CN103758916B - 一种阻尼减振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻尼减振器，包括：外壳（1）；惯性体，设于所述外壳（1）的内腔中，其与所述外壳（1）之间加注有阻尼介质；变惯性体，设于所述惯性体且周向均匀分布，其在所述惯性体上具有径向移动的自由度；弹性部件，设于各所述变惯性体与惯性体之间，其在所述变惯性体向外移动时产生向内复位的作用力。该减振器利用发动机旋转过程中形成的离心力实现减振器的惯量变化，通过不同转速下减振器的惯量变化，实现减振器对轴系扭振的动态衰减，保证发动机可靠运行。

Description

一种阻尼减振器

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别是用于降低发动机轴系扭转振动的阻尼减振器。

背景技术

发动机工作过程中受气缸内燃烧压力的作用，在发动机轴系会形成扭转振动，该振动称为发动机扭振。

减振器是发动机的关键零部件之一，主要功能是降低发动机轴系的扭转振动，保证发动机安全运行，避免轴系剪切应力过大造成轴系断裂。

硅油减振器是一种阻尼型减振器，主要由内部惯性环和外部壳体组成，壳体中心为套入发动机曲轴的通孔，壳体四周与盖板形成一圈空腔，所述空腔内容纳惯性环，惯性环为金属材质的环状体，轴承带将惯性环与壳体轴向隔开，在惯性环与壳体之间的间隙充满硅油，通过盖板将惯性环、轴承带、硅油密封在壳体内。

当发动机轴系发生扭转振动时，惯性环与减振器壳体之间形成相对滑动，从而利用硅油的阻尼特性达到降低轴系扭振的目的。

随着环保意识的增强和排放标准的制定，低排放发动机的开发越来越受到重视，而低排放发动机（如柴油机）一般要适当提高压缩比，以降低HC和CO的排放，这会使气缸内燃烧压力也不断增加，进而对减振器提出了更高的要求，尤其是大功率发动机。

按照通常的设计思路，发动机内燃烧压力变大，则减振器的惯量也要相应的变大。但是，现有硅油减振器的惯性环为单一实体部件，其惯量恒定，若惯量设计的较大，将导致其在低速情况下的减振性能较差，反之，若惯量设计的较小，则在高速情况下减振性能较差，由于减振器惯量不能随发动机转速发生变化，导致其不能同时兼顾高速和低速工况下的减振效果。

因此，如何进一步优化阻尼减振器的减振性能，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种阻尼减振器。该减振器利用发动机旋转过程中形成的离心力实现减振器的惯量变化，通过不同转速下减振器的惯量变化，实现减振器对轴系扭振的动态衰减，保证发动机可靠运行。

为实现上述目的，本发明提供一种阻尼减振器，包括：

外壳；

惯性体，设于所述外壳的内腔中，其与所述外壳之间加注有阻尼介质；还包括：

变惯性体，设于所述惯性体且周向均匀分布，其在所述惯性体上具有径向移动的自由度；

弹性部件，设于各所述变惯性体与惯性体之间，其在所述变惯性体向外移动时产生向内复位的作用力。

优选地，所述惯性体设有径向滑孔，所述变惯性体及其弹性部件安装于所述滑孔中。

优选地，所述滑孔从惯性体的内侧向外延伸，其孔口处设有堵盖。

优选地，所述弹性部件为弹簧，包括：

第一弹簧，位于所述变惯性体向外移动的一端与滑孔底部之间；

第二弹簧，位于所述变惯性体向内移动的一端与堵盖之间。

优选地，所述弹性部件为弹簧，其位于所述变惯性体向外移动的一端与滑孔底部之间，并将所述变惯性体支撑在堵盖上。

优选地，所述弹性部件为弹簧，其位于所述变惯性体向内移动的一端与堵盖之间，且一端与所述堵盖相对固定，另一端与所述变惯性体连接；所述变惯性体与滑孔底部之间留有移动空间。

优选地，所述弹性部件为弹簧，其位于所述变惯性体向外移动的一端与滑孔底部之间，且一端与滑孔底部相对固定，另一端与所述变惯性体连接。

优选地，所述变惯性体为钢球或钢柱。

优选地，所述惯性体为惯性环。

优选地，所述阻尼介质具体为硅油。

本发明根据发动机轴系扭振特点和阻尼减振器的减振原理，在惯性体内部进一步增设有变惯性体，所述变惯性体沿圆周方向均匀分布，具有径向移动的自由度，并设有能够使其复位的弹性部件。

这样，在发动机工作过程中，变惯性体连同惯性体一起旋转时，在发动机轴系旋转而形成的离心力作用下，会克服弹性部件的弹力向外移动，从而使减振器惯量在不同转速下发生变化，发动机转速变大，则变惯性体的位移量变大，减振器的惯量也随之变大，发动机转速变小，则变惯性体的位移量变小，减振器惯量也随之变小，由于减振器惯量能够与不同的发动机转速适时匹配，因此能够使发动机轴系始终在较小的扭振状态下工作，使发动机运行更加可靠。

在一种优选方案中，所述变惯性体的外侧和内侧分别设有第一弹簧和第二弹簧。该结构通过第一弹簧和第二弹簧的弹力平衡使变惯性体保持在滑孔中，其不仅便于组装，而且能够显著提高变惯性体移动的稳定性。

附图说明

图1为本发明所提供阻尼减振器的第一实施例的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为发动机轴系扭振分析简化模型；

图4为图3的轴系当量简化模型；

图5为发动机轴系扭振放大系数随减振器惯量变化的示意图；

图6为本发明所提供阻尼减振器的第二实施例的结构示意图；

图7为本发明所提供阻尼减振器的第三实施例的结构示意图；

图8为本发明所提供阻尼减振器的第四实施例的结构示意图；

图9为本发明所提供阻尼减振器的第五实施例的结构示意图；

图10为本发明所提供阻尼减振器的第六实施例的结构示意图；

图11为本发明所提供阻尼减振器的第七实施例的结构示意图；

图12为本发明所提供阻尼减振器的第八实施例的结构示意图。

图中：

1.外壳2.盖板3.惯性环3-1.滑孔4.钢球5.硅油6.堵盖7.弹簧7-1.第一弹簧7-2.第二弹簧

具体实施方式

本发明的核心是利用发动机旋转过程中形成的离心力实现减振器的惯量变化，通过不同转速下减振器的惯量变化，实现减振器对轴系扭振的动态衰减。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1、图2，图1为本发明所提供阻尼减振器的第一实施例的结构示意图；图2为图1的左视图。

在一种具体实施方式中，本发明提供的阻尼减振器为硅油减振器，主要由外壳1、盖板2、惯性环3、钢球4、弹簧7等部件构成。

外壳1大体上呈圆盘形，中心为套入发动机曲轴的通孔，外壳1四周与盖板2形成一圈空腔，空腔内容纳惯性环3，惯性环3为金属材质的环状体，在惯性环3与外壳1之间的间隙充满硅油5，盖板2将惯性环3、硅油5密封在外壳1内。

惯性环3设有四个在圆周方向上均匀分布的径向滑孔3-1，滑孔3-1为盲孔，从惯性环3的内侧向外延伸，其位于惯性环3内圆周面上的孔口处设有堵盖6，钢球4和弹簧7共有四组，每一组钢球4和弹簧7安装于一个滑孔3-1中，钢球4的直径略小于滑孔3-1，能够在滑孔3-1中径向移动。

弹簧7分为第一弹簧7-1和第二弹簧7-2，其中第一弹簧7-1位于钢球4与滑孔3-1底部之间，第二弹簧7-2位于钢球4与堵盖6之间，安装时，适度压缩第一弹簧7-1和第二弹簧7-2，即可借助弹力平衡使钢球4大体保持在滑孔3-1的中间位置。

在发动机工作过程中，钢球4连同惯性环3一起旋转时，在旋转而形成的离心力作用下，会克服弹簧的弹力向外移动，从而使减振器惯量在不同转速下发生变化，发动机转速变大，则钢球4的位移量变大，减振器的惯量也随之变大，发动机转速变小，则钢球4的位移量变小，减振器惯量也随之变小，由于减振器惯量能够与不同的发动机转速适时匹配，因此能够使发动机轴系始终在较小的扭振状态下工作，性能更加安全可靠。

如图3所示，在进行发动机轴系扭振分析时，通常采用集中质量法对轴系进行简化，然后对轴系进行扭振分析。图3为一直列六缸发动机轴系简化模型。J_d、J_p、J₁、J₂、J₃、J₄、J₅、J₆、J_f分别为轴段各处的转动惯量，e_d、e_p1、e₁₂、e₂₃、e₃₄、e₄₅、e₅₆、e_6f分别为各轴段柔度，C_d为硅油减振器阻尼。

根据发动机轴系自由振动分析，得出轴系各阶振型下各质量点的相对振幅α_i、轴系固有频率ω_n。根据动能相等、简化后频率相等的原则，对发动机轴系简化成扭摆（如图4所示）。

$\frac{1}{2}{\left({\mathrm{\ω}}_n{\mathrm{\α}}_g\right)}^2{J}_g=\underset{i=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2}{\left({\mathrm{\ω}}_n{\mathrm{\α}}_i\right)}^2{J}_i---\left(1\right)$

$e_g=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_n^2{I}_g}---\left(2\right)$

$M_e=M_{\mathrm{\γ}}\underset{i=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i---\left(3\right)$

式中：

J_g——当量惯量；

α_g——当量惯量J_g的相对振幅，通常α_g=1；

J_i——轴系各质量点的惯量；

ω_n——轴系固有频率；

e_g——当量柔度；

M_γ——γ次干扰力矩振幅；

M_e——当量干扰力矩；

z——轴系质量点的个数。

$J_g=\underset{i=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i^2{I}_i---\left(4\right)$

由图4所示的当量简化模型，根据动力学分析理论，可得出发动机轴系扭振的放大系数如式（5）所示。

$m_g=\frac{A_g}{A_{g0}}---\left(5\right)$

$m_g=\sqrt{\frac{{[{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_d}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2]}^2+4{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2{\mathrm{\ζ}}^2}{{\left\{\right[{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_d}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2\left]\right[1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2]-\mathrm{\μ}{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_d}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2\}}^2+4{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2{\mathrm{\ζ}}^2{[1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2-\mathrm{\μ}{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2]}^2}---\left(6\right)}$

式中：

ω_d——减振器的固有频率，当为硅油减振器时，ω_d=0；

ω——轴系的激励频率；

ζ——轴系的阻尼比，

η——减振器的空调比，

μ——减振器的惯量比，

λ——轴系的激励频率比，

当减振器为硅油减振器时，式（6）变为：

$m_g=\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}^2+4{\mathrm{\ζ}}^2}{{(1-{\mathrm{\λ}}^2)}^2{\mathrm{\λ}}^2+{4\mathrm{\ζ}}^2{[1-{\mathrm{\λ}}^2-{\mathrm{\μ\λ}}^2]}^2}}---\left(7\right)$

由式（7）可以考虑两个极限状态，如式（8）所示：

$m_g=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{|1-{\mathrm{\λ}}^2|}& C_d=0\\ \frac{1}{|1-{\mathrm{\λ}}^2(1+\mathrm{\μ})|}& C_d=\∞\end{array}\right.---\left(8\right)$

由图5可以看出，随着发动机轴系激励频率的变化，轴系放大系数也随之变化。由于轴系激励频率与发动机转速成正比关系，因此通过发动机旋转而形成的离心力使减振器惯量发生变化可起到更好的减振效果。

当发动机以转速n旋转时，由于旋转离心力和弹簧力的作用，惯性环3内的钢球4保持受力平衡。当转速n升高时，钢球4所受的离心力将变大，钢球4沿着惯性环3内的滑孔3-1径向向外侧移动，实现惯性环3惯量的增加；同理，当发动机转速n降低时，钢球4所受的离心力将变小，钢球4沿着惯性环3内的滑孔3-1径向向内侧移动，最终实现惯性环3惯量的降低。

从而实现发动机高速下，减振器惯量变大，发动机在低速下，减振器惯量变小，最终实现发动机轴系始终处于较小的扭振状态下工作。

当硅油减振器惯性环惯量无法改变时，发动机轴系扭振的特性曲线在某一转速位置将出现峰值，如图5所示。当发动机减振器具有变惯量功能时，发动机在高转速阶段时，对应图中惯性环惯量J_d3时的轴系扭振放大系数特性曲线；发动机在低转速阶段时，对应图中惯性环惯量J_d1时的轴系扭振放大系数特性曲线；其中，J_d1<J_d2<J_d3，因此，无论发动机处于高转速或者低转速时，轴系的放大系数都较低，使发动机运行更加可靠。

上述硅油减振器的径向滑孔3-1为直孔，其轴线经过外壳1的圆心，即钢球4的移动轨迹的延长线要经过外壳1的圆心。当然，滑孔3-1的轴线也可以不经过外壳1的圆心，如图6所示，在第一实施例的基础上，滑孔3-1沿顺时针方向统一倾斜一定角度，或者如图7所示，滑孔3-1由直孔改为弧形孔，都能够达到使钢球4径向移动的目的。

此外，滑孔3-1不仅可以从惯性环3的内侧向外延伸，也可以从惯性环3的外侧向内延伸，即孔口位于惯性环3的外圆周面上，钢球4不仅可以安装在惯性环3的内部，在结构空间允许的条件下，还可以通过设置滑道、滑轨等形式安装在惯性环3的外部。

通过两根弹簧将钢球4安装在滑孔3-1中，不仅便于组装，而且能够避免钢球4出现偏移，在起始阶段和整个运行过程中，都能够保持钢球4移动的稳定性，因此是较为优选的方案。

考虑到零部件的通用性，上述第一弹簧7-1和第二弹簧7-2为同规格、同长度的弹簧，除此之外，第一弹簧7-1和第二弹簧7-2还可以是不同规格或不同长度的弹簧，可根据实际需要而定。

作为一种简化的方案，还可以仅采用一根弹簧来安装钢球4，如图8所示，将一根弹簧设置在钢球4与滑孔3-1底部之间，弹簧7将钢球4直接支撑在堵盖6上；或者如图9所示，弹簧7设置在钢球4与堵盖6之间，其一端与堵盖6相对固定，另一端与钢球4连接，并在钢球4与滑孔3-1底部之间留有足够的移动空间；或者如图10所示，弹簧7位于钢球4与滑孔3-1底部之间，其一端与滑孔3-1底部相对固定，另一端与钢球4连接；以上几种方式都能够实现本发明目的。

一般情况下，惯性环3上钢球4的数量可控制在二到八个，根据发动机减振要求的不同，可适当增加（见图11）、或减少（见图12），并不局限于四个。

当然，上述实施例仅是本发明的优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如，采用钢柱替代钢球4，或者将惯性环3替换为惯性块，或者惯性环3为扣合的分体式结构等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

以上对本发明所提供的阻尼减振器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种阻尼减振器，包括：

外壳(1)；

惯性体，设于所述外壳(1)的内腔中，其与所述外壳(1)之间加注有阻尼介质；其特征在于，还包括：

变惯性体，设于所述惯性体且周向均匀分布，其在所述惯性体上具有径向移动的自由度；

弹性部件，设于各所述变惯性体与惯性体之间，其在所述变惯性体向外移动时产生向内复位的作用力；

所述惯性体设有径向滑孔(3-1)，所述变惯性体及其弹性部件安装于所述滑孔(3-1)中；

所述滑孔为顺应所述惯性体旋转方向的斜孔或弧形孔。

2.根据权利要求1所述的阻尼减振器，其特征在于，所述滑孔(3-1)从惯性体的内侧向外延伸，其孔口处设有堵盖(6)。

3.根据权利要求2所述的阻尼减振器，其特征在于，所述弹性部件为弹簧(7)，包括：

第一弹簧(7-1)，位于所述变惯性体向外移动的一端与滑孔(3-1)底部之间；

第二弹簧(7-2)，位于所述变惯性体向内移动的一端与堵盖(6)之间。

4.根据权利要求2所述的阻尼减振器，其特征在于，所述弹性部件为弹簧(7)，其位于所述变惯性体向外移动的一端与滑孔(3-1)底部之间，并将所述变惯性体支撑在堵盖(6)上。

5.根据权利要求2所述的阻尼减振器，其特征在于，所述弹性部件为弹簧(7)，其位于所述变惯性体向内移动的一端与堵盖(6)之间，且一端与所述堵盖(6)相对固定，另一端与所述变惯性体连接；所述变惯性体与滑孔(3-1)底部之间留有移动空间。

6.根据权利要求2所述的阻尼减振器，其特征在于，所述弹性部件为弹簧(7)，其位于所述变惯性体向外移动的一端与滑孔(3-1)底部之间，且一端与滑孔(3-1)底部相对固定，另一端与所述变惯性体连接。

7.根据权利要求1至6任一项所述的阻尼减振器，其特征在于，所述变惯性体为钢球(4)或钢柱。

8.根据权利要求1至6任一项所述的阻尼减振器，其特征在于，所述惯性体为惯性环(3)。

9.根据权利要求7所述的阻尼减振器，其特征在于，所述阻尼介质具体为硅油(5)。