拖拉机前轴悬架参数优化设计论文_安晓强, 靖少朋, 程向阳

摘要：拖拉机在农业生产中有着广泛的用途，考虑到其行驶的路面环境相对较差，如果拖拉机振动过大，驾驶员容易感到疲劳，影响工作效率的同时，也会导致拖拉机操控安全性的下降。对此，需要对拖拉机前轴悬架的相关参数进行优化设计，提升拖拉机的振动特性和综合性能。本文以某型号的轮式农用拖拉机作为研究对象，就其前轴悬架参数的优化设计进行了分析和讨论。

关键词：拖拉机；前轴悬架；参数；优化

1 引言

任何车辆在行驶的过程中，都会因为路面不平整而出现车体振动，这一点在经常行驶在田间较差路面的农用拖拉机上表现的尤其明显。强烈的车体振动会影响拖拉机操控的舒适性和安全性，还可能引发相应的事故，需要得到研究人员的重视。从目前来看，对比发达国家，我国制造业水平和专业技术水平相对落后，拖拉机减振水平不高，多数采用的都是无悬架的刚性结构，甚至没有设置任何的减振装置，导致拖拉机驾驶和操控的舒适性远不及普通车辆。对发达国家的拖拉机结构进行分析，可以明确，前轴悬架直接影响着拖拉机的转向性能和操控安全，意大利Marteil等人借助ADAMS动力仿真软件平台，针对设置有前轴悬架的轮式农用拖拉机进行了仿真研究，研究的重点集中在拖拉机乘坐舒适性和行驶安全性方面。结果显示，在安装前轴悬架的情况下，拖拉机的减振性能大大提升，而减振的具体效果，则会受到前轴悬架刚度系数以及阻尼系数匹配情况的影响。

2 参数获取

以某型号的轮式农用拖拉机为例，借助自主研制的测试平台，获取了拖拉机的主要性能参数，具体如表1所示。

表1拖拉机主要参数

对照相关文献研究，确定车辆悬架偏颇以及静挠度，再从该型号拖拉机的工作条件出发，将其前轴悬架偏颇确定为1.5-3.0Hz。结合车辆振动理论研究结果以及相关工程经验，路面不平度的激励等级为D级时，应该将悬架系统的阻尼比ζ=0.15-0.45，结合相关公式，能够计算出前轴悬架减震器的阻尼系数

公式中，m表示前轴悬架簧上质量，单位为kg。代入相关数值后，得到最终的阻尼系数为2770-16625Ns/m。

3 拖拉机前轴悬架参数优化设计

3.1目标函数

在对拖拉机悬架系统的性能进行评估时，悬架系统簧上质量、悬架动行程和轮胎动荷载是最为关键的指标，因此，在对拖拉机前轴悬架参数优化设计子目标函数进行确定时，选择了六个比较重要的参数指标，分别是质心位置垂向振动加速度均方根、质心位置俯仰方向振动加速度均方根、座椅质心垂向振动加速度均方根、前轴悬架簧上质量垂向振动加速度均方根及动行程均方根、前轮胎动载荷均方根。

3.2设计变量

本文研究的重点，在于拖拉机前轴悬架刚度系数以及阻尼系数对其整体平顺性的影响，通过对弹簧和减震器的合理选择与搭配，悬架系统可以对车身在运行过程中的振动进行抑制，提升拖拉机行驶的平顺性。在针对前轴悬架参数进行优化设计时，应该将前轴悬架的刚度系数和阻尼系数作为设计变量。

3.2约束条件

结合上述研究可知，该型号轮式农用拖拉机前轴悬架刚度系数以及阻尼比的取值范围分为是：刚度系数kq=90-350kN/m，阻尼比ζ=0.15-0.45。在对约束条件范围进行确定时，可以运用逐步选优求解的方法，将刚度系数的步长确定为1kN/m，阻尼比步长确定为0.05，通过循环计算求解，得到拖拉机前轴悬架的最佳刚度系数和阻尼系数配置。

3.4仿真模型

利用 MATLAB/SIMULINK 优化工具箱，对拖拉机前轴悬架的刚度系数和阻尼系数进行优化，同时也可以进行拖拉机系统整体动态振动特性的仿真分析。同时，利用仿真软件构建积分白噪声随机路面不平度激励模型以及拖拉机系统四个自由度平面的振动仿真模型。

3.5优化结果

假定路面不平度等级为D，拖拉机的行驶速度为10km/h，对照前轴悬架系统四自由度平面振动仿真模型以及相应的目标函数、设计变量和约束条件，利用MATLAB平台，进行M 文件的编写，对函数进行优化，并通过优化仿真的方式，得到拖拉机前轴悬架系统刚度和阻尼系数的最佳配置参数。优化仿真结果显示，在保证拖拉机振动特性综合性能最优的前提下，前轴悬架的刚度系数和阻尼比分别为kq=334kN/m，ζ=0.35。对拖拉机系统振动仿真模型中的状态方程矢量进行改变，建立同等条件但是没有前轴悬架的拖拉机三自由度平面振动模型，经由仿真得到相应的目标函数，对比两种目标函数，可以看出，在安装前轴悬架系统后，拖拉机质心位置垂向振动加速度均方根、质心位置俯仰方向振动加速度均方根、座椅底板位置垂向振动加速度均方根和拖拉机前轮胎动载荷均方根的值分别下降了14.57%、34.31%、4.42%以及17.76%，拖拉机的乘坐舒适性和操控安全性等相关性性能都得到了一定程度的改善。

4 结语

总而言之，以某型号轮式农用拖拉机为例，就其前轴悬架参数进行了优化设计，借助MATLAB/SIMULINK 仿真平台，构建了前轴悬架拖拉机系统四自由度平面仿真模型，就拖拉机整体的动态振动特性进行了仿真研究，于标准试验路面跑道（GB/T 10910-2004）进行无悬架刚性拖拉机振动试验，对比同等条件下的模型仿真结果，平均误差率在16.8%，对其他因素的误差范围进行分析，仿真结果具备较强的可靠性，希望能够为农用拖拉机的优化设计提供参考。

参考文献：

[1]宋森楠.基于PID控制的拖拉机半主动悬架设计与仿真[J].农业装备与车辆工程,2019,57(06):60-63.

[2]武晨.拖拉机后轮转向机构与悬架系统的优化仿真[D].太原理工大学,2019.

[3]刘建涛,曹艳花,张新风,岑选君.拖拉机悬挂机构提升性能的研究探讨[J].南方农机,2018,49(20):36.

论文作者:安晓强, 靖少朋, 程向阳

论文发表刊物:《科学与技术》2019年21期

论文发表时间:2020/4/17

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