CN107044506A - 一种可控刚度的发动机耗能减振装置 - Google Patents

一种可控刚度的发动机耗能减振装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可控刚度的发动机耗能减振装置，属于发动机振动控制技术领域。所述减振装置包括发动机和磁流变减振装置，其中发动机为振动控制对象，磁流变减振装置由连接板、导杆、磁路铁芯、励磁线圈、尼龙滑块和磁流变弹性体组成。磁流变减振装置中的弹性体刚度可通过改变励磁线圈的电流进行控制，从而满足系统中发动机与磁流变减振装置之间的内共振要求，通过能量交换中的阻尼消耗振动能量，达到减振目的。本发明利用了内共振现象进行减振，减振效果明显，鲁棒性强而且消耗能量少，在车辆发动机减振方面有较好的实用价值。

Description

一种可控刚度的发动机耗能减振装置
技术领域
本发明涉及一种基于可控刚度的发动机耗能减振装置，它从非线性角度构造基于磁流变技术的减振装置，使得发动机和减振装置组成的系统发生内共振现象，并形成能量交换的通道，将发动机的振动能量迁移至减振装置并由阻尼耗散，属于机械振动、精密机械技术领域。
背景技术
汽车由于其结构的复杂性和路况不确定性，在车辆行进期间有时会出现舱内噪声高、振动大，若长时间工作在舱内，舱内人员很容易感到疲劳烦躁、反应迟钝甚至会出现眩晕呕吐现象；就现阶段而言，我国自主生产和装备的车辆内部的噪声污染较为严重。而舱内噪声环境的好坏直接关系到乘客的舒适深度和身体状况，所以车辆的振动、噪声问题成为了一项重要研究内容。
振动控制方法概括来说主要有以下五种：消振、隔振、阻振、结构修改及吸振。目前车辆的减振主要是通过隔振，也就是增加悬置实现，但是效果还是不能让人足够满意。其他技术中，吸振是对发动机进行减振的一项重要技术。所谓吸振，就是通过在被控主振系统的特定部位附加一个具有质量和刚度的子系统，即动力吸振器。合理选择该子系统的动力参数、结构形式及与主振系的耦合关系，以改变主振系的振动状态，使能量重新分配，即将主振系上的振动能量转移到子系统上，从而减少或消除主振系的振动。动力吸振器主要可以划分为三种类型：被动式吸振器、半主动式吸振器和主动式吸振器。半主动吸振器具有吸振频带宽、能耗低的优点，已成为吸振技术的重要发展方向。
作为经典的振动理论，线性振动理论已经发展得相当完善，并在工程实际中得到了广泛应用。但是随着科学技术的不断发展，人们越来越认识到，虽然在解决许多工程实际问题时用线性振动理论可以得到比较满意的结果，而在许多场合下，比如大振幅振动，用线性振动理论分析就会带来很大的误差甚至是定性的错误。因此非线性振动理论近几十年来得到了非常迅速的发展。某些特种发动机振型复杂、频带宽、振幅大，尤其需要重视振动中的非线性项，因此使用非线性理论来消减发动机振动是值得探索的。
内共振为非线性振动系统特有的现象。对于振动系统中的两个固有频率，在满足内共振条件时，两个振动模态强烈地耦合，发生一种振动激发另一种振动的现象，称为非线性系统振动的内共振现象。在不计阻力的条件下，系统的能量在两种振动之间不断地转换而不衰减，振幅和相位周期性变化。通过内共振可以实现系统内不同模态之间的能量传递，如果某一阶内共振模态存在着一定的阻尼，那么该模态就会利用内共振所建立的能量交换机制不断从其它内共振模态那里获取并且耗散其振动能量。因此可以通过内共振来实现发动机的吸振。
近年来，已有人利用磁流变材料来设计减振装置，也有了较好的控制效果。磁流变弹性体在汽车减振、减噪等领域都能够替代传统的器件，如悬挂系统、发动机架、轴衬、减振器等。与传统器件只能进行被动控制相比，磁流变弹性体的力学性能可以由磁场连续改变，因而能够根据外部条件实现半主动控制。美国迈阿密大学也于近年展开了磁流变弹性体减振器的研究，主要研究了基于双模念粒子分布的磁流变弹性体减振器的特性；澳大利亚卧龙岗大学对磁流变弹性体减振器的特性进行了仿真，并研究了其用于汽车引擎减振的前景。
针对发动机振动具有宽频、多振源、多主频以及非线性耦合的振动问题，研制可变刚度吸振器，并将其应用到发动机动力总成悬置系统振动控制，探讨内共振状态下能量在被控模态与吸振器之间的交换规律，研究基于非线性内共振耗能减振的方法，具有重大的科学研究意义和工程应用价值。因此，本发明提出一种“可控刚度的发动机减振装置”，该装置具有可变刚度的特点，通过调节频率形成内共振，利用内共振使得发动机振动能量传递到减振装置并由阻尼耗散掉，达到减小发动机振动的作用。
发明内容
本发明的目的是针对当前车辆发动机大幅非线性振动控制方法的欠缺及不足，为解决大幅度振动，特别是发动机这种具有非线性耦合振动情况的机械系统，在工作过程中的振动控制问题，提供了一种基于可控刚度的发动机耗能减振装置。具有减振效果明显、结构简单和鲁棒性好的特点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现，
一种可控刚度的发动机耗能减振装置，包括发动机、安装在发动机上的磁流变减振装置，其中，发动机为振动控制对象，磁流变减振装置由连接板、导杆、磁路铁芯、励磁线圈、尼龙滑块和磁流变弹性体组成。导杆下部分加工有螺纹，将两组导杆安装螺母作为限位，加弹性垫片之后穿过连接板用螺母加弹性垫片固定；磁路铁芯上缠绕励磁线圈，将两个尼龙滑块通过螺栓固定在磁路铁芯上；将固定有尼龙滑块的带有线圈的磁路铁芯穿过导杆，整体连接在连接板上；磁流变弹性体作为中介将缠有线圈的磁路铁芯和连接板连接；磁流变减振装置整体通过螺栓和弹性垫片连接至发动机上。
所述的可控刚度的发动机减振装置，发动机无需定制，只需预留安装螺纹孔即可。
所述的可控刚度的发动机减振装置，连接板下部为“凹”字结构，凹槽中间部分用于安装固定导杆的螺母和弹簧垫片，上部立板用于安装磁流变弹性体。
所述的可控刚度的发动机减振装置，磁路铁芯为一体式结构带有四个对称的突出结构，分别加工有螺纹孔，用于安装尼龙滑块，磁路铁芯下部分有平板用于连接磁流变弹性体。
所述的可控刚度的发动机减振装置，安装于发动机的磁流变减振装置刚度可控，可通过调节刚度使得系统形成内共振，利用能量交换中存在的阻尼耗散掉发动机振动能量。
所述的可控刚度的发动机减振装置，磁流变弹性体作为中介将磁路铁芯的平板和连接板的立板连接起来。
所述的可控刚度的发动机减振装置，减振控制方法主要通过反馈控制回路完成，反馈控制回路由加速度传感器、电荷放大器、数据采集系统、PC上位机和程控电源组成；加速度传感器的反馈信号经过电荷放大器放大后传入数据采集系统，然后PC上位机对数据采集系统采集的数据进行处理并向程控电源发出控制信号，改变励磁线圈两端的电压，形成不同的减振刚度，形成内共振，消耗振动能量。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明突破了现有的运用线性振动理论来解决非线性振动问题的理论层面的约束，充分利用了非线性振动系统发生内共振时，模态能量在不同模态中交换的特性，提供了一种理论基础科学且简单可行的非线性减振方法及实现装置。
(2)减振频带宽，效果好。本发明根据磁流变弹性体剪切刚度随外加磁场强度改变的性质实现发动机和减振装置之间的内共振，可针对不同的控制状态，调节励磁线圈的电压值改变磁流变弹性体的刚度来进行匹配，达到减振目的。
(3)减振装置结构简单耗能少，由于采用半主动式控制，只需要提供减振装置正常工作的基本电压无需额外输入能量来抵消振动能量；且装置的整体性强，整体安装使用方便。
附图说明
图1为本发明的可控刚度的发动机减振装置示意图；
图2为本发明的可控刚度的发动机减振装置细节示意图；
图3为本发明的可控刚度的发动机减振装置原理图；
图中附图标记含义为：1为发动机，2为连接板，3为导杆，4为磁路铁芯，5为励磁线圈，6为尼龙滑块，7为磁流变弹性体，8为磁流变减振装置，9为加速度传感器，10为电荷放大器，11为数据采集系统，12为PC上位机，13为程控电源。
具体实施方式
下面结合附图及具体实例对本发明进一步做详细说明，但本发明的实施不限于此。
如图1所示，本发明可控刚度的发动机减振装置，包括发动机1、安装在发动机1上的磁流变减振装置8，其中：
发动机1为振动控制对象，磁流变减振装置由连接板2、导杆3、磁路铁芯4、励磁线圈5、尼龙滑块6和磁流变弹性体7组成。导杆3下部分加工有M6×40螺纹，先将两组导杆3各安装一个M6螺母作为限位，加D6弹性垫片之后穿过连接板2各用一个M6螺母加D6弹性垫片固定；磁路铁芯4上缠绕励磁线圈5，将四个尼龙滑块6通过8个M4×40螺栓固定在磁路铁芯4上；将固定有尼龙滑块6的带有线圈的磁路铁芯4穿过导杆3，整体通过两套M6螺母和D6弹簧垫片连接在连接板2上；两块磁流变弹性体7作为中介，借助502强力胶将缠有线圈5的磁路铁芯4的平板内侧和连接板2的立板两侧分别连接；上述整体通过四套M8×40螺栓和D8弹性垫片连接至发动机1上。具体细节如图2所示。
如图3所示，本发明中减振装置实际工作原理图还包括加速度传感器9、电荷放大器10、数据采集系统11、PC上位机12、程控电源13。如此在发动机运行过程中，减振装置可以对连续变化固有频率的振动问题进行处理。
以上所述的加速度传感器9为B&K公司的单轴向加速度传感器；励磁线圈5采用直径1.2mm的漆包铜线绕制；磁流变弹性体7采用作为基体的704硅胶，作为磁性颗粒的羰基铁粉以及作为润滑剂的少量硅油自己研制；数据采集装置11为江苏联能电子技术有限公司生产的YE6261B数据采集系统；电荷放大器10为江苏联能电子科技有限公司生产的YE5871电荷放大器；其他各部件均为自己设计加工。
本发明可控刚度的发动机减振装置，主要通过反馈控制回路完成，反馈控制回路由加速度传感器9、电荷放大器10、数据采集系统11、PC上位机12和程控电源13组成；加速度传感器9的反馈信号经过电荷放大器10放大后传入数据采集系统11，然后PC上位机12对数据采集系统11采集的数据进行处理并向程控电源13发出控制信号，改变励磁线圈5两端的电压，形成不同的减振刚度，形成内共振，消耗振动能量。
该方法的具体步骤如下：
步骤1：将可控刚度的发动机减振装置中的各部件正确安装，确保磁流变减振装置8和发动机1的相对空间位置，务必确保加速度传感器9的正确安装；
步骤2：根据发动机实际工作转速确定其参数，启动硬件设备使发动机1运转，同时采集加速度传感器的信号并保存，对振动信号进行离线处理，经过傅立叶变化得到模型的近似固有频率；
步骤3：确定减振装置的固有频率，由可以产生内共振的频率中选取可行的频率作为减振装置的固有频率；
步骤4：确定程控电源的输出电压，根据磁流变弹性体7的剪切刚度与磁感应强度、剪切刚度与固有频率以及磁感应强度与电压之间的对应关系得到励磁线圈5两端的电压；
步骤5：重复步骤2～4的过程，实现发动机1模型的振动实时控制；通过调整励磁线圈两端的电压，从而控制磁流变弹性体7的运动频率，使系统形成内共振；能量在发动机1的振动模态和减振装置的运动模态之间实现能量传递，通过导杆3和尼龙滑块6之间的阻尼耗散掉，使得发动机的振动得到控制。

Claims (7)

1.一种可控刚度的发动机耗能减振装置，其特征在于：包括发动机(1)和安装在发动机(1)上的磁流变减振装置(8)，其中，所述发动机(1)为振动控制对象，所述磁流变减振装置(8)由连接板(2)、导杆(3)、磁路铁芯(4)、励磁线圈(5)、尼龙滑块(6)和磁流变弹性体(7)组成；导杆(3)下部分加工有螺纹，两组导杆(3)安装螺母作为限位，加弹性垫片之后穿过连接板(2)用螺母加弹性垫片固定；磁路铁芯(4)上缠绕励磁线圈(5)，将两个尼龙滑块(6)通过螺栓固定在磁路铁芯(4)上；将固定有尼龙滑块(6)的带有线圈(5)的磁路铁芯(4)穿过导杆(3)，整体连接在连接板(2)上；磁流变弹性体(7)作为中介将缠有线圈(5)的磁路铁芯(4)和连接板(2)连接；磁流变减振装置整体通过螺栓和弹性垫片连接至发动机(1)上。
2.根据权利要求1所述的可控刚度的发动机耗能减振装置，其特征在于：发动机(1)无需定制，只需预留安装螺纹孔即可。
3.根据权利要求1所述的可控刚度的发动机耗能减振装置，其特征在于：连接板(2)下部为“凹”字结构，凹槽中间部分用于安装固定导杆(3)的螺母和弹簧垫片，上部立板用于安装磁流变弹性体(7)。
4.根据权利要求1所述的可控刚度的发动机耗能减振装置，其特征在于：磁路铁芯(4)为一体式结构带有四个对称的突出结构，分别加工有螺纹孔，用于安装尼龙滑块(6)，磁路铁芯(4)下部分有平板用于连接磁流变弹性体(7)。
5.根据权利要求1所述的可控刚度的发动机耗能减振装置，其特征在于：安装于发动机(1)的磁流变减振装置刚度可控，可通过调节刚度使得系统形成内共振，利用能量交换中存在的阻尼耗散掉发动机振动能量。
6.根据权利要求1所述的可控刚度的发动机耗能减振装置，其特征在于：磁流变弹性体(7)作为中介将磁路铁芯(4)的平板和连接板(2)的立板连接起来。
7.根据权利要求1所述的可控刚度的发动机耗能减振装置，其特征在于：减振控制方法主要通过反馈控制回路完成，反馈控制回路由加速度传感器(9)、电荷放大器(10)、数据采集系统(11)、PC上位机(12)和程控电源(13)组成；加速度传感器(9)的反馈信号经过电荷放大器(10)放大后传入数据采集系统(11)，然后PC上位机(12)对数据采集系统采集的数据进行处理并向程控电源(13)发出控制信号，改变励磁线圈(5)两端的电压，形成不同的减振刚度，形成内共振，消耗振动能量。
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