CN101639109B - 一种固有频率可调的吸振装置及具有该吸振装置的发动机 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程结构和机械结构减振与消振技术领域，公开了一种固有频率可调的吸振装置及具有该吸振装置的发动机。其中，固有频率可调的吸振装置，其特征在于，包括储液箱、液体泵，吸振弹簧，设置在吸振弹簧上端的吸振质量块，固定在吸振质量块上的附加液体箱；所述附加液体箱通过活塞分为空气上腔和液体下腔，所述液体下腔、液体泵、储液箱依次通过软管连接；发动机的安装座上设置固有频率可调的吸振装置，通过动态地调整吸振装置的固有频率，从而最大限度地吸收发动机的振动，起到降低发动机振动的目的。

Description

一种固有频率可调的吸振装置及具有该吸振装置的发动机

技术领域

本发明属于工程与机械结构减振、消振技术领域，具体涉及一种固有频率可调的吸振装置及具有该吸振装置的发动机。

背景技术

工程与机械结构的振动常常伴随着噪声、工况劣化及材料疲劳，严重时甚至可能造成结构的损坏，因此减振技术的研究具有重要的工程意义。动力吸振是一种常用的减振技术，它通过附加一个动力吸振装置吸收主振结构的振动能量，从而达到降低主振结构振动等级的目的。动力吸振装置的原理如图1所示。主振结构由质量块m₁、弹簧k₁组成，构成无阻尼单自由度系统。在简谐激振力fsin(ωt)的作用下，主振结构产生受迫振动，其位移为X₁。在主振结构上附加由质量块m₂、弹簧k₂组成的动力吸振装置后，由于运动的耦合作用，动力吸振装置也会发生振动，设其位移为x₂。由振动力学理论研究可知，图1所示的主振结构-动力吸振装置系统的运动方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_1{x}_1+(k_1+k_2)x_1-k_2{x}_2=f\sin (\mathrm{\ω}\·t)\\ m_2{x}_2+k_2(x_2-x_1)=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

求解可得主振结构的振动幅值为：

$x_1=\frac{(k_2-{\mathrm{\ω}}^2{m}_2)f}{(k_1+k_2-{\mathrm{\ω}}^2{m}_1)(k_2-{\mathrm{\ω}}^2{m}_2)-k_2^2}---\left(2\right)$

由(2)式，当k₂-ω²m₂＝0，即

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{k_2}{m_2}}---\left(3\right)$

时，x₁＝0。由于动力吸振装置的固有频率为 ${\mathrm{\ω}}_2=\sqrt{\frac{k_2}{m_2}},$ 所以(3)式说明，当动力吸振器的固有频率ω₂等于激振力频率ω时，主振结构振幅为零，即可以完全消除主振结构的振动。

上述分析表明，当动力吸振装置固有频率与激振力频率相等时，可以非常高效地吸收主振结构的振动，减小主振结构振动幅值。但是，这种吸振器只在很窄的频率范围内起作用。当激振力频率偏离吸振装置固有频率时，吸振装置吸振效果会迅速下降，导致主振结构振动增大。例如，将这种吸振装置用于汽车发动机振动吸收时，由于发动机转速随着路况及驾驶员意愿经常变化，吸振效果很差。因此，动力吸振器的实际应用受到很大限制，特别在激振力频率频繁变化的场合。

发明内容

针对当前动力吸振装置存在的问题，本发明的一个目的在于提供一种固有频率可调的吸振装置，能够根据外界激振力频率的变化，自适应地调整自身固有频率，从而最大限度地吸收主振结构的振动，起到降低主振结构振动的目的。

本发明的另一个目的在于提供一种具有该吸振装置的发动机，能够根据发动机振动频率的变化，动态调整吸振装置的固有频率，从而最大限度地吸收发动机的振动，起到降低发动机振动的目的。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

技术方案1：一种固有频率可调的吸振装置，其特征在于，包括储液箱、液体泵，吸振弹簧，设置在吸振弹簧上端的吸振质量块，固定在吸振质量块上的附加液体箱；所述附加液体箱通过活塞分为空气上腔和液体下腔，所述液体下腔、液体泵、储液箱依次通过软管连接。

上述技术方案的进一步改进在于：

(1)还包括计算机控制单元，检测主振结构振动频率的加速度传感器，测量液体泵流量的流量传感器；所述计算机控制单元接收加速度传感器的加速度信号，经傅立叶变换获取主振结构的振动频率，计算并控制液体泵向附加液体箱泵入或泵出的液体质量。

(2)所述附加液体箱的空气上腔中设置有螺旋弹簧，螺旋弹簧的一端固定在活塞上，另一端固定在空气上腔的顶壁。

技术方案2：一种具有上述固有频率可调的吸振装置的发动机，其特征在于，在发动机的安装座上固定有竖筒，竖筒内依次固定吸振弹簧、吸振质量块、附加液体箱，所述吸振质量块的外周设置有沿竖筒滚动的滚轮。

上述技术方案的进一步改进在于：

(1)还包括计算机控制单元，检测发动机振动频率的加速度传感器，测量液体泵流量的流量传感器；所述计算机控制单元接收加速度传感器的加速度信号，经傅立叶变换获取发动机的振动频率，计算并控制液体泵向附加液体箱泵入或泵出的液体质量。

(2)所述附加液体箱的空气上腔中设置有螺旋弹簧，螺旋弹簧的一端固定在活塞上，另一端固定在空气上腔的顶壁。

本发明的固有频率可调的吸振装置，包括储液箱、液体泵，吸振弹簧，设置在吸振弹簧上端的吸振质量块，固定在吸振质量块上的附加液体箱；所述附加液体箱通过活塞分为空气上腔和液体下腔，所述液体下腔、液体泵、储液箱依次通过软管连接。通过附加液体箱的质量变化动态调整吸振装置的固有频率，当吸振装置的固有频率与激振力频率相等时，可以非常高效地吸收主振结构的振动，减小主振结构振动幅值。同理，该固有频率可调的吸振装置安装在发动机上时，可以根据发动机振动频率的变化，通过动态地调整吸振装置的固有频率，从而最大限度地吸收发动机的振动，起到降低发动机振动的目的。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1为传统的动力吸振装置原理图；

图2为本发明的固有频率可调的吸振装置原理图；

图3为附加液体箱的结构示意图；

图4为本发明的具有吸振装置的发动机的结构示意图；

图中：1.吸振弹簧    2.吸振质量块

3.附加液体箱        4.软管

5.流量传感器        6.计算机控制单元

7.加速度传感器      8.电机

9.储液箱            10.液体泵

11.滚轮             12.竖筒

13.螺旋弹簧    14.活塞

15.空气上腔    16.液体下腔

具体实施方式

参照图2，为一种固有频率可调的吸振装置，主要包括计算机控制单元6，检测主振结构加速度的加速度传感器7，测量液体泵10流量的流量传感器5；储液箱9、液体泵10，吸振弹簧1，设置在吸振弹簧1上端的吸振质量块2，固定在吸振质量块2上的附加液体箱3；附加液体箱3通过活塞14分为空气上腔15和液体下腔16，液体下腔16、液体泵10、储液箱9依次通过软管连接。计算机控制单元6接收加速度传感器的加速度信号，经傅立叶变换获取主振结构的振动频率，计算并控制液体泵10向附加液体箱3泵入或泵出液体的质量。

更具体的连接为：弹簧k₁和质量块m₁组成主振结构，吸振弹簧1的一端固定在主振结构的质量块m₁上，另一端固定在吸振质量块2上。吸振质量块2与附加液体箱3与固定连接在一起，附加液体箱3通过软管4依次与液体泵10、储液箱9相连通，液体泵10由电机8带动。计算机控制单元6、流量传感器5、加速度传感器7以及电机8、液体泵10组成本装置的控制部分。其中加速度传感器7安装在主振结构质量块m₁上，用来采集质量块m₁的振动加速度信号。流量传感器5采集经软管4流入或流出附加液体箱3的液体流量。计算机控制单元6对采集到的加速度信号进行分析并发出控制指令。

本发明的基本思路是在吸振装置中利用流体介质设置一个可变的附加质量(附加液体箱)，然后根据要求改变附加质量(即流体质量)的大小，从而改变吸振装置自身的固有频率，其工作原理简述如下。

当作用在主振结构上的激振力频率发生变化时，吸振装置当前固有频率与激振力频率相偏离，吸振装置的吸振效果下降，主振结构振动增大。此时，由安装在主振结构质量块m₁上的加速度传感器7采集质量块m₁的加速度信号，并传输给计算机控制单元6，计算机控制单元6对信号进行分析，通过傅立叶变换求得主振结构振动频率，亦即外界激振力频率ω_new。可以想象，此时若将吸振装置的固有频率也调整使之等于ω_new，则吸振装置吸收主振结构振动的能力会大大增强。因此，依据：

${\mathrm{\ω}}_2={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{new}}=\sqrt{\frac{k_2}{m_{\mathrm{new}}}}$

由计算机控制单元6计算出吸振装置固有频率变为ω_new时所应具有的新质量m_new。然后控制单元6发出指令使电机8带动液体泵10向附加液体箱3中注入或抽出相应量的液体，使吸振质量块2与附加液体箱3的总质量等于m_new，即m₂+m_3new＝m_new，从而使吸振装置固有频率调整至需要的值。泵液过程中，计算机控制单元6通过流量传感器5监测实际注入或抽出附加液体箱3的液体量，当注入或抽出的液体达到要求值时，控制电机8停转。储液箱9用来存储一定的液体量。

当附加液体箱3质量为零(无液体)时，本吸振装置取得最大固有频率：

${\mathrm{\ω}}_{\max }=\sqrt{\frac{k_2}{m_2}}---\left(4\right)$

取吸振质量块的质量m₂为很小的值，则ω_max可以很大。当附加液体箱3注满时，本吸振装置取得最小固有频率：

${\mathrm{\ω}}_{\min }=\sqrt{\frac{k_2}{m_2+m_3}}---\left(5\right)$

其中m₃为附加液体箱3充满液体时的质量。

当所选液体的密度为ρ₃，则附加液体箱3的体积为：

$V_3=\frac{m_3}{{\mathrm{\ρ}}_3}---\left(6\right)$

为了使附加液体箱体积尽量小，通常应选用密度较大的液体(例如蒸馏水)作为工作介质。根据具体应用场合及要求，其他液体如液压油等也可以充当工作介质。

可见，本发明的固有频率可调的吸振装置，其固有频率能够在ω_min与ω_max之间连续变化，其有效吸振频率范围很宽，特别是质量m₂取很小值而质量m₃取很大值时。这样，就有效地克服了传统动力吸振装置的不足。

参照图3，附加液体箱通过活塞分为空气上腔15和液体下腔16，附加液体箱3的空气上腔15中设置有螺旋弹簧13，螺旋弹簧13的一端固定在活塞14上，另一端固定在空气上腔15的顶壁。附加液体箱3未被充满时，为防止液体在其中激烈震荡，引起系统振动不稳定，附加液体箱3采用螺旋弹簧-活塞结构，将附加液体箱3分为空气上腔15和液体下腔16；由软管4注入的液体进入液体下腔16。当液体下腔16中液体量逐渐增加时，活塞14向上移动，螺旋弹簧13被压缩。当液体下腔16中液体量逐渐减少时，螺旋弹簧13张开，活塞14下移，液体下腔16中的液体总是处于封闭的空间中，防止其激烈震荡。

参照图4，为一种具有上述固有频率可调的吸振装置的发动机，固有频率可调的吸振装置固定在发动机安装座上。具体为：在发动机的安装座上固定有竖筒12，竖筒12内依次固定吸振弹簧1、吸振质量块2、附加液体箱3，吸振质量块2的外周设置有沿竖筒12滚动的滚轮11。其机械部分主要包括：竖筒12，固定在竖筒12底部的吸振弹簧1(刚度为k₂)，吸振质量块2(质量为m₂)，附加液体箱3和若干个滚轮11。控制部分主要包括：计算机控制单元6，流量传感器5，安装在发动机安装座附近的加速度传感器7、电机8、液体泵10，以及依次连通储液箱9、液体泵10、附加液体箱3的软管4。滚轮11安装在吸振质量块2上，作用是在吸振质量块2上下运动时进行导向，防止其左右晃动。

本发明中，吸振装置的质量-弹簧部分由吸振弹簧1、吸振质量块2和附加液体箱3共同组成，主振结构为发动机。其工作原理为：当吸振装置固有频率与发动机激振力(主要为活塞运转所产生的激振力)频率相一致时，吸振装置能够高效率地吸收振动，减小发动机振动幅值。当发动机转速发生变化时，固有频率偏离激振力频率，吸振装置的吸振效果下降，导致发动机振动增大。此时，由安装在发动机上的加速度传感器7采集发动机振动加速度信号，并传输给计算机控制单元6，控制单元6对加速度信号进行分析，通过傅立叶变换求得主振结构的振动频率，亦即新的激振力频率ω_new。此时若将动力吸振装置固有频率也调整使之等于ω_new，则吸振装置吸收主振结构振动的能力会大大增强。依据：

${\mathrm{\ω}}_2={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{new}}=\sqrt{\frac{k_2}{m_{\mathrm{new}}}}$

由计算机控制单元6计算出吸振装置固有频率变为ω_new所应具有的新质量m_new。然后控制单元6控制电机8工作，带动液体泵10向附加液体箱3中注入或抽出相应量的液体，使吸振质量块2与附加液体箱3的总质量等于m_new，即m₂+m_3mew＝m_new，从而使吸振装置固有频率调整至需要的值。泵液过程中，计算机控制单元6通过流量传感器5监测实际注入或抽出附加液体箱3的液体量，当注入或抽出的液体达到要求值时，控制电机8停转，调整过程完成。

以下说明本发明中，计算机控制单元6如何根据发动机激振力频率的变化，自适应地调节吸振装置固有频率，使之与激振力频率一致。假设前一时刻发动机上激振力频率为ω_old，当前时刻激振力频率为ω_new，则有前一时刻附加液体箱3中液体的质量m_3old为：

$m_{3\mathrm{old}}=\frac{k_2}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{old}}^2}-m_2---\left(7\right)$

而当前时刻附加液体箱3中液体的质量m_3new应该为：

$m_{3\mathrm{new}}=\frac{k_2}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{new}}^2}-m_2---\left(8\right)$

假设液体变化量Δm＝m_3new-m_3old，当Δm＞0时，计算机控制单元6应控制液体泵10向附加液体箱3注入质量为|Δm |的液体。当Δm＜0时，液体泵10应从附加液体箱3中抽出质量为|Δm |的液体量。通过这种方法，可以使吸振装置固有频率调整为ω_mew，从而高效地吸收发动机的振动。当发动机的振动小于某一设定值时，计算机控制单元6停止对附加液体箱3中的液体量进行调整。如果发动机受到多频率激振力的作用，则需要多个如图4中所示的吸振装置，分别对应每一个频率的激振力作用进行吸振。

Claims (4)

1.一种固有频率可调的吸振装置，其特征在于，包括储液箱、液体泵、吸振弹簧、设置在吸振弹簧上端的吸振质量块、固定在吸振质量块上的附加液体箱；所述附加液体箱通过活塞分为空气上腔和液体下腔，所述液体下腔、液体泵、储液箱依次通过软管连接；还包括计算机控制单元，检测主振结构振动频率的加速度传感器，测量液体泵流量的流量传感器；所述计算机控制单元接收加速度传感器的加速度信号，经傅立叶变换获取主振结构的振动频率，计算并控制液体泵向附加液体箱泵入或泵出的液体质量。

2.根据权利要求1所述的一种固有频率可调的吸振装置，其特征在于，所述附加液体箱的空气上腔中设置有螺旋弹簧，螺旋弹簧的一端固定在活塞上，另一端固定在空气上腔的项壁。

3.一种具有权利要求1所述固有频率可调的吸振装置的发动机，其特征在于，在发动机的安装座上固定有竖筒，所述竖筒内依次固定有所述吸振弹簧、吸振质量块、附加液体箱，所述吸振质量块的外周设置有沿竖筒滚动的滚轮。

4.根据权利要求3所述的发动机，其特征在于，所述附加液体箱的空气上腔中设置有螺旋弹簧，螺旋弹簧的一端固定在活塞上，另一端固定在空气上腔的顶壁。

Images