CN112287483A - 离心摆减振器的参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心摆减振器的参数设计方法，在现有非旋转式CPVA摆锤沿设计轨迹做弧向运动的基础上增加摆锤旋转运动，则能够在一定程度上提升CPVA的减振效果，进而提升整车的NVH性能。

Description

离心摆减振器的参数设计方法

技术领域

本发明属于汽车振动噪声控制技术领域，具体涉及一种离心摆减振器的参数设计方法。

背景技术

车辆动力传动系统的扭振给车辆的噪音、振动、舒适性(NVH性能)带来了较大的负面影响，扭振会增大发动机与传动系统的振动噪音，振动会通过悬架、轴承等处传递到车身，引起车身的振动并产生轰鸣声。

控制传动系统扭振的方法较多，如使用离合器隔振，弹性联轴器隔振，在前置后驱乘用车的传动轴上安装扭转减振器(TVD)吸振，使用双质量飞轮(DMF)将传动系统固有频率降低至怠速以下，在离合器从动盘上安装离心摆减振器(CPVA)吸振，以及使用一些耦合减振器，如将弹性联轴器与TVD匹配使用，或将DMF与CPVA匹配使用，以汇集两种减振器的优点，进一步提升减振效果。

然而各种减振装置都有其应用的局限性，如离合器式减振器无法将传动系统的固有频率降低至怠速以下，因此无法避免2阶扭转共振(四缸机)，故此装置只适用于经济型乘用车；弹性联轴器能在一定程度上降低系统振动，但无法有效避开传动系统扭转共振问题；TVD只对共振转速区的振动有明显消减作用，对非共振转速区的振动并无抑制效果；DMF能很好地控制传动系统扭振，隔振率可达80％，但价格稍显昂贵；CPVA是一种针对激励阶次进行抑制的减振器，调谐阶次可以人为设定选取，如可将搭载至四缸机与三缸机的CPVA的调谐阶次分别设置成2与1.5以抑制主阶次激发的传动系统扭振。

CPVA对传动系统扭振的控制效果明显优于除DMF之外的其余减振装置，效果虽不及DMF，但对比搭载CPVA与DMF的整车NVH性能，发现二者并无明显差别，而且CPVA较DMF在价格上有明显优势，因此CPVA必然有广泛的市场应用前景。

现阶段，人们对CPVA的研究主要分为摆锤的不同运动轨迹对减振效果的影响，稳定性分析，不同阶次的摆锤匹配优化，滚子(连接摆锤与转子)对减振效果的影响，摆锤与转子间阻尼对减振效果的影响，CPVA对转子平动的影响，瞬态冲击对CPVA减振性能的影响等。

在当前针对CPVA的研究中，普遍把摆锤当做质点处理，无法针对在旋转坐标系内摆锤绕其质心的旋转问题开展研究，而摆锤旋转问题直接关系到CPVA的减振性能。因此，有必要开发一种新离心摆减振器的参数设计方法。

发明内容

本发明提供一种离心摆减振器的参数设计方法，以提升CPVA的减振效果。

本发明所述的离心摆减振器的参数设计方法，包括以下步骤：

A：建立摆锤与转子连接后的二自由度系统的振动方程，设摆锤的弧向位移为S、转子的转角θ为广义变量，在忽略滚子效应时摆锤的振动方程如下：

其中：

其中，J为转子的转动惯量，c为摆锤与转子间的阻尼系数，m_p为摆锤的质量，J_p为摆锤相对其质心的转动惯量，R_p为摆锤质心到转子中心的距离，β为摆锤绕其质心的旋转角度，G(S)代表摆锤弧向运动位移为S时R_p在垂直摆锤运动方向的投影长度，其大小随着摆锤的弧向运动不断变化；

B：设旋转角度随弧长呈线性变化，与弧向运动位移S的关系为：

β＝A₁S；

以摆锤在平衡位置附近振动时转子的角加速度最小为设计思想，求解得到：

C：以摆锤等时性运动为指导思想，设激励阶次为n，调谐阶次为

调谐阶次与激励阶次的最佳关系如下：

D：选择等时外摆线作为摆锤质心的运动轨迹，以确保CPVA在工作时摆锤呈近似线性运动，等时外摆线的曲率半径与弧向位移满足以下公式：

其中：ρ_o为摆锤质心的运动轨迹在其弧顶处的曲率半径，ρ为摆锤质心在任意位置处的曲率半径，λ为线型参数。

本发明具有以下优点：在非旋转式CPVA上添加摆锤的旋转设计理念后，摆锤能够吸收更多的能量，CPVA的减振效果大约提升10％。

附图说明

图1为设计思路导图；

图2为F(A₁)导数示意图；

图3为摆锤质心运动轨迹示意图；

图4为旋转式与非旋转式CPVA减振效果对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本实施例中，一种离心摆减振器的参数设计方法，包括以下步骤：

A：建立摆锤与转子连接后的二自由度系统的振动方程，设摆锤的弧向位移为S、转子的转角θ为广义变量，在忽略滚子效应时摆锤的振动方程如下：

其中：

其中，J为转子的转动惯量，c为摆锤与转子间的阻尼系数，m_p为摆锤的质量，J_p为摆锤相对其质心的转动惯量，R_p为摆锤质心到转子中心的距离，β为摆锤绕其质心的旋转角度，G(S)代表摆锤弧向运动位移为S时R_p在垂直摆锤运动方向的投影长度，其大小随着摆锤的弧向运动不断变化。

B：设旋转角度随弧长呈线性变化，与摆锤弧向运动位移S的关系为：

β＝A₁S；

以摆锤在平衡位置附近振动时转子的角加速度最小为设计思想，求解得到：

C：以摆锤等时性运动为指导思想，设激励阶次为n，调谐阶次为

调谐阶次与激励阶次的最佳关系如下：

D：选择等时外摆线作为摆锤质心的运动轨迹，以确保CPVA在工作时摆锤呈近似线性运动，等时外摆线的曲率半径与弧向位移满足以下公式：

其中：ρ_o为摆锤质心的运动轨迹在其弧顶处的曲率半径，ρ为摆锤质心在任意位置处的曲率半径，λ为线型参数。

本实例采用的理论原理如下：

令旋转式CPVA的摆锤绕其质心的旋转角度为β，摆锤的弧向运动位移为S，设β为S的函数，即β＝β(S)，转子的转角为θ。在忽略滚子的前提下，旋转式CPVA的动能T_E可以表示为：

其中：

令：

设c为摆锤与转子间的阻尼系数，S与θ为广义变量，CPVA在运转时摆锤的离心力远大于其所受重力，因此可以忽略摆锤重力势能变化带来的影响。拉格朗日方程为：

其中，T(θ)为作用在转子上的交变力矩。

将能量方程代入拉格朗日方程可以得到摆锤与转子的振动方程分别为：

将式(4-1)摆锤振动方程化简得：

设旋转角度随弧长呈线性变化，与弧向运动位移S的关系为：

β＝A₁S (6)

其中A₁为旋转系数。

当摆锤处于弧顶附近时S≈0，在公式(5)中，有：

由于CPVA的摩擦阻尼非常小，故

希望a₁₂/a₂₂最大，以确保转子的角加速度最小，

由于：

当S＝0时，有：

上式中等号右边的表达式随A₁变化，现需要求解方程的最大值，令方程(9)中等号右边表达式为F(A₁)，即：

对其求导得：

由图2可知，在

与横轴的第二个交点处F(A₁)取最大值，因此：

F(A₁)表示当S＝0时，

的大小。

以上推导为摆锤旋转系数的求解思路，即通过设计A₁确保当摆锤在平衡位置附近振动时转子的角加速度最小。摆锤调谐阶次与线型参数的求解思路为通过选择

与λ，使摆锤在振幅较小与振幅较大时均做近似线性振动。

设摆锤做线性振动，即S＝S₀sin(nΩt+α₀)，其中S₀为振幅，n为发动机激励阶次，Ω为转子角速度，t为时间，α₀为相位角。在式(5)中摆锤以nΩ为频率做近似线性振动的条件为：

由式(6)可得

将其代入式(13)中可得：

在图3中，当调谐阶次为

时，令

有：

对上式求导得：

为了确保摆锤做近似线性振动，应让式(14)与(16)等号右边的展开式相等，有：

在以上推导过程中，式(17)为线性调谐参数，式(18)为非线性调谐参数。

如图1所示，具体实施方式如下：

(1)根据工程上的实际结构确定摆臂长度C，摆臂越长CPVA减振效果越好，应在确保零件间无干涉的前提下选择尽可能长的摆臂，可将摆锤与(变速器)外箱体的最小间距设置为5mm作为摆臂长度的选择标准。

(2)选择摆锤的质量m_p，摆锤质量越大CPVA的减振效果越好，可根据实际减振需求选择合适的摆锤质量。当CPVA运行时，为避免摆锤与转子间发生碰撞，应确保摆锤的最大振幅不超过其运动轨迹的最大行程，可将摆锤振幅低于其最大行程的90％作为摆锤质量的选择标准。

(3)选择摆锤的转动惯量J_p，摆锤转动惯量越大CPVA的减振效果越好，在空间结构允许的情况下应选择尽可能大的转动惯量，将零件间的最小间距设置为5mm作为摆锤惯量的选择标准。为了同时确保摆臂长度与摆锤转动惯量，通常将摆锤做成扁平的形状以兼顾二者。

(4)计算摆锤的旋转系数A₁，依据公式(12)进行计算。

(5)计算CPVA的调谐阶次

依据公式(17)进行计算。

(6)计算摆锤质心的最佳运动路径，依据下式进行计算：

(7)计算摆锤振幅，查看最大振幅是否约为其运动轨迹最大行程的90％，若最大振幅大于此数值，可适当增加摆锤质量降低振幅，若最大振幅低于此数值，可适当减小摆锤质量增大振幅。

设摆锤质心在弧顶处距离转子中心的距离为C＝95mm，摆锤绕其自身质心的回转半径为r＝38.8mm。计算得A₁＝5.0605、

λ²＝0.8184。现对比旋转式CPVA与非旋转式CPVA的减振效果，转子角加速度随激励力矩的变化关系对比如图4所示。可以看出非旋转式CPVA加上旋转设计后，减振效果约提升了10％。

Claims (1)

1.一种离心摆减振器的参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：建立摆锤与转子连接后的二自由度系统的振动方程，设摆锤的弧向位移为S、转子的转角θ为广义变量，在忽略滚子效应时摆锤的振动方程如下：

其中：

其中，J为转子的转动惯量，c为摆锤与转子间的阻尼系数，m_p为摆锤的质量，J_p为摆锤相对其质心的转动惯量，R_p为摆锤质心到转子中心的距离，β为摆锤绕其质心的旋转角度，G(S)代表摆锤弧向运动位移为S时R_p在垂直摆锤运动方向的投影长度，其大小随着摆锤的弧向运动不断变化；

B：设旋转角度随弧长呈线性变化，与弧向运动位移S的关系为：

β＝A₁S；

以摆锤在平衡位置附近振动时转子的角加速度最小为设计思想，求解得到：

C：以摆锤等时性运动为指导思想，设激励阶次为n，调谐阶次为

调谐阶次与激励阶次的最佳关系如下：

D：选择等时外摆线作为摆锤质心的运动轨迹，以确保CPVA在工作时摆锤呈近似线性运动，等时外摆线的曲率半径与弧向位移满足以下公式：

其中：ρ_o为摆锤质心的运动轨迹在其弧顶处的曲率半径，ρ为摆锤质心在任意位置处的曲率半径，λ为线型参数。

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