挖掘機(jī)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王 成，朱東烈

（山重建機(jī)有限公司，山東 臨沂 276024）

挖掘機(jī)是一種工況和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的工程機(jī)械，但因其工作環(huán)境比較惡劣，履帶沖擊較大，旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大的傾覆力矩，不僅會(huì)影響整機(jī)的舒適性，還會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)和其他零部件的疲勞損壞，降低產(chǎn)品的可靠性。并且隨著用戶對(duì)整機(jī)舒適性要求的不斷提高和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，挖掘機(jī)的隔振降噪問題成為很多企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)研究的方向。

1 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的作用

挖掘機(jī)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)主要是減少或隔離發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和路面不平整產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊，懸置系統(tǒng)主要有以下幾方面功能［1］：

（1）支撐作用，即懸置系統(tǒng)需要具有足夠的剛度來(lái)支撐動(dòng)力總成，避免動(dòng)力總成發(fā)生過大的變形而造成損壞。

（2）限位作用，即懸置元件可以有效避免在各種激振力（啟動(dòng)、回轉(zhuǎn)、挖掘、卸料）作用下產(chǎn)生的最大位移。

（3）雙向隔振作用，即懸置元件不僅需要隔離動(dòng)力總成向車架傳遞振動(dòng)，還需要阻止因行走引起的路面激振力向動(dòng)力總成傳遞。

2 減振器參數(shù)設(shè)計(jì)

挖掘機(jī)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)減振主要采用橡膠減震器，橡膠減振的內(nèi)在機(jī)理是內(nèi)摩擦對(duì)振動(dòng)的衰減，即橡膠分子之間及分子添加劑之間產(chǎn)生的相互作用［2］。動(dòng)力總成產(chǎn)生的激振力主要是依靠橡膠減振器內(nèi)摩擦進(jìn)行隔離吸收。減振器的主要參數(shù)包括載荷、剛度、阻尼、硬度、固有頻率等，但這些參數(shù)在設(shè)計(jì)過程中可能會(huì)相互矛盾，需要根據(jù)實(shí)際情況均衡設(shè)計(jì)，因此需要豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2.1 減振器硬度設(shè)計(jì)

橡膠減振器的硬度對(duì)于支撐限位和隔振性能都有重要影響，但是對(duì)限位和隔振性能的影響又相互制約。從隔振的角度，為達(dá)到好的隔振性能，減振器越軟越好，但從支撐和限位的角度，為減小振動(dòng)過程的位移，減振器越硬越好，這就需要在設(shè)計(jì)過程中充分考慮兩方面因素。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，挖掘機(jī)用減振器邵氏硬度在40～65HS范圍最佳。如果減振器硬度低于40HS，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)位移較大，不僅會(huì)造成與發(fā)動(dòng)機(jī)連接零件的損壞或者松動(dòng)，而且會(huì)造成減振器內(nèi)部生成熱量增多，造成減振器過早老化和蠕變。但是如果減振器硬度大于65HS時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的激振力會(huì)更多的傳遞到車架上，減振效果會(huì)變差。一般來(lái)說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)在同一轉(zhuǎn)速下，4缸柴油機(jī)比6缸柴油機(jī)的振動(dòng)基頻低，通常同一款減振器硬度越低，固有頻率也越低，所以4缸柴油機(jī)減振器設(shè)計(jì)邵氏硬度一般在40～55HS范圍，6缸柴油機(jī)減振器設(shè)計(jì)邵氏硬度一般在45～65HS范圍，這樣有利于動(dòng)力總成的隔振和限位。

2.2 減振器剛度和阻尼系數(shù)設(shè)計(jì)

剛度和阻尼系數(shù)對(duì)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要作用，直接影響減振器對(duì)挖掘機(jī)工況的適應(yīng)能力。減振器的設(shè)計(jì)原則是減振器低頻時(shí)剛度高阻尼大、高頻剛度低阻尼小，這樣可以有效防止在低頻時(shí)動(dòng)力總成振幅過大，在高頻時(shí)又具有良好的隔振效果。如圖1所示為某減振器剛度-阻尼和頻率曲線。

圖1 剛度&阻尼-頻率曲線

2.3 減振器額定載荷設(shè)計(jì)

額定載荷是指減振器在工作時(shí)能夠承受的負(fù)荷［3］，它不僅對(duì)隔振效果有影響，最重要的是會(huì)影響減振器的壽命，而且同一款減振器的載荷與剛度-硬度成比例關(guān)系。對(duì)于同一款減振器，額定載荷大壽命會(huì)長(zhǎng)，但是硬度和固有頻率也大，因此隔振效果會(huì)變差；額定載荷小硬度也會(huì)小，雖然隔振效果會(huì)變好，但是壽命會(huì)變短。為了綜合平衡壽命與隔振效果之間的關(guān)系，挖掘機(jī)用減振器額定載荷一般為懸置點(diǎn)計(jì)算載荷的1.2～1.5倍。在確定減振器載荷時(shí)，除了考慮懸置點(diǎn)的靜態(tài)載荷外還要考慮動(dòng)態(tài)載荷，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中一直朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，相對(duì)來(lái)說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)的懸置點(diǎn)動(dòng)態(tài)受力會(huì)大一些。因此在計(jì)算右側(cè)懸置點(diǎn)的載荷時(shí)需要在靜態(tài)載荷基礎(chǔ)上加上發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，一般需要保證靜態(tài)載荷與扭矩之和高于該點(diǎn)的減振器額定載荷，確保減振器一直在正常承載范圍內(nèi)工作。

3 懸置系統(tǒng)固有頻率和傳遞率計(jì)算

動(dòng)力總成有6個(gè)方向的自由度，這6個(gè)方向的振動(dòng)是相互耦合的，這樣會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力總成的振幅增加，振動(dòng)頻率范圍過寬，不能有針對(duì)性地對(duì)動(dòng)力總成進(jìn)行減振設(shè)計(jì)。因此，在動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的隔振設(shè)計(jì)中，初步選定減振器后需要首先進(jìn)行系統(tǒng)解耦分析，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)各個(gè)方向的參數(shù)，控制動(dòng)力系統(tǒng)各個(gè)方向的振幅響應(yīng)和固有頻率［3］。

通過解耦后的6個(gè)自由度方向都有自己的固有頻率，再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的基頻就可以計(jì)算出系統(tǒng)在6個(gè)方向的傳遞率。發(fā)動(dòng)機(jī)的基頻影響因素較多，可以根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)、沖程數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的基頻。下面是4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)基頻計(jì)算公式［2］

式中n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；i為發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)；τ為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)。

懸置系統(tǒng)中每個(gè)自由度方向的固有頻率都需要避開發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率，否則會(huì)引起共振。通常在懸置系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到懸置元件上的力、速度或加速度與懸置元件傳遞到回轉(zhuǎn)平臺(tái)上的力、速度或加速度的比值，簡(jiǎn)稱傳遞率［4］。傳遞率越大，隔振率就越小，隔振效果就越差；傳遞率越小，隔振率就越大，隔振效果就越好。根據(jù)隔聲原理，可以推導(dǎo)出系統(tǒng)傳遞率T的計(jì)算公式［4］

式中 f為振動(dòng)源的激振頻率，Hz；f0為懸置系統(tǒng)固有頻率，Hz；δ/δ0為減振器的阻尼比；δ為減振器的阻尼系數(shù)；δ0為臨界阻尼系數(shù)。

根據(jù)傳遞率計(jì)算公式可以通過曲線直觀的表現(xiàn)傳遞率T和頻率比f(wàn)/f0及阻尼比δ/δ0之間的關(guān)系，如圖2所示為傳遞率T與頻率比f(wàn)/f0及阻尼比δ/δ0的關(guān)系曲線［4］。

根據(jù)力傳遞特性曲線，只有當(dāng)f與f0的頻率比傳遞率T才會(huì)小于1，懸置系統(tǒng)才會(huì)有隔振效果，并且頻率比越大傳遞率T就越小，系統(tǒng)隔振效果就會(huì)越好。因此，懸置系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)隔振效果，系統(tǒng)固有頻率必須小于發(fā)動(dòng)機(jī)基頻的1/。而挖掘機(jī)用4缸發(fā)動(dòng)機(jī)怠速通常為1000r/min，6缸發(fā)動(dòng)機(jī)怠速通常為900r/min，根據(jù)公式（1），4缸發(fā)動(dòng)機(jī)基頻為33.3Hz，6缸發(fā)動(dòng)機(jī)基頻為45Hz，所以系統(tǒng)各方向固有頻率4缸機(jī)需要小于23.55Hz，6缸機(jī)小于31.82Hz才有減振效果。

圖2 傳遞率T與頻率比f(wàn)/f0及阻尼比δ/δ0的關(guān)系

懸置系統(tǒng)除發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)外，還會(huì)有路面的激勵(lì)。路面激勵(lì)頻率較低，一般在5Hz以下。因此，懸置系統(tǒng)的固有頻率都需要大于5Hz，避免與路面激勵(lì)產(chǎn)生共振而影響隔振效果。

4 懸置系統(tǒng)懸置結(jié)構(gòu)分析

4.1 懸置支架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

在正常設(shè)計(jì)過程中，減振器不會(huì)和發(fā)動(dòng)機(jī)與車架直接安裝在一起，需要通過懸置支架（通常說(shuō)的發(fā)動(dòng)機(jī)支腿）連接。為了避免懸置支架與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振，需要懸置支架的模態(tài)頻率遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求懸置支架模態(tài)頻率大于500Hz［1］。

例如：挖掘機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速n一般為2000r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)i為4缸，發(fā)動(dòng)機(jī)沖程τ為4沖程。

根據(jù)圖2力傳遞曲線可以得知，在頻率比γ小于0.2時(shí)，系統(tǒng)傳遞率接近1，這樣可以把懸置支架和發(fā)動(dòng)機(jī)看作剛形體，避免發(fā)動(dòng)機(jī)或減振器與懸置支架產(chǎn)生共振。

4.2 懸置支架剛度和強(qiáng)度分析

懸置支架的剛度和強(qiáng)度對(duì)隔振和壽命都會(huì)產(chǎn)生影響。為了減少與懸置系統(tǒng)產(chǎn)生共振的危險(xiǎn)，提高系統(tǒng)的強(qiáng)度和壽命，對(duì)車架上的懸置支撐和發(fā)動(dòng)機(jī)支撐腿也有一定的要求。懸置系統(tǒng)剛度為動(dòng)力總成端懸置支架、懸置元件和車架端支架三者總剛度K，計(jì)算公式為［1］

式中Ku為動(dòng)力總成端支架剛度；Kb為懸置元件自身剛度；Kd為車架端支架剛度。

通過公式（3）可以得知，當(dāng)支架剛度非常大時(shí)，懸置系統(tǒng)總剛度即為懸置元件的剛度，但如果支架剛度較低，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)總剛度降低，這樣可能會(huì)造成局部共振和疲勞損壞。為了提高隔振效果和壽命，減少共振的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)行業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，支架剛度至少為懸置元件剛度的6～10倍［1］以上。

除剛度外，懸置支架的強(qiáng)度對(duì)支架壽命的影響也較大，如果強(qiáng)度不夠很容易會(huì)引起懸置支架斷裂。懸置支架使用材料不同對(duì)支架強(qiáng)度要求也不同，理論上懸置支架最大應(yīng)力只要不超過材料屈服強(qiáng)度值就可以，但是為了防止某些特殊工況的超載，需要預(yù)留安全余量。因?yàn)椴煌髽I(yè)對(duì)故障率的要求不一樣，安全余量行業(yè)內(nèi)沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，但是一般支架的應(yīng)力不應(yīng)超過材料屈服強(qiáng)度的1/4～1/3。

5 懸置系統(tǒng)隔振效果評(píng)價(jià)

通常懸置系統(tǒng)用隔振率來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)隔振效果，隔振率是指被隔振物體（動(dòng)力總成）振動(dòng)響應(yīng)幅值和基礎(chǔ)（車架）振動(dòng)響應(yīng)幅值的比值，隔振率越大，說(shuō)明隔振效果越好。隔振率可以是力隔振率、速度隔振率或加速度隔振率，一般力和速度直接測(cè)量比較困難，工程上通常測(cè)量加速度。加速度隔振率TdB以分貝（dB）形式表示為［5］

式中azd為動(dòng)力總成側(cè)加速度均方根值；abd為車架側(cè)加速度均方根值。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為振動(dòng)的衰減在20dB以上時(shí)，懸置系統(tǒng)具有良好的隔振效果，即要求傳遞到車架側(cè)的加速度不能大于發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的1/10，這樣懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)才滿足要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

在動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)上述這些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)分析，并滿足上述要求。這樣不僅可以避免一些因素的影響，在后期測(cè)試過程中即使出現(xiàn)問題也有優(yōu)化的重點(diǎn)和方向，對(duì)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的參考和指導(dǎo)意義。只有懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合要求，整機(jī)的振動(dòng)和噪聲才會(huì)有較好的結(jié)果，對(duì)整機(jī)零部件的疲勞損傷才會(huì)降到最低，可以有效提高整機(jī)零部件的可靠性和壽命，使整機(jī)舒適性達(dá)到用戶的滿意，提升產(chǎn)品的品質(zhì)和口碑，使產(chǎn)品具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。