叉车整机振动过大问题解决方案

黄祥兴

摘 要：叉车整机振动是影响叉车操作性和舒适性的主要原因，如何解决查叉车整机振动过大问题已经成为很多企业急需解决的问题。本文通过利用有限元方法，并以模拟分析来降低叉车振动，并从叉车的车架，发动机着手，联系实际测试，对某种型号的叉车进行系统的简称分析。

关键字：叉车；整机；振动；解决方案；

随着社会经济的发展，很多物流，仓储行业也得到一定程度的发展，叉车是一种被专用于起重和运输，装卸货物的重要工具，虽然车速行驶较慢，即便路况比较好的情况下，但由于驾驶员长时间操作，叉车的整机振动也会影响驾驶员的舒适性，有时会产生驾驶疲劳进而影响驾驶的安全性，叉车作业的安全性问题已经成为很多制造厂商重点研发的内容。本文联系实际工程需求，从叉车的全面减振出发，针对某种型号的叉车怠速工况下，油门踏板，方向盘等多处存在较大幅度振动，利用叉车振动现象进行研究，并运用实验测试和相关技术分析，提出了最优化的解决方案，希望能给相关工作人员提供帮助。

1 叉车的振动分析

叉车在运行过程中需要承受来自内部和外部的激励，主要是随机激振和简谐激振，前者属于叉车行驶时遇到不平整的路面对于车轮的作用，后者代表发动机工作过程中冲程燃烧爆炸的压力和活塞往复惯性所引起的振动，而当这种激振频率与固有频率相接近时，车架就会形成共振。

首先从试验测试分析角度來看，叉车的车架是叉车行驶的重要组成部分，我们的研究中发现叉车的车架没有明显的纵梁，与安全护顶架连连为一体，具有较强的刚柔和耦合性。同时，它采用四缸四冲发动机，对比实验模态测试分析得到的固有频率，该叉车在处于怠速过程中的其激振频率，进而可能会产生耦合共振。其次，从动力总成系统的振动和角度来看，叉车的前后悬具有特殊的结构，动力总成系统是由发动机，变速箱，前桥为动力总成系统。通过桥夹和车架刚性进行有效连接，总成的对称线是与水平面成一定角度的，后桥利用弹性支撑与后桥进行连接，叉车的车架是刚柔耦合系统，且由于前后悬不同的这种方式和动力总成纵向对称线、与水平面产生的角度造成了发动机振动传递到车架的振动在不同的方向，社会存在耦合振动线下，最终使驾驶员感受到来自不同方向的振动，比如底板，座椅等多处的振动。通过实验我们发现底板和座椅都出处在不同的方向上存在耦合现象，将改变动力总成系统的角度，而且不同的方向上的值也会发生一定程度的变化。

叉车的模态分析，主要是为了能够在车架运行时工作频率是否有效避开叉车的固有频率的的激励频率，当叉车的某一阶固有频率与外来的载荷就会一直发生共振，而这种共振对于叉车的运行来说危害很大，制造噪音，同时还会减少零件的使用寿命。叉车在实际运行过程中，并不是出于完全自由的状态，与车架相连的质量也就是车架的附加质量会对车架的固有频率产生影响。然而对于车架的模态优化设计应当是建立在附加质量的车架上的，叉车在运行中与车架相接的附加质量为855千克，而发动机的质量为225千克，在分析车架的模态频率时需要考虑这个两个附加质量。

为了能够解决叉车车架在发动机怠速过程中振动过大的问题，本文利用相关软件对于小吨位的叉车和车架进行三维建模，然后进行有限元网格划分时间，通过分析车架的自由模态频率与实际测量过程中获取的数据进行对比，通过实验验证了有限元模型的准确性，其次在实际工况下，对叉车的车架有限元模型进行分析计算，获得模态频率，并与怠速过程中的运转频率进行比较，最后计算相关软件的厚度对于车架频率的影响，选择合适厚度的板件能够使得车架模态频率避开发动机的机率频率，进而减少车架振动的问题。

2 叉车振动解决方案

优化设计一种利用数值和最优化理论的方法，通过计算机进行自动化设计，并选择最佳的设计方案，相比传统的设计来说，能够克服经验性，一种比较高效合理的方法，在对叉车进行优化过程中需要重视进行分析，分别是设计变量，约束条件和目标函数。设计变量是在设计过程中进行调整和优选的参数，设计方案可以用一组参数的数值来表示，也可以是物理量，同时也可以是应力，或者变形等能够表示工作性能的非物理量，优化设计的目标就是利用科学的方法合理选则变量的值，最终经过优化设计之后需要设计中最小的结构，而评价方案的优劣，需要建立评价优劣的函数，也就是目标函数，是对设计方案进行选择的指标，也是判断方案标准，在优化时我们要求目标函数最小化，而这些方案并不是能够完全接受的，如果一个设计能够满足多种要求，就可以说是一种可行的设计，为了能够在优化设计中实现可行设计，需要对变量的取值进行限制，也被称为是约束条件。

首先我们从车架的有限元模态分析角度来看，这种型号的叉车护顶架是与车架连为一体的，并不是传统的悬浮式的护顶架，我们利用模拟软件建立了车架模型，并将这种实体模型导入软件中进行有限元处理，根据车架的结构选用壳单元和实体单元，并且采用刚性单元进行模拟焊接，在建立和分析模态时，我们发现存在六个刚体模态的固有频率为零赫兹。其次可以对车架进行改进，我们利用软件对车架进行尺寸优化，以期实现尺寸的最优化条件。

我们利用第一阶频率作为目标函数，将车架总质量作为约束函数，而将护顶架和连接部位作为设计变量，经过多次迭代计算，最终获得收敛，在计算过程中发现个别变量会发生一定成度的变化，前后支腿的增加为2毫米，护顶架的厚度则相应的减少1mm，左右箱的连接板增加两毫米。改进之后的车底固有频率由原先的第一阶频率改进为32赫兹，第四阶频率改进为58赫兹，有效的避开了怠速过程中发动机的激励频率，进而防止了在怠速过程中发动机和车架的共振现象。从前悬悬置的优化和振动解耦角度来看，这种型号的叉车是将车顶的桥架刚性与驱动桥进行连接的，具体的振动传递路径为发动机，变速箱，驱动桥，车架，在车架与驱动桥壳之间添加了弹性减振垫片，或者在车架与护顶架之间增加胶垫等方式阻断振源等方式这样能够有效实现隔振效果，进而减少生产成本，我们在对车架进行优化的前提下，尽量需要保证原有的车架结构和生产工艺的前提下，利用弹性减震垫片的厚度，并且从改变垫片的厚度以及桥夹的倾斜角度，从而获得最佳的倾斜角度，避免产生振动耦合的现象，为了能够有效达到振动解耦的效果，我设计了正交实验来确定弹性减震垫片的厚度，倾角角度。具体的优化设计流程是，第一步先对车架的一些固有频率，根据上述的板件后的变化给出频率之间的曲线图，需要综合考虑质量与车架频率的优化条件，并选择适当的垫板厚度作为优化标准。

3 实验验证

利用LMS的振动噪声测试与分析系统，以及相应的加速度传感器等设备对处于怠速情况下的叉车进行振动测试，先取底板，油门踏板等多处侧点地安装加速传感器，在叉车处于怠速状态下，先对车架改进前后分别进行测试，之后再添加弹簧减震垫片，然后进行测试，叉车改进之前的加速度最大值主要出现在油门踏板之上，尤其是朝着Z方向上的振动加速度最大。当完成车架改进之后，振动加速度有明显的减小，在车架安装合适厚度的垫片能够使该测点只有该方向的振动加速度有所降低。总而言之，改进车架之后，对于前悬加添加合适弹性垫片时，或者在车架与护顶架之间增加胶垫等方式阻断振源等方式，确定动力总成系统的倾斜角度，能够有效的避免动力学耦合，同时有利于降低查车的振动。

参考文献

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