CN117212376A - 一种多稳态非线性能量阱以及车辆动力传动系统当量模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多稳态非线性能量阱以及车辆动力传动系统当量模型，其中多稳态非线性能量阱包括依次同轴设置的磁铁盘、惯性盘以及盖板，还包括支撑座和正刚度梁；磁铁盘外周均匀设置有若干第一永磁铁；惯性盘包括环形主体，所述环形主体的外周设置有若干第二永磁铁，第二永磁铁位置与第一永磁铁位置相对应，所述环形主体内侧均匀设置若干间隙孔；所述支撑座固定连接于惯性盘的中心位置，在固定座的侧面对称设置若干正刚度梁，所述正刚度梁的末端与间隙孔间隙配合或者过盈配合；所述盖板中心位置设置有盖板轴承，所述盖板轴承用于连接转轴。本发明利用负刚度的永磁铁和正刚度梁形成多稳态特性对动力传动系统的宽频带振动具有很好的抑制性能。

Description

一种多稳态非线性能量阱以及车辆动力传动系统当量模型

技术领域

本发明属于振动噪声控制技术领域，涉及一种多稳态非线性能量阱以及车辆动力传动系统当量模型。

背景技术

目前，高功率密度是现代车辆动力传动系统的发展趋势。多级涡轮增压系统和多级中冷系统之间的协作可以实现更好的燃油效率和减少排放。然而，技术进步不仅会改变燃烧扭矩，还会给动力传动系统带来宽带、高振幅的扭转振荡，从而加剧噪声、振动与声振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness,NVH)。发动机的谐波激励或脉冲作用是系统NVH特性的主要原因。此外，现代车辆的工作条件复杂多变。为了保证车辆的稳定运行，必须在较宽的频率范围内抑制扭转振动。目前，尚缺乏一种简单可靠的振动控制机构解决上述问题。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明提供一种多稳态非线性能量阱以及车辆动力传动系统当量模型。本发明利用负刚度的永磁铁和正刚度梁形成多稳态特性对动力传动系统的宽频带振动具有很好的抑制性能。

本发明采用的技术手段如下：

一种多稳态非线性能量阱，包括：依次同轴设置的磁铁盘、惯性盘以及盖板，还包括支撑座和正刚度梁；

所述磁铁盘外周均匀设置有若干第一永磁铁；

所述惯性盘包括环形主体，所述环形主体的外周设置有若干第二永磁铁，所述第二永磁铁位置与第一永磁铁位置相对应，所述环形主体内侧均匀设置若干间隙孔；

所述支撑座固定连接于惯性盘的中心位置，在固定座的侧面对称设置若干正刚度梁，所述正刚度梁的末端与间隙孔间隙配合或者过盈配合；

所述盖板中心位置设置有盖板轴承，所述盖板轴承用于连接转轴。

进一步地，位置对应的第一永磁铁和第二永磁铁彼此互斥配置。

进一步地，若干所述正刚度梁的直径不完全相同。

进一步地，所述惯性盘与盖板相对的面上设置有用于实现栓接的圆孔。

进一步地，所述第一永磁铁和第二永磁铁的个数均为4个。

进一步地，所述正刚度梁的数量为4根。

本发明还公开了一种车辆动力传动系统当量模型，包括通过传动轴连接的电机、发动机等效惯量盘、离合器等效惯量盘、齿轮箱等效惯量盘、变矩器等效惯量盘以及传动部分等效惯量盘，还包括如上述任意一项所述的多稳态非线性能量阱，所述多稳态非线性能量阱设置于发动机等效惯量盘和离合器等效惯量盘之间。

进一步地，所述模型的动力学方程为：

其中，J_i(i＝1,2,3,4,5,6)分别表示发动机、离合器、变速箱、变矩器、传动部分和多稳态非线性能量阱的转动惯量，θ_i(i＝1,2,3,4,5,6)分别表示各个转动惯量的扭转角，K_i和C_i(i＝1,2,3,4)表示等效刚度和阻尼，T_e表示发动机扭矩，T_r表示负载扭矩，T_n(θ)表示多稳态非线性能量阱的非线性扭矩。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的多稳态非线性能量阱中的惯性盘间隙孔与正刚度梁的连接包括过盈配合和间隙配合。通过调节惯性盘间隙孔的直径和正刚度梁的直径，使得结构的分段线性特性可调。

2、本发明的多稳态非线性能量阱中的一对永磁铁同轴线且互斥配置，通过调节磁铁大小和间距可以调节结构的负刚度特性。通过结合永磁铁和正刚度梁，可以匹配不同的多稳态特性。根据需要设计不同的多稳态非线性能量阱，能够抑制动力传动系统在不同工作条件下的扭振。

3、本发明的多稳态非线性能量阱中的惯性盘与盖板的固定连接避免了正刚度梁与惯性盘连接后的轴向窜动，盖板通过轴承与轴的连接增强了惯性盘的支撑刚度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的应用于车辆动力传动系统扭振抑制的多稳态非线性能量阱的结构整体示意图。

图2是本发明的应用于车辆动力传动系统扭振抑制的多稳态非线性能量阱的结构爆炸图。

图3是磁铁盘、惯性盘和永磁铁的结构示意图。

图4是支撑座的结构示意图。

图5是正刚度梁的结构示意图。

图6是本发明的多稳态非线性能量阱应用于车辆动力传动系统当量简化模型的结构示意图。

图7为本实施例的一种多稳态非线性能量阱的恢复力曲线图。(a)表示扭转刚度以分段线性的方式变化示意图，(b)表示永磁铁的负刚度特性示意图，(c)表示扭矩和扭转角之间的关系示意图。

图8为本实施例的的车辆动力传动系统加装多稳态非线性能量阱前后的稳态频率响应曲线对比图。

图中：1-发动机等效惯量盘，2-离合器等效惯量盘，3-齿轮箱等效惯量盘，4-变矩器等效惯量盘，5-传动部分等效惯量盘，6-电机，7-电机座，8-转轴，9-联轴器，10-轴承支座，11-多稳态非线性能量阱，12-磁铁盘，13-惯性盘，14-支撑座，15-盖板，16-盖板轴承，17-正刚度梁，18-永磁铁，19-间隙孔，20-圆孔，21-方孔，22-螺纹通孔，23-螺纹盲孔，24-直槽口。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1-5所示，本发明提供了一种应用于车辆动力传动系统扭振抑制的多稳态非线性能量阱，包括：磁铁盘12、惯性盘13、支撑座14、盖板15、正刚度梁17和永磁铁18；

所述惯性盘13内侧设有直径不一致的间隙孔19；所述正刚度梁17按顺时针方向记为B1、B2、B3和B4，共具有低、中、高三种直径规格。其中B1和B3为低直径规格，其顶端与惯性盘13上间隙孔19的配合类型为过盈配合；B2和B4分别为中直径和高直径规格，其顶端与惯性盘13上间隙孔19的配合类型为间隙配合。正刚度梁17的底端与支撑座14连接。所述盖板15的一个端面与惯性盘13连接，其内侧与盖板轴承16的外圈连接，轴承内圈与转轴8连接；所述支撑座14和磁铁盘12固定在转轴8上；所述永磁铁18被均匀的设在磁铁盘12和惯性盘13上，每一对永磁铁18同轴心且彼此互斥配置。提供负刚度的永磁铁18和正刚度梁17配合使用，以产生多稳态特性。随着车辆动力传动系统的扭转振动逐渐增大，多稳态非线性能量阱11会穿过多个稳态平衡点，从而快速的耗散主系统的能量。

如图3所示，所述磁铁盘12和惯量盘13上设有4对方孔21，用于胶装永磁铁18。此外，磁铁盘12上设有螺纹通孔22，用于与转轴8固定连接。惯性盘13上设有直径不同的间隙孔19，用于与正刚度梁17配合产生分段非线性特性。所述惯性盘13一端环形端面上设有多个均匀分布的圆孔20，所述盖板15通过螺栓连接与圆孔20配合固定在惯性盘13的一端。

具体实施时，正刚度梁B1和B3与惯性盘13为过盈配合，B2和B4与惯性盘13为间隙配合。随着振幅的增大，间隙配合的正刚度梁17逐一与惯性盘13接触，其恢复力呈现分段非线性特性。

具体实施时，也可以同轴线配置3个永磁铁18，其中中间磁铁与一端磁铁以S极保持互斥配置，与另一端磁铁以N极保持互斥配置，其恢复力也呈现负刚度特性。

具体实施时，也可以通过铆接或焊接的方式将盖板15固定在惯性盘13的一端。

如图4所示，也可以设置多根正刚度梁17与多组永磁铁18进行配合。根据正刚度梁17和永磁铁18的数量不同，支撑座14和惯性盘13可以相应的改变形状。本实施例中采用4根正刚度梁和4对永磁铁，其中2根正刚度梁17与惯性盘13过盈配合，其余2根正刚度梁17与惯性盘13间隙配合，4对永磁铁18在惯性盘13上均匀分布，相应的支撑座14采用立方体结构。支撑座14上设有多个螺纹通孔22，以实现将支撑座14固定在转轴8上。此外，支撑座14上设有多个螺纹盲孔23用于与正刚度梁17连接。

如图5所示，正刚度梁17底部支撑板上设有直槽口23，通过螺栓与支撑座14连接。

如图6所示，本实施例的车辆动力传动系统当量简化模型包括：发动机等效惯量盘1，离合器等效惯量盘2，齿轮箱等效惯量盘3，变矩器等效惯量盘4，传动部分等效惯量盘5，电机6，电机座7，转轴8，联轴器9和轴承支座10。所述电机1安装在电机座2上，仅起提供输入扭矩的作用。发动机等效惯量盘靠近电机输出轴安装。多稳态非线性能量阱安装在发动机等效惯量盘附近，即振源附近。其它等效惯量盘被安装在转轴8上，每个等效惯量的一侧都设有轴承支座10，所述轴承支座10通过内置的轴承与转轴8连接。

具体实施时，通过多个联轴器9连接多段转轴，每段转轴上固定设置相应的等效惯量盘。

当本发明的多稳态非线性能量阱工作时，磁铁盘12和支撑座14固定在转轴8上，支撑座14和正刚度梁17连接，正刚度梁17和惯性盘13存在过盈配合，因此惯性盘13将在轴上旋转。当发生扭转振动时，惯性盘13和磁铁盘12之间将存在相对角位移。随着扭转振动逐渐增大，使得惯性盘13与正刚度梁17依次接触碰撞，同时结合永磁铁18的负刚度特性，实现动力传动系统的扭转振动抑制。相对单稳态系统，多稳态系统已被证明具有更好的振动抑制效果。本发明结合永磁铁18产生的负刚度和正刚度梁17与惯性盘13配合形成的分段线性正刚度，进而产生了多稳态机制。

本发明的多稳态非线性能量阱应用到具体的传动系统当量模型的过程如下：

如图7(a)所示，随着振幅的增大，正刚度梁17依次与惯性盘13接触。通过这种方式，本发明的多稳态非线性能量阱的扭转刚度以分段线性的方式变化，图中δ₁和δ₂分别为正刚度梁B2和B4与间隙孔19侧壁的间隙。永磁铁的负刚度特性如图7(b)所示。多稳态非线性能量阱的扭矩和扭转角之间的关系如图7(c)所示，其中A、B和C是多稳态非线性能量阱的稳态平衡位置，而D和E是多稳态非线性能量阱临界稳态平衡位置。

图8为在相同激励水平下，加装和不加装多稳态非线性能量阱时动力传动系统的幅频响应曲线。动力传动系统在15.5Hz和31.5Hz处出现了明显的共振峰值。不加装多稳态非线性能量阱时，动力传动系统在15.5Hz和31.5Hz处的共振峰值分别为1.25deg和3.05deg。加装多稳态非线性能量阱后，动力传动系统在15.5Hz和31.5Hz附近的峰值分别为0.87deg和1.17deg。多稳态非线性能量阱对这两个峰值的振动抑制率分别达到30.4％和61.64％，证明了安装在振源附近的多稳态非线性能量阱可以抑制车辆动力传动系统的稳态共振。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种多稳态非线性能量阱，其特征在于，包括：依次同轴设置的磁铁盘、惯性盘以及盖板，还包括支撑座和正刚度梁；

所述磁铁盘外周均匀设置有若干第一永磁铁；

所述惯性盘包括环形主体，所述环形主体的外周设置有若干第二永磁铁，所述第二永磁铁位置与第一永磁铁位置相对应，所述环形主体内侧均匀设置若干间隙孔；

所述支撑座固定连接于惯性盘的中心位置，在固定座的侧面对称设置若干正刚度梁，所述正刚度梁的末端与间隙孔间隙配合或者过盈配合；

所述盖板中心位置设置有盖板轴承，所述盖板轴承用于连接转轴。

2.根据权利要求1所述的一种多稳态非线性能量阱，其特征在于，位置对应的第一永磁铁和第二永磁铁彼此互斥配置。

3.根据权利要求1所述的一种多稳态非线性能量阱，其特征在于，若干所述正刚度梁的直径不完全相同。

4.根据权利要求1所述的一种多稳态非线性能量阱，其特征在于，所述惯性盘与盖板相对的面上设置有用于实现栓接的圆孔。

5.根据权利要求1所述的一种多稳态非线性能量阱，其特征在于，所述第一永磁铁和第二永磁铁的个数均为4个。

6.根据权利要求1所述的一种多稳态非线性能量阱，其特征在于，所述正刚度梁的数量为4根。

7.一种车辆动力传动系统当量模型，包括通过传动轴连接的电机、发动机等效惯量盘、离合器等效惯量盘、齿轮箱等效惯量盘、变矩器等效惯量盘以及传动部分等效惯量盘，其特征在于，还包括如权利要求1-6中任意一项所述的多稳态非线性能量阱，所述多稳态非线性能量阱设置于发动机等效惯量盘和离合器等效惯量盘之间。

8.根据权利要求7所述的一种车辆动力传动系统当量模型，其特征在于，所述模型的动力学方程为：

其中，J_i(i＝1,2,3,4,5,6)分别表示发动机、离合器、变速箱、变矩器、传动部分和多稳态非线性能量阱的转动惯量，θ_i(i＝1,2,3,4,5,6)分别表示各个转动惯量的扭转角，K_i和C_i(i＝1,2,3,4)表示等效刚度和阻尼，T_e表示发动机扭矩，T_r表示负载扭矩，T_n(θ)表示多稳态非线性能量阱的非线性扭矩。