l r ai f r e q u e n c i e sa n dm o d e so ft h ec a bt oa n a l y z et h el o c a lw e a ka r e ao ft h ec a b ，ss t m c t u r e a n df i n dt h a tt h en a t u r a lf r e q u e n c i e so fc a b s m o u n t i n gs y s t e ms h o u l d1 0 w e rt h a i l4 7 h z c o n t r a s tt h r e ek i n d so fc a b s a b s o r b e r sb yt e s ta n df i n ds i l i c o n eo i l s h o e k a b s o r b e r sh a v eg o o de f f e c to fv i b r a t i o nr e d u c t i o no v e r a l l d u et ot h ep r o p e r t yo f b i g d a m pi nl o wf r e q u e n c i e sa n ds m a l ls t i f f n e s si nh i g hf r e q u e n c i e s ，锄e l i o r a 【t et h ec a b ，s v i b r a t i o nr e s p o n s ei nt h ep r o g r e s so f r u n n i n g a c c o r d i n gt od o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lc r i t e r i o n sa b o u tc o m f o r td e s i g no fc a b q u a n t i t a t i v ee v a l u a t ev ! b r a t i o n r e d u c t i o ne f f e c t sa n dd y n a m i cc o m f o r to fd i 航r e n t b a n d ss e a t s t h et e s ti n d i c a t et h a tw e i g h t e dv a l u e so fa c c e l e r a t i o no f t h r e ed i f r e r e m s e a t sa r ei nt h er a n g eo fd i s c o m f o r ti nt h ep r o g r e s so f r u n n i n ga n dl o a d i n g ；s e a tbh a s g o o de f f e c to fv i b r a t i o nr e d u c t i o ni nv e r t i c a ld i r e c t i o n b yu s i n gv i b r a t i o n r e d u c t i o n d e s i g no f t h i sp a p e r , t h et e s tv e r i f i c a t i o ns h o w st h a tt h ev i b r a t i o no f c a b ，觑l l i l e ，e n g i n e i sr e d u c e do b v i o u s l ya n d r e l i a b i l i t ya n dd y n a m i cc o m f o r ti si m p r o v e de f i e c t i v e l v k e y w o r d s ：c a b ，e n g i n e ，v i b r a t i o nr e d u c t i o n ，m o d a la n a l y s i s ，c o n s t r u c t i o nm a c h i n e i v 第一章绪论 曼曼曼曼曼曼曼曼曼i i i 寰曼曼曼曼皇曼曼皇量舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼量曼寰量曼皇曼璺篡皇曼曼寰皇量曼皇皇曼曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼 1 1 课题意义及来源 第一章绪论 工程机械作为土、石方机械，广泛应用于矿场、建筑基础、筑路、工厂、货 场、港口、水利设施建设等场所进行的装卸、铲运、起重、牵引等作业中。自2 0 0 8 年以来，为了扩大国内市场需求、促进经济增长，国务院决定至f j 2 0 1 0 年底投资4 万亿人民币用于保障性安居工程、农村基础设施建设、生态环境建设、地震灾后 重建工作以及铁路、公路、机场等重大基础设施建设。因此，近几年来在消费市 场的刺激下，工程机械行业销量激增并出现了罕见的“井喷 情形。 工程机械作为重要的工程建设设备在道路施工、矿山开采以及各种工程建设 中大量使用，其性能好坏直接影响到工程建设的速度和效率，由于以前消费者购 买工程机械往往是雇佣员工进行工作，他们仅仅关注产品的质量，而不关注产品 的舒适性，但是现在消费者对工程机械的舒适性要求越来越高。长期以来，国内 对工程机械的研发设计以经验类比、静态设计为主，研究远不如轿车和客车深入 和广泛。而工程机械工作场地的路面状况及工作环境比较恶劣，工作过程中产生 剧烈振动与噪声，使国内工程机械产品在动态性能、质量和可靠性方面与国外相 比存在较大的差距。国内工程机械整机在使用过程中经常出现发动机振动剧烈、 发动机附件疲劳断裂、驾驶室振颤、驾驶室辐射噪声大等振动问题。 同时，国内年需求量持续稳定地保持在较高的水平。随着国外的工程机械生 产厂商如美国的卡特彼勒、日本的小松等进入中国市场，工程机械行业的市场竞 争日趋激烈，对工程机械各方面的性能要求也越来越高。因此，国内工程机械生 产企业只有通过不断的技术创新，运用现有的理论研究和技术手段，提高产品的 质量和使用性能，才能在市场竞争中占领先机，获得巨大经济效益。同时工程机 械技术水平的提高将为我国非公路车辆的技术水平，实现自主开发做出重大的贡 献，直接影响到国家交通运输业、能源工业、原材料工业、农田水利建设、工业 与民用建筑及国防建设等领域的发展。 振动和噪声是影响国内工程机械动态舒适性和可靠性的两个重要因素。工程 机械由于特定工况要求，工作条件比较恶劣，工作场地凸凹不平，当在行驶或作 ， 山东学人硕十学何论文 业的过程中，由于工作装置、重物或机体的其他部件对颠簸的地面或障碍物会做 出响应，对整个车辆产生冲击，使整机振动响应剧烈【l 】。在多数情况下，振动将 产生不良的影响，对机器和操作人员是有害的。振动对工程机械的影响主要表现 在以下几个方面： 1 ) 在行驶和作业过程中的振动对机器产生了许多不良后果：一是，影响工程 机械的平顺性和操纵稳定性：二是，导致结构件因振动而发生损坏；三是，增大 结构件的疲劳和轮胎损耗；四是，导致铲斗内物料严重撒落。所有这些不良后果 不仅影响到工程机械的使用寿命，而且也限制了工程机械的行驶和作业速度，影 响了工程机械的生产效率。 2 ) 振动对人体的影响1 2 j ：振动对人体的直接影响涉及躯干和身体局部的生 物动态反应行为、生理反应、性能减退和敏感度障碍。如果人体某区域或器官出 现共振现象，将会引起相应的生理变化，这种变化涉及肌肉系统、呼吸系统、血 液循环系统、植物神经系统和感官系统。根据实验得到的结果，4 8h z 是一个 人体敏感区，此时身体部分区域产生共振。 3 ) 振动产生噪声。车内噪声按噪声产生机理可分为空气声和固体声两大类。 固体声是由于车室壁板等薄弱环节在受到发动机、传动系、路面等传来的激励作 用产生结构剧烈振动而在车室内部形成的。由于工程机械发动机输出功率高，工 作环境路况比较恶劣等因素使得车体结构振动激励比较剧烈，使固体声在车内噪 声中往往占优势，特别是轰鸣声这类低频噪声在工程车辆中尤为严重。 综上所述，由于消费者对工程机械产品舒适性的关注和国外同类产品在舒适 性上的不断提高，迫使国内工程机械产品需要不断地提高舒适性来适应新的市场 需求，论文结合山东临工工程机械有限公司博士后“典型工程机械驾驶室人机工 程虚拟仿真及应用研究 项目和一些新产品研制过程中出现的因振动引起部分 零部件故障等问题：1 ) 发动机振动剧烈，引起消声器的损坏以及地脚螺栓的断 裂；2 ) 空跑过程中，驾驶室振动响应剧烈，噪声较大，严重影响了产品的动态 舒适性及零部件的可靠性。作为博士后课题动态舒适性研究内容，本文在总结大 量国内外参考文献和理论研究的基础上，通过实验分析与理论分析相结合的方 法，寻求工程机械研发过程中有效地减振设计方法，提高装载机动态舒适性和驾 驶室构件的疲劳寿命，提升国内工程机械品牌的市场竞争力。 2 第一章绪论 论文基于采集的发动机三向振动信号，应用发动机悬置设计理论，合理设计 发动机悬置的布局及位置，同时基于发动机二次振动响应曲线，合理选择发动机 减振器的刚度、阻尼特性，减小发动机及传递到车架的振动响应，提高发动机及 其附件的可靠性；基于模态分析理论与被动隔振理论，测量驾驶室的固有频率及 模态振型，寻求驾驶室设计中薄弱环节，通过结构设计改进措施与合理匹配驾驶 室减振器的刚度、阻尼系数，抑制驾驶室的局部及整体的振动响应；基于动态舒 适性相关标准，量化座椅减振与动态舒适性的评价准则，指导驾驶室座椅的选用， 缩短工程机械产品的研发设计与试验周期，提高国内企业产品在工程机械行业的 市场竞争力。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外减振技术研究及应用现状 在汽车发展之初，各零部件之间是通过螺栓刚性地连接在一起，一方面动力 总成产生的高频周期性载荷( 力和力矩) 通过刚性连接直接传到各零部件及驾驶 员身上；另一方面路面的随机低频载荷激励通过轮胎直接传递到各零部件及操作 者身上，引起结构设计中的薄弱环节疲劳损坏，并严重影响车辆的平顺性、操纵 稳定性以及动态舒适性。后来，研发人员在发动机与车架之间加入了各式各样的 元件以衰减振动的传递【3 】。随着现代控制理论的发展，国内外研究人员围绕减振 技术已经开展了大量的研究工作，并已广泛应用于工程实践。减振器技术发展至 今主要可分为被动减振、主动减振、半主动减振。 1 ) 被动减振技术 1 9 3 0 年人们开始将橡胶硫化到金属骨架上面用于抑制发动机的振动响应【4 j 。 由于橡胶悬置具有低弹性刚度和高减振性能，已成为发动机减振设计的发展方向 之一【5 】。然而，橡胶减振器在高频激励下动刚度较大，并且耐油和耐温性能较差， 限制了橡胶减振器的减振性能。2 0 世纪4 0 年代美国人p i n gl e e 提出通过设计节流 孔衰减发动机高频小振幅与低频大振幅的液压减振器设计思想1 6 1 。近年来随着液 压减振技术的研究越来越深入，越来越多液压悬置被应用到工程实际过程中并取 得了较好的减振效果。1 9 6 2 年美国通用公司r i c h a r dr a s m u s s e n 申请了液压悬置 3 i j j 东学大硕十学位论文 的专利【7 1 。1 9 7 9 年原西德大众公司在a u d i5 缸发动机上首次安装了液压橡胶悬置 嘲。1 9 8 4 年德国f r e u d e n b e r gm e g u l a s t i k 公司和e s c a n 公司在f r 6 缸发动机上安装 了解耦式液压悬置，最多可降低车内噪声3 d b - - - 5 d b 9 1 。美国西北工业大学研究了 液压悬置在不同振幅下的频率响应。同时美国北达科他州州立大学机械工程和应 用力学系的g n a k h a i ej a z a r 等人重点研究了液压悬置高频动特性【钉。国内吉林 大学秦民等人基于系统辨识及数值分析理论，提出了模拟液压悬置动态特性的一 种数值拟合方法，通过对液压悬置频变特性进行分析，得出液压悬置的动刚度、 损失角随振动频率的变化而变化【1 0 1 。然而，液压减振器在高频激励下出现动态硬 化，无法满足现代汽车减振降噪的要求。 2 ) 半主动减振技术 为了有效地抑制发动机减振器的动态性能，半主动振技术被广泛应用到发动 机的减振器设计中。s h o u r e s h i 和g r a f 通过改变液压悬置系统的等价弹簧常量、 流体压力和限流孔尺寸来改变阻尼参数，控制悬置系统的共振频率【l l 】。经过研发 设计人员不断的探索与研究，在工程实际应用过程中，出现电流变液减振技术和 磁流变液减振技术等半主动振动控制技术。j e o n gh o o nk i m 设计了一种磁流变 变刚度发动机减振器，应用减振器垂直方向的响应变形调整减振器的刚度，减小 发动机的振动m , 9 】。1 9 8 3 年三菱汽车公司将一款电控节流孔开度的半主动液压悬 置应用在豪华g a l a n t 轿车上，具有良好的减振降噪效果1 1 2 】。1 9 8 8 年法兰克福展览 会上德国f r e u d e n b e r g 公司展出了根据路况提供最优阻尼的半主动控制式液压悬 置；同年，m e t z e l e r 公司开发成功电流变液体的液压悬置【1 3 1 。p a t r i c kn h o p k i n g s 等人设计了一种解耦器的磁流变发动机悬型1 4 j 。综上所述，半主动悬置由于能耗 低、结构简单、成本低、可靠性高，性能好，己被广泛应用与汽车发动机减振设 计t g j 。 3 ) 主动减振技术 主动减振器由被动减振器、激振器、传感器和控制器组成。主动减振器可在 低频下产生大刚度、大阻尼特性，能快速衰减冲击载荷，有效地抑制共振区域响 应幅值；在高频下小刚度、小阻尼特性，使减振器在高频激励下保持高隔振率。 1 9 8 7 年，r w h e r r i c h 实验室率先研制主动控制式液压悬置系统【”1 。1 9 8 8 年 f r e u d e n b er g 公司在f w d4 ( g 发动机上采用主动控制式液压装置，该悬置的减振 4 第一章绪论 降噪效果较好1 1 6 j 。同年p e t e rl 6 r a f 等人设计一种利用液压泵的压力驱动液体 的主动悬置，使车辆的振动水平与使用被动减振器相比降低t 5 - l o d b i ”7 1 。1 9 9 1 年，m e t z e l e r 公司和f r e u d e n b e r g 公司合作开发了一款电流变液主动液压悬置系 统【1 8 】。1 9 9 4 年德国m i c h a e lm u l l e r 等人研究了带有电磁作动器的主动液压悬置， 有效地将驾驶员左耳处的声压降低了至少l o d b 1 9 l 。1 9 9 8 年丰田汽车公司在凌志 l e x u sr x 3 0 0 轿车上批量采用了主动控制式液压悬置系统1 2 0 。2 0 0 3 年日本五十铃 公司将电磁作动器与液压悬置相结合以控制重型柴油机振动，试验表明，在 2 0 h z 3 0 h z 频段内衰减传递) - j 2 5 d b , - - , 4 6 d b 2 1 1 。2 0 0 4 年吉林大学的史文库等采用电 致伸缩材料为作动器的悬置系统，该悬置可有效减小发动机传递到车架的振动 【2 2 1 。主动减振器减振降噪性能虽然良好，但在实际应用过程中其结构复杂、成本 高、可靠性低、功率消耗大，未被广泛应用例。 1 2 2 四缸发动机减振的研究及应用现状 由于四缸内燃机对工程车辆节能减排方面优于六缸机和八缸机1 2 3 1 ，小排量四 缸内燃机成为市场的一种迫切需要。但在实际应用过程中，四缸发动机的不平衡 力与力矩较大，振动与噪声水平要比六缸机和八缸机要高。近数十年间，随着四 缸发动机向高速、大功率、高效率方向发展，内燃机爆发压力不断增加，激振力 也越来越高，振动与噪声问题就越突出【2 4 l 。国内外越来越多的研究人员投入到四 缸发动机减振减噪的研究中，形成针对四缸发动机的两种减振思想：一是通过分 析发动机机构的工作原理，找出引起发动机振动的激励源，设计相应的平衡机构， 抵消发动机的激振力；二是基于发动机悬置设计以及隔振理论，合理设计发动机 支撑布局，匹配发动机减振器的刚度、阻尼系数，通过优化设计传递路径抑制发 动机的振动响应。 1 ) 发动机平衡机构设计研究现状 世界上公认的四缸机平衡设计方法是采用“兰氏平衡机构”，以离心力合成 对应抵消二级往复惯性力。“兰氏平衡机构 广泛应用于大、中型，中、低速的 四缸柴油机中【2 5 1 。2 0 世纪9 0 年代日本学者大久保稔等实时检测发动机的振动并进 行平衡处理，为发动机主动平衡技术奠定理论基础1 2 6 1 。1 9 9 7 年德国福特汽车股份 公司开发了装有双轴平衡机构的直列四缸2 3 l - d o h c 发动机，与未安装平衡轴的 山东学人硕十学位论文 2 o l - d o h c 发动机相比，其振动烈度下降t 7 0 ，噪声水平下降t 6 0 2 7 】。丰田公 司对其1 z z - f e 发动机进行优化平衡设计，使得发动机往复运动质量下降了1 5 ， 从而使二次往复惯性力下降1 2 1 2 引。1 9 9 8 年p a r k 等人对直列四缸发动机的平衡问 题进行了研究【2 训。2 0 0 4 年本田汽车公司开发了一款安装了二级平衡机构的涡轮增 压发动机( i c t d i ) ，有效地降低了雅阁轿车的振动响应。2 0 0 6 年现代汽车公司 在索纳塔轿车的发动机中将平衡轴与油泵相结合，设计出平衡轴油泵模型，改 善了轿车的n v h 性能【3 0 3 1 1 。日本三菱汽车公司通过安装平衡轴，有效地降低了帕 杰罗轿车发动机的振动1 3 2 1 。 阎文兵，姜绍忠等应用机构动力学分析及优化设计理论，改进发动机的平衡 轴及初始安装角度，有效地减d , t 发动机的振动激励【3 3 1 。朱俊鹏，杜群贵等通过 设计了箱体双平衡轴和曲柄臂配重，有效地平衡内摆线内燃机的往复惯性力和旋 转惯性力，降低了内燃机的振动【3 训。1 9 9 6 年王永鼎通过数值计算求解使最大惯性 力最小的结构参数与平衡参数，同时平衡一次与二次惯性力，指导单缸内燃机的 设计与生产p 引。2 0 0 0 年，孙孟庆等应用质心位移法对柴油机进行平衡分析。该方 法只需计算相关参数对发动机总质心的影响，通过调节各参数的取值，可改善发 动机的平衡性能【3 6 1 。张保成，樊文欣，孟祥伟优化设计了一套双轴平衡机构，可在 1 0 0 平衡二次往复惯性力的基础上，部分抵消倾覆力矩，改善发动机的振声特性， 该研究成果已应用于直列四缸柴油机的批量生产1 3 7 1 。 2 ) 发动机悬置设计研究及应用现状 国内外科研工作者将发动机减振设计简化为发动机总成及其悬置所组成的 弹性系统力学模型进行研究，形成了发动机减振设计理论，指导发动机减振设计。 1 9 8 7 年，r r a t a 和h t a n a k a 研究怠速下发动机悬置系统的振动，发现优化悬置的 刚度的效果不如优化悬置的位置1 3 引。a n o nt t o r i s o n 和 t o r o v i t z 提出了六自由度解 耦理论和解耦的计算方法，形成较成熟的悬黄设计基础理论。b l b e l t e rk n i g h t 利用打击中心的理论，提出合理布置动力总成悬置系统的方法【3 9 j 。j o h n s o n 应用 计算机对发动机悬置刚度和悬置的位置坐标进行优化设计，使系统各平动自由度 之间的振动耦合大为减少，并有效地控制发动机悬置系统的固有频率范围【4 0 】。 1 9 8 4 年，g e c kp e 等人以低化侧倾模态为目标对悬置系统进行优化，吸收发 动机不平衡扭矩引起的振动【4 1 1 。第二汽车制造厂的上官文斌等人在扭矩轴坐标系 6 第一章绪论 曼! 量舅皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼1 曼蔓曼曼皇鼍曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼! 量! 皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼量兰皇曼曼曼! 曼量舅舅罾曼皇寞曼曼曼 中应用系统解祸理论、打击中心原理对发动机悬着系统的几何参数与动力参数进 行优化设计，取得了良好的效果【4 2 1 。陈继红，严济宽等人通过分析发动机振源， 应用解耦、打击中心理论，合理设计发动机悬置的位置，有效得抑制了四缸发动 机的振动【2 4 】。清华大学的徐石安研究发动机振动理论、隔振与解耦的关系，应用 能量法对发动机悬置系统进行解耦的优化设计【4 3 l 。王敏采用能量法，以发动机悬 置系统主要激振力方向( 臼，和z 方向) 的解耦为目标函数，优化设计江淮帅铃轻 卡动力总成悬置系统的三向刚度，后经试验验证整个悬置系统在z 方向有较高的 解耦度【3 】。吕振华，范让林应用解析方法对采用v 形悬置系统易于达到弹性解耦程 度的探讨，提出了v 形悬置组布置设计的最小刚度比约束条件和悬置倾角的选择 范围，完善了弹性解耦设计理论m j 。 1 2 3 驾驶室减振设计研究现状 驾驶室悬置作为连接驾驶室和车架的机构件，其主要作用为：( 1 ) 衰减从车 架传至驾驶室的振动，为驾驶室司机和乘员提供舒适的乘坐条件；( 2 ) 支撑驾 驶室各部件及驾驶员的重量；( 3 ) 承受和减小车架的弯曲和扭曲运动，保证驾驶 室及其总成的使用寿命。因此驾驶室悬置设计过程中不仅需要考虑悬置的布置方 式、悬置块的硬度等因素，还要考虑驾驶室结构的固有特性( 固有频率、振型) ， 减小驾驶室的振动。 1 9 7 3 年，d a c r o s b y 和d c k a m o p p 提出了半主动悬架的概念，根据反馈信号 调节可调节弹簧或阻尼，以适应路况和车况的变化1 4 5 】。2 0 0 4 年d et e m m e r m a n j 等人建立了农用机械驾驶室悬置系统的六自由度线性模型，并通过试验验证了模 型正确性，通过对驾驶室悬置系统的刚度、阻尼进行优化设计，提高驾驶室的动 态舒适性i 删。二汽技术中心的王有智，王仕达等分析了驾驶室悬置姿态对驾驶室 振动的影响，并通过试验验证改变悬置姿态可降低驾驶室的垂直和扭转振动1 4 7 】。 清华大学汽车工程系的胡师金对现代货车的橡胶隔振形式进行了总结，对驾驶室 支撑点的布置进行了探讨【4 8 】。宋发宝，马力，张宇龙等建立驾驶室刚柔混合多 体动力学模型，通过仿真计算与试验研究发现，车架刚度减小会对平顺性产生较 大的不利影响，车架的扭振和横向摆振振型对驾驶室横向或纵向的加速度响应较 大1 4 9 】。东风柳州汽车有限公司的程道然建立了驾驶室悬置系统的非线性阻尼模 7 l i l 东学大硕十学位论文 型，分析非线性阻尼参数对驾驶室振动的影响，通过多次调整与试验使减振器的 阻尼特性指数小于l ，有效地减小了驾驶室的振动响应【5 0 】。洪沁等建立驾驶室悬 置的力学模型，计算出驾驶室隔振装置( 包括地板) 的固有频率，基于被动隔振 理论，使固有频率避开主要激振力频率，大大减小了地板的振动响应【5 l 】。江淮汽 车股份有限公司的徐金志，刘江波等通过改进重卡驾驶室悬置系统中前、后螺旋 弹簧及减振器的参数，降低了驾驶室各点偏频及振动加速度【5 2 】。 1 2 4 模态试验发展及应用现状 模态是机械及结构件的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻 尼比和模态振型。这些模态参数可以由有限元计算或试验分析取得，这样一个计 算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得 的，则称为计算模态分析：如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数 识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。 振动模态弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构 物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性就可能预估结构在此频段 内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计 及设备故障诊断的重要方法【5 3 1 。 近十多年来，出于计算机技术、f f t 分析仪、高速数据采集系统以及振动传 感器、激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电 力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视，已有各种各样的模态 分析硬件与软件问世。模态试验方法发展至今，基于不同的试验条件已形成了不 同试验方法，主要表现在：激励方法不同。目前主要由单输入单输出( s i s o ) 、单 输入多输出( s i m o ) 多输入多输出( m i m o ) 三种方法。s i m o 及m i m o 的方法则要求大量 通道数据的高速并行采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本 较高。以输入力的信号特征还可分为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随机( 包括 白噪声、宽带噪声或伪随机) 、瞬态激励( 包括随机脉冲激励) 等。 模态试验分析过程中除了需要激振拾振装置、双通道f f t 分析仪、台式或便 携式计算机等硬件外，还要有一个功能全面，可靠性高的模态分析软件包。通用 的模态分析软件包必须适合各种结构物的几何物征，设置多种坐标系，划分多个 8 第一章绪论 子结构，具有多种拟合方法，并能将结构的模态振动在屏幕上三维实时动画显示 1 5 4 1 o 合肥工业大学张霆使用l m s 模态测试分析系统对某轻型商用车驾驶室进行模 态分析试验，得到了驾驶室自由状态下各阶固有频率和模态振型1 5 4 1 。朱茂桃，姜 辉应用力锤、s d 3 8 0 型动态分析仪以及s t a rs y s t e m 软件，基于单参考点复指数法， 建立自回归模型( a r 模型) ，通过参数估计求出自回归系数，构造关于极点的p r o n y 多项式，求出极点和留数，得到货车驾驶室结构的5 阶固有频率【5 5 】。孙海霞应用 北戴河传感器技术研究所的振动( 冲击) 传感器和北京东方振动和噪声技术研究 所的d l f - 8 多通道电荷电压滤波积分放大器、i n v 3 0 s d ( f ) 智能信号采集处理分 析仪和结构模态分析软件系统，对前排料搅拌车车架进行模态试验，得到车架的 前8 阶固有频率及模态振型【5 6 1 。 1 2 5 动态舒适性研究及应用现状 动态舒适性是指人承受振动过程中所感受到主观上的相对舒适程度。一般认 为，对汽车平顺性评价的影响因素有两个：客观的生理学因素、主观的心理学因 素。人体对振动的反应可分为两个过程：一个过程是振动传递到人体后引起的人 体各部位的振动响应：另一个过程是对人体承受振动响应时的主观感觉。第一个 过程对应着客观物理评价，第二个过程对应着主观感受评价。有关学者把主观评 价与客观评价结合起来量化人体的动态舒适性，形成了相关动态舒适性的评价方 法【2 】。 1 9 4 8 年j a n e w a y 认为影响人体舒适性的主要因素为：低频、中频加速度，高 频速度，提出了人体舒适性评价指标的j 值算法，评价由振动引起的人体疲劳和 极不舒适的感觉。1 9 6 8 年，p r a d k o 等人将人体看作一线性弹性体，通过计算人体 振动系统内部所吸收的振动能量来评价人体乘坐舒适性【5 7 1 。j a n e w a y 等人用吸收 功率法评价座椅的舒适性，结果证明此方法比较有效和可靠。1 9 7 4 年国际标准化 组织正式发布i s 0 2 6 3 1 “人体承受全身振动评价指南 。1 9 7 8 年、1 9 8 5 年对此标 准编辑修改后重新公布该标准用1 3 倍频程加速度均方根值给出卜8 0 h z ：频率范 围内垂直和水平方向不同振动频率和暴露时间下，人体对振动响应的三个不同界 限的振动允许值，并推荐了1 3 倍频程分别评价法和总加权值法两种评价方法【5 引。 9 i jj 东学大硕十学传论文 i = i i ii,i i i i i 曼曼曼量皇皇皇皇 1 9 8 6 年，6 r i f f i n 在多年试验研究的基础上提出对各种情形下比较适用的“总体 乘坐值法 。此方法被国际标准化组织采纳，并以此为依据发布了i s 0 2 6 3 1 c d 一1 9 9 1 委员会草案【2 , 5 7 , 5 9 1 。 1 3 研究内容 驾驶员承受的振动主要来自发动机的周期性振动和路面的随机激励。驾驶员 对发动机与路面激励都为三级减振。本文不分析橡胶轮胎的减振性能，只针对发 动机减振、驾驶室减振、座椅减振进行建模分析如下图所示： 驾驶员 七，辜白c s 驾驶室 发动机 ， 屯申毛至t j c 。 i 图1 1 驾驶室隔振动力学模型 课题针对新产品研发中出现的各种振动问题，基于振动理论和模态分析理 论，通过理论与试验相结合的方法，探寻工程机械驾驶室减振设计方法，提高产 品的舒适性与可靠性。 1 ) 基于发动机振动理论分析，试验研究发动机振动激励的频谱分布，为后 续发动机减振设计研究方法提供理论支撑。 2 ) 基于发动机振源研究结果与发动机悬置系统设计理论，合理设计发动机 悬置的布局和位置，减小发动机及车架的振动响应。 3 ) 基于主动隔振理论和发动机振动激励幅频响应曲线，通过试验分析，合 1 0 第一章绪论 曼皇曼曼曼毫曼曼曼曼曼量曼曼皇曼量曼寡曼曼曼曼曼曼皇皇皇曼曼i i i 毫曼曼! 皇曼曼鼍曼曼! 鼍量鼍曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼璺曼曼曼量曼皇曼皇曼舅曼曼 理匹配发动机减振器的刚度( 墨) 与阻尼( c 。) 参数，进一步减小发动机与车架 的振动响应。 4 ) 基于模态分析理论，对驾驶室进行模态试验，分析驾驶室的各阶固有频 率及模态振型，提出结构设计的改进建议，减小驾驶室的局部振动响应。 5 ) 基于被动隔振理论，通过试验对比分析，合理匹配驾驶室减振器的刚度 ( k 2 ) 与阻尼( c ，) 参数，减小驾驶室的整体振动响应。 6 ) 实验分析并对比三款座椅( 具有不同刚度屯与阻尼c ，) 对整机动态舒适 性与减振性能的影响，为工程机械座椅的选用提供理论依据。 山东学火硕+ 学伊论文 第二章工程机械驾驶室激励源减振研究 在工程机械作业过程中，驾驶室主要承受两方面的振源激励：一方面是路面 的随机振动载荷；另一方面是发动机及传动系统工作过程中产生的高频振动激 励。由于工程机械工作环境特殊，较少移动或者移动速度慢，路面激振频率很低。 而发动机转速较高，发动机与传动系统各工作机构随发动机曲轴转动做周期性运 动，即发动机激振力频率较高，容易造成结构件的疲劳损坏。在新研发的产品a 在产品测试过程中，由于发动机振动响应剧烈，导致消声器损坏、地脚螺栓断裂 等问题，严重影响了产品的可靠性和市场竞争力。在实际作业过程中，挖掘机一 般很少移动，因此，发动机及其附件的疲劳损坏主要是由发动机周期激振力产生 的交变应力引起的。本章将针对以上出现的问题，通过试验分析安装在产品a 上的直列四缸发动机振动剧烈的原因，探寻发动机减振设计方法，进而减小车架 的高频振动响应，提高产品的动态舒适性。 2 1 发动机振源试验分析 2 1 1 发动机振动理论及激励源 发动机动力总成质量较大，主要由发动机及其刚性连接的离合器、变速箱等 组成，发动机工作过程中往复惯性力、离心力、燃气压力等引起的不平衡力和力 矩直接或通过曲轴间接作用于发动机壳体，引起发动机整体的振动响应。随着人 们对四缸发动机高效率、低油耗的要求越来越高，发动机的爆发压力不断增加， 发动机壳体所承受的激振力越来越大，严重影响工程机械产品的可靠性和动态舒 适性。因此，发动机的不平衡力和力矩是引起工程机械振动与噪声的主要激励源 之一。发动机在运转过程不平衡力和力矩的来源可归结为： 1 ) 由于发动机重，1 5 做周期性移动的影响； 2 ) 沿气缸上下方向做往复运动部分的惯性力的影响； 3 ) 连杆左右摆动时的