拖拉機(jī)方向盤(pán)振動(dòng)異常的分析與改進(jìn)

□ 方增強(qiáng) □ 李 娜 □ 史洪濤 □ 王 強(qiáng) □ 王貴雷

河南中聯(lián)重科智能農(nóng)機(jī)有限責(zé)任公司 河南開(kāi)封 475000

1 分析背景

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)備舒適性的要求越來(lái)越高。拖拉機(jī)方向盤(pán)的振動(dòng)問(wèn)題備受關(guān)注,振動(dòng)性能成為影響拖拉機(jī)銷(xiāo)量的主要因素之一[1-2]。筆者以某四缸拖拉機(jī)方向盤(pán)為研究對(duì)象,針對(duì)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)升速過(guò)程中方向盤(pán)振動(dòng)較大的問(wèn)題,在樣車(chē)上進(jìn)行分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,改善了方向盤(pán)振動(dòng)性能,解決了方向盤(pán)振動(dòng)異常的問(wèn)題。

2 問(wèn)題情況

根據(jù)用戶(hù)反饋,某型號(hào)拖拉機(jī)方向盤(pán)在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、升速和最高速時(shí)均存在明顯的振動(dòng)。對(duì)筆者采用試驗(yàn)方法對(duì)方向盤(pán)振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行排查,試驗(yàn)設(shè)備采用LMS Test.Lab系統(tǒng)。由于篇幅有限,僅介紹升速工況測(cè)試情況。對(duì)升速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行摸底測(cè)試,發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)顏色圖如圖1所示。由圖1可知,在升速過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率以二階和四階為主,其中二階激勵(lì)頻率最為顯著。升速過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)頻率集中在30～80 Hz。

發(fā)動(dòng)機(jī)和方向盤(pán)振動(dòng)響應(yīng)圖如圖2所示,方向盤(pán)振動(dòng)顏色圖如圖3所示。由圖2和圖3可知,在發(fā)動(dòng)機(jī)升速過(guò)程中,方向盤(pán)在X、Y、Z三個(gè)方向振動(dòng)起伏均較大,并且振動(dòng)問(wèn)題主要是由于方向盤(pán)與發(fā)動(dòng)機(jī)的二階激勵(lì)頻率產(chǎn)生共振引起的。

3 懸置問(wèn)題排查及改進(jìn)

由激勵(lì)源角度對(duì)方向盤(pán)振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行排查,發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)通過(guò)懸置向車(chē)身傳遞,所以首先對(duì)懸置隔振效果進(jìn)行測(cè)試分析。通常情況下,隔振效果要求大于15 dB[3]。

▲圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)顏色圖

▲圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)和方向盤(pán)振動(dòng)響應(yīng)圖

通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)前后懸置隔振效果有較大差異,左前懸置隔振效果基本在20 dB左右,右后懸置隔振效果小于15 dB,不能滿(mǎn)足使用要求。通過(guò)實(shí)車(chē)檢查,發(fā)現(xiàn)后懸置安裝支架平面不符合要求。對(duì)實(shí)車(chē)后懸置安裝支架平面度進(jìn)行校正不僅成本高,而且操作難度較大,對(duì)此,可以從提高懸置性能的角度來(lái)解決[4]。

懸置的動(dòng)剛度是影響隔振效果的主要因素[5],通過(guò)測(cè)試得到原懸置的軸向動(dòng)剛度為387 N/mm,經(jīng)對(duì)比分析,選擇一款與原懸置結(jié)構(gòu)、尺寸、價(jià)格相當(dāng)?shù)妮S向動(dòng)剛度為696 N/mm的懸置。

▲圖3 方向盤(pán)振動(dòng)顏色圖

右后懸置更換前后隔振效果對(duì)比見(jiàn)表1,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)方向盤(pán)振動(dòng)明顯減小。懸置更換前后方向盤(pán)振動(dòng)響應(yīng)圖如圖4所示,方向盤(pán)整體振動(dòng)加速度有效值約降低40%,主要表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min及1 500～2 300 r/min時(shí),X、Y、Z三個(gè)方向上的振動(dòng)均明顯降低。但是,方向盤(pán)的振動(dòng)仍然偏大,需要進(jìn)一步進(jìn)行排查。

表1 右后懸置隔振效果對(duì)比

4 機(jī)身前端問(wèn)題排查及改進(jìn)

從傳遞路徑上進(jìn)行振動(dòng)問(wèn)題排查,發(fā)現(xiàn)拖拉機(jī)前機(jī)艙蓋支架直接連接在車(chē)身前圍上,原前機(jī)艙蓋支架連接方案如圖5所示。方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向管柱也直接連接在車(chē)身前圍上,因此確認(rèn)前機(jī)艙蓋支架與車(chē)身前圍之間的直接連接是導(dǎo)致方向盤(pán)振動(dòng)過(guò)大的主要傳遞路徑之一。

斷開(kāi)前機(jī)艙蓋支架與車(chē)身前圍之間的連接,發(fā)現(xiàn)方向盤(pán)振動(dòng)整體降低約15%,轉(zhuǎn)速在1 200 r/min及最高轉(zhuǎn)速2 350 r/min附近的振動(dòng)明顯降低。這說(shuō)明前機(jī)艙蓋的振動(dòng)對(duì)方向盤(pán)的振動(dòng)有較大影響,有必要對(duì)前機(jī)艙蓋與車(chē)身前圍連接這一振動(dòng)傳遞路徑進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)此,筆者設(shè)計(jì)了新結(jié)構(gòu)的前機(jī)艙蓋連接支架。新結(jié)構(gòu)前機(jī)艙蓋支架連接方案如圖6所示。這一優(yōu)化設(shè)計(jì)方案通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)延伸出的前機(jī)艙蓋支架實(shí)現(xiàn)連接,可以阻斷前機(jī)艙蓋支架與車(chē)身前圍連接的這一振動(dòng)傳遞路徑。

▲圖4 懸置更換前后方向盤(pán)振動(dòng)響應(yīng)圖

▲圖5 原前機(jī)艙蓋支架連接方案

前機(jī)艙蓋支架連接優(yōu)化前后方向盤(pán)振動(dòng)響應(yīng)圖如圖7所示,方向盤(pán)振動(dòng)整體降低約15%。

5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)問(wèn)題排查及改進(jìn)

5.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)問(wèn)題排查

從振動(dòng)傳遞路徑上進(jìn)行排查,對(duì)方向盤(pán)進(jìn)行頻響測(cè)試,得到方向盤(pán)系統(tǒng)模態(tài)頻率為27.1Hz。通過(guò)模態(tài)測(cè)試得到的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模態(tài)頻率為26.7Hz。方向盤(pán)模態(tài)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速模態(tài)頻率比較接近,兩者很容易產(chǎn)生耦合,使方向盤(pán)產(chǎn)生共振。所以,需要對(duì)方向盤(pán)系統(tǒng)的模態(tài)進(jìn)行優(yōu)化,以避開(kāi)共振頻率[6]。

▲圖6 新結(jié)構(gòu)前機(jī)艙蓋支架連接方案

▲圖7 前機(jī)艙蓋支架連接優(yōu)化前后方向盤(pán)振動(dòng)響應(yīng)圖

5.2 改進(jìn)方案一

考慮優(yōu)化方向盤(pán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)提高模態(tài)頻率,避開(kāi)共振頻率[7]。筆者采用有限元法計(jì)算方向盤(pán)子系統(tǒng)模態(tài),然后與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,校核有限元模型,再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,來(lái)達(dá)到提高方向盤(pán)子系統(tǒng)模態(tài)頻率的目的。

將方向盤(pán)子系統(tǒng)的三維模型導(dǎo)入Hypermesh軟件,采用殼單元建立駕駛室結(jié)構(gòu)有限元模型,焊接單元采用RBE2剛性單元進(jìn)行模擬。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間和提高計(jì)算精度,對(duì)駕駛室模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。所建立的方向盤(pán)子系統(tǒng)有限元模型如圖8所示。

▲圖8 方向盤(pán)子系統(tǒng)有限元模型

筆者應(yīng)用MSC.Nastran有限元軟件中的蘭喬斯法計(jì)算方向盤(pán)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)[8]。通過(guò)仿真分析,可知方向盤(pán)子系統(tǒng)的一階橫擺振型模態(tài)頻率為27.67 Hz,振型如圖9所示。與原模態(tài)頻率結(jié)果27.1 Hz基本一致,說(shuō)明有限元模型沒(méi)有問(wèn)題,可以在這一模型上進(jìn)行優(yōu)化。

由方向盤(pán)子系統(tǒng)一階橫擺振型可知,方向盤(pán)安裝支架在Y向結(jié)構(gòu)較弱,Y向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是模態(tài)優(yōu)化的主要方向,筆者設(shè)計(jì)了兩種做法。

做法A如圖10所示,在方向盤(pán)支架左右兩側(cè)各增加一個(gè)5 mm厚、40 mm寬的加強(qiáng)鋼板,材質(zhì)為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼。

做法B如圖11所示,在方向盤(pán)支架前方增加一個(gè)5 mm厚、40 mm寬的加強(qiáng)鋼板,材質(zhì)為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼。

兩種做法方向盤(pán)子系統(tǒng)一階振型如圖12、圖13所示。圖12方向盤(pán)子系統(tǒng)一階模態(tài)頻率為39.94 Hz,較改進(jìn)前的模態(tài)頻率提高約12 Hz,優(yōu)化效果較為顯著。圖13方向盤(pán)子系統(tǒng)一階模態(tài)頻率為30.81 Hz,較改進(jìn)前的模態(tài)頻率提高約3 Hz。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車(chē)沒(méi)有實(shí)施位置空間進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng),這兩種做法可以作為新車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)的儲(chǔ)備方案,為新車(chē)型設(shè)計(jì)提供參考[9]。

▲圖10 做法A

▲圖11 做法B

▲圖12 做法A方向盤(pán)子系統(tǒng)一階振型

5.3 改進(jìn)方案二

針對(duì)實(shí)車(chē)現(xiàn)狀,可以通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增加二級(jí)隔振來(lái)降低方向盤(pán)子系統(tǒng)的模態(tài)頻率,達(dá)到避振的目的[10]。對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增加二級(jí)隔振的方案進(jìn)行有限元仿真計(jì)算,對(duì)隔振墊采用Bush單元進(jìn)行模擬,對(duì)轉(zhuǎn)向管柱采用Solid實(shí)體單元進(jìn)行模擬,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元模型如圖14所示。

▲圖13 做法B方向盤(pán)子系統(tǒng)一階振型

▲圖14 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元模型

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增加二級(jí)隔振后,方向盤(pán)子系統(tǒng)一階振型如圖15所示。這一改進(jìn)方案較改進(jìn)前的模態(tài)頻率降低2.6 Hz,能夠?qū)崿F(xiàn)避開(kāi)共振頻率的目的。

▲圖15 增加二級(jí)隔振后方向盤(pán)子系統(tǒng)一階振型

對(duì)拖拉機(jī)更換右后懸置,采用新結(jié)構(gòu)前機(jī)艙蓋支架連接方案,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增加二級(jí)隔振后,在發(fā)動(dòng)機(jī)升速過(guò)程中,方向盤(pán)振動(dòng)改善結(jié)果見(jiàn)表2,由表2可以看出,經(jīng)過(guò)改進(jìn)后方向盤(pán)振動(dòng)明顯降低,達(dá)到預(yù)期目標(biāo),同時(shí)驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。

表2 方向盤(pán)振動(dòng)改善結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)改進(jìn),使升速工況下拖拉機(jī)方向盤(pán)的振動(dòng)得到改善,并得出四方面結(jié)論。

(1)從激勵(lì)源角度考慮,四缸拖拉機(jī)方向盤(pán)振動(dòng)過(guò)大的主要原因是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)或車(chē)身局部模態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)耦合,導(dǎo)致振動(dòng)被放大。

(2)從傳遞路徑上對(duì)方向盤(pán)振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行排查時(shí)可以遵循如下排查路徑:首先保證懸置隔振效果能夠達(dá)標(biāo),然后逐個(gè)斷開(kāi)車(chē)身前端部件與車(chē)身的連接來(lái)排查各部件對(duì)方向盤(pán)振動(dòng)的影響,最后對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)連接和模態(tài)問(wèn)題進(jìn)行排查。

(3)懸置的動(dòng)剛度是影響懸置隔振效果的主要因素,懸置的安裝狀態(tài)也會(huì)對(duì)懸置隔振效果產(chǎn)生較大影響,需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求安裝懸置。

(4)拖拉機(jī)方向盤(pán)振動(dòng)機(jī)理較為復(fù)雜,需要采用完整的源-路徑-響應(yīng)噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度流程來(lái)解決方向盤(pán)振動(dòng)異常問(wèn)題,進(jìn)而達(dá)到預(yù)期的改進(jìn)目標(biāo)。