發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸溷聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器

1、摘要發(fā)動(dòng)機(jī)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)嚴(yán)重影響了整車(chē)的舒適性。本文基于多級(jí)并聯(lián)和串聯(lián)扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計(jì)背景，提出混聯(lián)式曲軸扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計(jì)，對(duì)扭轉(zhuǎn)減振器的優(yōu)化方案做了介紹，建立了兩種三級(jí)混聯(lián)減振器的簡(jiǎn)化模型，運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，并運(yùn)用CATIA軟件對(duì)其進(jìn)行實(shí)體建模。分析完扭轉(zhuǎn)減振器的優(yōu)化參數(shù)，結(jié)果表明本研究成果對(duì)曲軸扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計(jì)有一定借鑒價(jià)值。關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)；曲軸扭轉(zhuǎn)減振器；混聯(lián)；優(yōu)化AbstractThe Torsional Vibration (TV) of engine seriously affects the comfort of vehicle. Based on the

2、 background of parallel and serial multi-stage torsion damper design, the hybrid design of crankshaft Torsional Vibration Absorber (TVA) is proposed. This paper describes the optimization program of the TVA and establishes two simplified models of hybrid tri-mode TVA. The paper analyzes the optimiza

3、tion parameters with MATLAB and modeling TVA with the CATIA. After analyzing optimization parameters of TVA, the result indicates that the conclusions of this paper have some reference value for the design of TVA.Keywords: engine vibration; torsional absorber; hybrid-mode; optimization.目錄摘要IABSTRACT

4、II1 概述11.1 課題背景11.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀21.3 課題主要內(nèi)容42 扭轉(zhuǎn)減振器介紹52.1 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的控制方法52.2 扭轉(zhuǎn)減振器的種類(lèi)62.3 扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)82.3.1 單級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器92.3.2 多級(jí)并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器102.3.3 多級(jí)串聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器112.3.4 硅油-橡膠復(fù)合式扭轉(zhuǎn)減振器122.3.5 彎扭復(fù)合式減振器133 扭轉(zhuǎn)減振器設(shè)計(jì)理論143.1 動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)原理153.2 多級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器簡(jiǎn)化模型163.2.1 兩級(jí)并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器的簡(jiǎn)化模型163.2.2 三級(jí)并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器的簡(jiǎn)化模型173.2.3 兩級(jí)串聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器的簡(jiǎn)化模型183.3 三級(jí)混聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減

5、振器傳遞率的計(jì)算183.4 多級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器參數(shù)的優(yōu)化方法244 三級(jí)混聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器計(jì)算及優(yōu)化程序274.1 參數(shù)計(jì)算及優(yōu)化程序界面274.2 三級(jí)混聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器參數(shù)計(jì)算及優(yōu)化294.3 三級(jí)串并聯(lián)扭轉(zhuǎn)減振器的優(yōu)化結(jié)果334.4 三級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析335 三級(jí)混聯(lián)扭轉(zhuǎn)減振器的建模365.1 三級(jí)混聯(lián)扭轉(zhuǎn)減振器的建模365.2 三級(jí)混聯(lián)減振器的結(jié)構(gòu)說(shuō)明386 全文總結(jié)416.1 主要結(jié)論416.2 不足與展望41致謝43參考文獻(xiàn)441 概述1.1 課題背景由于汽車(chē)工業(yè)具有很強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度，因而被視為一個(gè)國(guó)家工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，因此汽車(chē)被稱(chēng)為“改變世界的機(jī)器”。隨著科技的進(jìn)

6、步，社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，包括對(duì)汽車(chē)舒適性、安全性等性能提出了越來(lái)越苛刻的要求。為了提高汽車(chē)舒適性，減輕汽車(chē)的振動(dòng)，首先要找到汽車(chē)的振源，汽車(chē)是多自由度的振動(dòng)體，并受到各種振源的作用而發(fā)生振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)就是振源之一。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，曲軸在周期性變化的轉(zhuǎn)矩作用下，各曲拐之間發(fā)生周期性相對(duì)扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱(chēng)為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)扭振1。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)關(guān)系到它的壽命、工作效率和對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。曲軸系統(tǒng)的振動(dòng)是引發(fā)內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)的重要因素。由于曲軸上作用有大小、方向都周期性變化的切向和法向作用力, 曲軸軸系將會(huì)同時(shí)產(chǎn)生彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)曲軸一般均采用全支承結(jié)構(gòu), 彎曲剛度較大, 所以其彎

7、曲振動(dòng)的自然頻率較高。雖然彎曲振動(dòng)不會(huì)在內(nèi)燃機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生共振, 但它會(huì)引起配套軸系和機(jī)體其它部件的振動(dòng), 是內(nèi)燃機(jī)的主要噪聲源。對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而言, 由于曲軸較長(zhǎng),扭轉(zhuǎn)剛度較小, 而且曲軸軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又較大, 故曲軸扭振的頻率較低, 在內(nèi)燃機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)容易產(chǎn)生共振,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化頻率與曲軸扭轉(zhuǎn)的自振頻率相同或成整數(shù)倍時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振。共振時(shí)扭轉(zhuǎn)振幅增大，并導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損加劇，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，甚至使曲軸斷裂。曲軸作為內(nèi)燃機(jī)中主要的運(yùn)動(dòng)部件之一，它的強(qiáng)度和可靠性在很大程度上決定著內(nèi)燃機(jī)的可靠性。因此, 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮的重要因素2。 如何降低曲軸的振動(dòng)是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸

8、設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，為了消減曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，現(xiàn)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)多在扭轉(zhuǎn)振幅最大的曲軸前端裝置扭轉(zhuǎn)減振器，目前在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)中廣泛采用的是橡膠阻尼式扭轉(zhuǎn)減振器(圖1.1)，有效地改善了發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)的扭振特性，降低了扭振幅值。c)b)a)a)橡膠扭轉(zhuǎn)減振器(CA8V100)；b)帶輪-橡膠扭轉(zhuǎn)減振器；c)復(fù)合慣性質(zhì)量減振器(尼桑VH45DE)1-減振器殼體；2-硫化橡膠層；3-扭轉(zhuǎn)減振器慣性質(zhì)量；4帶輪轂；5-帶輪；6-緊固螺栓；7-彎曲振動(dòng)慣性質(zhì)量圖1.1 橡膠阻尼式扭轉(zhuǎn)減振器這種減振器在曲軸系統(tǒng)中的匹配設(shè)計(jì)是基于動(dòng)力減振器（動(dòng)力吸振器）的設(shè)計(jì)理論。扭轉(zhuǎn)減振器具有如下幾個(gè)功能：(1) 消減曲

9、軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，提高曲軸的疲勞壽命，減少應(yīng)力水平；(2) 傳遞扭矩，衰減扭矩波動(dòng)；(3) 減少整車(chē)的振動(dòng)、噪音。1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀在國(guó)外，從十九世紀(jì)末開(kāi)始對(duì)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的研究，到第一次世界大戰(zhàn)，由于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)軸系因扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的事故突增，促使對(duì)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的研究的深入發(fā)展，出現(xiàn)了許多種計(jì)算軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率的方法，同時(shí)出現(xiàn)了測(cè)量軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的儀器，1916 年德國(guó)人蓋格爾（Geiger）發(fā)表了用機(jī)械式扭振儀測(cè)量軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的文章，開(kāi)始了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的實(shí)測(cè)試驗(yàn)階段。此后扭轉(zhuǎn)振動(dòng)研究的發(fā)展非常迅速，關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)進(jìn)行了大規(guī)模的開(kāi)展，開(kāi)發(fā)水平已經(jīng)日益成熟3。 上個(gè)世紀(jì)40年代就已由Br

10、ock和Den Hartog提出了針對(duì)單自由度無(wú)阻尼振系得最優(yōu)減振器設(shè)計(jì)理論，其主要思想史將曲軸系等效成沒(méi)有阻尼的單自由度系統(tǒng)，再在該系統(tǒng)上附加一個(gè)有剛度和阻尼的單自由度減振器，構(gòu)成雙扭擺如圖1.2所示，然后將主系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)最小作為控制目標(biāo)計(jì)算得到減振器剛度和阻尼的最優(yōu)值，因其計(jì)算方法簡(jiǎn)單，隨意一直沿用至今。a) 曲軸軸系等效單自由度系統(tǒng)b) 曲軸軸系雙扭擺模型圖1.2 單自由度系統(tǒng)和雙扭擺在國(guó)內(nèi)，隨著對(duì)內(nèi)燃機(jī)污染（尾氣、噪聲）、油耗、可靠性、動(dòng)力性、舒適性的要求越來(lái)越高，已有的傳統(tǒng)曲軸軸系設(shè)計(jì)方法也越來(lái)越難以適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)的需要，不能滿(mǎn)足人們對(duì)汽車(chē)舒適性的要求，因此出現(xiàn)了許多對(duì)曲軸扭轉(zhuǎn)

11、減振器的更精確、更全面的研究設(shè)計(jì)方法。目前對(duì)于單級(jí)橡膠扭轉(zhuǎn)減振器，已有較成熟的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法，如動(dòng)力吸振原理法、多質(zhì)量系統(tǒng)模型法及有限元模型法等。這些方法在對(duì)減振器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)大多以降低曲軸最大振幅為目標(biāo)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的輕量化和高功率化，受到橡膠的低阻尼限制，單級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器已滿(mǎn)足不了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的控制要求，目前，越來(lái)越多的汽車(chē)上已開(kāi)始使用多級(jí)橡膠扭轉(zhuǎn)減振器，然而對(duì)于多級(jí)混聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器卻很少有人提及4。近年來(lái)隨著汽車(chē)發(fā)展的小型化、輕型化及對(duì)傳動(dòng)空間緊湊化、傳動(dòng)高效率化的要求，多楔帶被廣泛使用，這使得發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件(包括水泵、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵及空調(diào)壓縮機(jī)等)由傳統(tǒng)的多根帶傳動(dòng)，變成了一根帶

12、、一次驅(qū)動(dòng)的所謂蛇形帶傳動(dòng)方式。這種帶傳動(dòng)方式不但使發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置緊湊，節(jié)省空間，而且還同時(shí)具有平帶傳動(dòng)的靈活性和V帶傳動(dòng)的高效率特點(diǎn)。1.3 課題主要內(nèi)容汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸是一個(gè)非常重要的部件，它的制造工藝復(fù)雜，質(zhì)量要求高。在研究曲軸軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)同時(shí)，如何減小曲軸的振動(dòng)，是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。為了減輕曲軸的振動(dòng)，人們?cè)谇S前端安裝了扭轉(zhuǎn)減振器，對(duì)扭轉(zhuǎn)減振器的研究也一直在進(jìn)行。理論和實(shí)踐都證明了減振器的有效性首先要正確的、合理的選定三個(gè)主要參數(shù)：減振器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、減振器的剛度及減振器的阻尼系數(shù)。在已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)中，主要是針對(duì)串并聯(lián)曲軸減振器的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行研究，鮮有文章對(duì)混聯(lián)曲

13、軸扭轉(zhuǎn)減振器進(jìn)行詳細(xì)的介紹。因此我們有必要對(duì)曲軸減振器具體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行介紹，同時(shí)對(duì)多級(jí)混聯(lián)扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計(jì)在現(xiàn)有的理論上進(jìn)行研究。本文研究的主要內(nèi)容有：(1) 介紹發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的控制方法，歸納當(dāng)前國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用較多的曲軸扭轉(zhuǎn)減振器的若干結(jié)構(gòu)形式；(2) 介紹動(dòng)力吸振器的吸振原理和不同結(jié)構(gòu)形式的曲軸扭轉(zhuǎn)減振器的簡(jiǎn)化模型，依此提出三級(jí)混聯(lián)式曲軸扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計(jì)方法，利用頻率響應(yīng)特性對(duì)多級(jí)曲軸扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行研究，提出選取各級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方法；(3) 介紹三級(jí)混聯(lián)式曲軸扭轉(zhuǎn)減振器的計(jì)算與優(yōu)化程序，并分析優(yōu)化結(jié)果；(4) 介紹三級(jí)混聯(lián)扭轉(zhuǎn)減振器的建模過(guò)程，并對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)

14、明。2 扭轉(zhuǎn)減振器介紹2.1 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的控制方法對(duì)于曲軸的扭振，如果在內(nèi)燃機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，根據(jù)扭振計(jì)算以及實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)確實(shí)存在著較大的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，就必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以便將扭轉(zhuǎn)振動(dòng)予以回避或者將其消減，以保證內(nèi)燃機(jī)工作的安全可靠。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的避振預(yù)防措施有很多種，可綜合歸納為以下三種方法5,6：(1) 頻率調(diào)整法由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性可知，當(dāng)激勵(lì)扭振的作用頻率與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的某一固有頻率 0 相同時(shí)，將會(huì)發(fā)生極其劇烈的動(dòng)態(tài)放大現(xiàn)象，即共振現(xiàn)象。因此耍避開(kāi)發(fā)生=0，的可能，也即避開(kāi)動(dòng)態(tài)放大最嚴(yán)重的工況，就可能免除扭轉(zhuǎn)振動(dòng)過(guò)大所引起的一切后果。本方法的基本概念就是使主動(dòng)躲過(guò)0 。這種方法主要措施有調(diào)整慣

15、量法、調(diào)整柔度法等。通過(guò)調(diào)整，使系統(tǒng)本身的自振頻率躲過(guò)激振頻率。使振動(dòng)應(yīng)力降至瞬時(shí)許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，這樣就避免了因扭轉(zhuǎn)振動(dòng)過(guò)大對(duì)內(nèi)燃機(jī)造成損害。這種方法是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)預(yù)防措施中應(yīng)用最廣的措施之一，這不僅是由于它的措施比較簡(jiǎn)易可行，還在于當(dāng)達(dá)到調(diào)頻要求以后，它的工作將是有效的與可靠的。但頻率調(diào)整法有個(gè)缺點(diǎn)是調(diào)頻的幅度較小，以至于在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。(2) 減小振能法激勵(lì)扭矩是導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的動(dòng)力源。由于激勵(lì)扭矩輸人系統(tǒng)的能量是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)得以維持的源泉，如果能夠減小輸人系統(tǒng)的振動(dòng)能量，也就能直接減小扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的量級(jí)。方法之一是改變內(nèi)燃機(jī)的發(fā)火順序，當(dāng)在機(jī)器所使用的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，危險(xiǎn)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是副臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，

16、有可能用此方法來(lái)消減危險(xiǎn)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，減小其危險(xiǎn)程度。方法之二是改變曲柄布置，在多缸內(nèi)燃機(jī)中故意選用非等間隔發(fā)火，適當(dāng)選擇曲柄角以改變曲柄布置，可以使任何主、副臨界轉(zhuǎn)速中的某些簡(jiǎn)諧扭振相互抵消而避開(kāi)危險(xiǎn)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。方法之三是選擇最佳的曲柄與功率輸出裝置的相對(duì)位置，使二者的干擾扭矩互相抵消，可以消減曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。(3) 裝設(shè)減振器裝設(shè)減振器能改變軸系的扭振特性。減振器就其特性而言，可分為三大類(lèi)：動(dòng)力減振器，主要依靠它的動(dòng)力效應(yīng)改變軸系的自振頻率，使之移出工作轉(zhuǎn)速范圍，達(dá)到避振目的，如彈簧式和擺式動(dòng)力減振器等；阻尼減振器，主要依靠固體的摩擦阻尼或液體的粘性阻尼來(lái)吸收干擾力矩輸入系統(tǒng)的振動(dòng)能量，以減

17、小振動(dòng)，如橡膠減振器和硅油減振器等；復(fù)合減振器，就是既有調(diào)頻作用，又有阻尼降幅作用，如硅油橡膠減振器和硅油彈簧減振器。下文有關(guān)于這三類(lèi)減振器有詳細(xì)介紹。2.2 扭轉(zhuǎn)減振器的種類(lèi)內(nèi)燃機(jī)裝在減振器上可以大大地降低傳遞到底座上的振動(dòng)，同樣,扭轉(zhuǎn)振動(dòng)也可以在它們達(dá)到底座之前消除。如果在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的前軸頭上安裝減振裝置，那么，減振器就會(huì)吸收發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)其旋轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。這表明了減振器在內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)中所起的重要作用。對(duì)減振器的技術(shù)要求是很高的，主要要求有彈性材料的強(qiáng)度在使用和貯存過(guò)程中要可靠，與金屬的固定要牢靠，在安裝階段剛性波動(dòng)范圍要小，技術(shù)特性不隨時(shí)間而變化?，F(xiàn)在，主要的減振器有動(dòng)力型減振器、阻尼型

18、減振器以及動(dòng)力阻尼型減振器5,6。(1) 動(dòng)力型減振器圖2.1 無(wú)阻尼彈性減振器示意圖動(dòng)力減振器是通過(guò)彈性元件把輔助質(zhì)量連接到振動(dòng)系統(tǒng)上的一種減振裝置。起減振原理與摩擦減振器不同它不靠消耗能量來(lái)減振，而是通過(guò)輔助質(zhì)量的動(dòng)力作用，是彈性元件在主系統(tǒng)上產(chǎn)生的慣性力矩正好與激振力矩大小相等、方向相反，以此來(lái)達(dá)到減振目的7。如圖2.1所示。 (2) 阻尼減振器圖2.2 阻尼減振器示意圖阻尼減振器是靠阻尼消耗激振能量達(dá)到減振目的，見(jiàn)圖2.2。主要的有硅油減振器間，其減振器殼體與曲軸固定，輪換與殼體之間充滿(mǎn)高粘度硅油。當(dāng)軸系發(fā)生扭振時(shí)，殼體與曲軸一起振動(dòng)，而輪環(huán)由于慣性作用與殼體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，硅油因摩擦阻

19、尼而吸收振動(dòng)能量，對(duì)扭振系統(tǒng)起減振作用。這種減振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減振效果好，工作可靠、耐用，使用較廣泛。 (3) 動(dòng)力阻尼型減振器圖2.3 阻尼彈性減振器示意在動(dòng)力減振器內(nèi)，加上適當(dāng)?shù)淖枘幔托纬闪擞凶枘岬膭?dòng)力減振器。動(dòng)力阻尼型減振器兼有上述兩種作用，如橡膠彈性減振器、橡膠硅油減振器、硅油彈簧減振器等，見(jiàn)圖2.3，從理論上講，動(dòng)力阻尼型減振器效果最好，因?yàn)樗饶芾脧椥援a(chǎn)生動(dòng)力效應(yīng)，又能利用阻尼消耗激振能量。從而達(dá)到降低新出現(xiàn)的共振振幅，擴(kuò)大減振的頻率范圍，進(jìn)一步改善減振的效果。因此，有阻尼動(dòng)力見(jiàn)這起可以更好的利用來(lái)減少變速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)器的振動(dòng)。在汽車(chē)和船舶的傳動(dòng)系中得到了廣泛的應(yīng)用。但這種減振器與曲軸

20、連接的彈性元件，如彈簧、橡膠等，常處在大振幅、高應(yīng)力下工作，工藝較復(fù)雜，成本較高。(4) 擺式減振器圖2.4 擺式減振器擺式減振器是一個(gè)懸掛在轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)上的離心振動(dòng)擺，如圖2.4所示，實(shí)際上，它也是一種動(dòng)力減振器起作用原理與動(dòng)力減振器相同。當(dāng)擺的固有頻率和主系統(tǒng)的頻率相等時(shí)，它所產(chǎn)生的慣性反力矩即可平衡干擾力矩，從而消除振動(dòng)。由于離心振動(dòng)擺的固有頻率可隨轉(zhuǎn)速變化，因此它在變速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)器的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，對(duì)于某一次或幾次強(qiáng)迫振動(dòng)都有減振作用。常用它來(lái)減小發(fā)動(dòng)機(jī)在變速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。2.3 扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)目前在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的是橡膠阻尼式單級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器，對(duì)于單級(jí)的減振器（只具有一個(gè)慣

21、性質(zhì)量），已有較為成熟的設(shè)計(jì)理論與計(jì)算方法。在轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)中廣泛使用的橡膠阻尼式減振器的阻尼值偏小，達(dá)不到最優(yōu)設(shè)計(jì)阻尼系數(shù)比的要求。硅油或硅油-橡膠式阻尼減振器，可以提供較大的阻尼而滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的最優(yōu)阻尼，但其制造工藝復(fù)雜，成本相對(duì)較高。為降低成本，在轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸扭振減振系統(tǒng)中，一般采用橡膠阻尼式減振器。隨著轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化和大功率化，單級(jí)橡膠阻尼式減振器的減振效果已滿(mǎn)足不了曲軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制的要求，目前在一些轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)采用了多級(jí)的橡膠阻尼式減振器，即多級(jí)動(dòng)力減振器，以提高國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的壽命和降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲8。 與柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)相比較，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)的扭

22、轉(zhuǎn)振動(dòng)相對(duì)較小，因而在轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸扭振減振系統(tǒng)中，一般只用橡膠阻尼式扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)形式。隨著轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)和高功率化，普通的單級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器的減振效果已經(jīng)滿(mǎn)足不了高功率、輕量化發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制的要求，目前在一些轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)采用了多級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器。當(dāng)今在國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用有較多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)型式的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸減振器（圖2.5），采用這些具有良好減振性能的曲軸減振器的新結(jié)構(gòu)，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的壽命和降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲。Lynx R4-TD2,5 I-R5 TDI2,5 I-R5 TDIV8-TDI2,0 I-R4 TD圖2.5 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸減振器2.3.1 單級(jí)扭轉(zhuǎn)

23、減振器圖2.6為兩種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式的單級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器。其中，圖2.6(a)的慣性質(zhì)量同時(shí)兼做皮帶輪，因此圖2.6(a)中的橡膠件同時(shí)承受扭轉(zhuǎn)和徑向方向的載荷；圖2.6(b)中的慣性質(zhì)量不作為傳動(dòng)件，橡膠件僅僅承受扭轉(zhuǎn)方向的動(dòng)載荷，其橡膠的疲勞壽命較圖2.6(a)中橡膠的疲勞壽命更容易滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因此，在單級(jí)曲軸扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先考慮圖2.6(b)所示的結(jié)構(gòu)形式。 a) b) c)圖2.6 單級(jí)橡膠扭轉(zhuǎn)減振器2.3.2 多級(jí)并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器圖2.7為兩級(jí)并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器。零件7為輪毅，是扭轉(zhuǎn)減振器與發(fā)動(dòng)機(jī)曲的連接件；鋼圈1和帶輪2（齒圈）為緊配合，合成為一個(gè)慣性環(huán)，與橡膠件8組成為一級(jí)扭轉(zhuǎn)

24、減振器。摩擦環(huán)6和5為由特氟龍材料制成的部件，因此帶輪2和輪毅7之間可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)。慣性環(huán)4為另一慣性質(zhì)量，與橡膠件3組成一個(gè)階扭轉(zhuǎn)減振器。橡膠件3一側(cè)硫化在輪毅7上，另一側(cè)則硫化在慣性質(zhì)量上，因此，圖2.7所示的扭轉(zhuǎn)減振器為兩級(jí)并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器8,9。 1-鋼圈 2-帶輪 3、8-橡膠件 4-慣性輪 5、6-摩擦環(huán) 7-輪轂圖2.7 兩級(jí)并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器圖2.8為三級(jí)并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)圖。輪毅8為扭轉(zhuǎn)減振器與曲軸的連接件。橡膠件2,、6和10的一側(cè)與輪毅3、7、9硫化在一起，另外一側(cè)分別與慣性環(huán)1、帶輪5和11硫化在一起。摩擦環(huán)4由特氟龍材料制成，因此摩擦環(huán)4與帶輪(兼作慣性環(huán))5之間可以

25、相互轉(zhuǎn)動(dòng)。慣性環(huán)1與橡膠件2、帶輪5與橡膠件6、帶輪（兼作慣性環(huán)）11與橡膠件10組成三級(jí)并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器。1-慣性環(huán) 2、6、10-橡膠件 3、7、8、9-輪轂 4-摩擦環(huán) 5、11-帶輪圖2.8 三級(jí)并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器2.3.3 多級(jí)串聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器圖2.9為兩級(jí)串聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器結(jié)構(gòu)圖。輪毅7為扭轉(zhuǎn)減振器和曲軸前端的連結(jié)件，慣性環(huán)5和輪毅，之間的連接為緊配合，兩者組成一慣性質(zhì)t。橡膠件6的一側(cè)與輪毅7硫化在一起，另一側(cè)與慣性環(huán)1硫化在一起。橡膠件2的一側(cè)與慣性環(huán)1硫化在一起，另外一側(cè)與帶輪（兼慣性環(huán)）3硫化在一起。摩擦環(huán)4是由特氟龍材料制成的鋼圈，因此帶輪3和摩擦環(huán)4之間可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)。由于帶

26、輪3和橡膠件2組成的扭轉(zhuǎn)減振器是串聯(lián)連接在由慣性環(huán)1和5合成的慣性質(zhì)量和橡膠件6組成的扭轉(zhuǎn)減振器上的，因此圖2.9所示的扭轉(zhuǎn)減振器為兩級(jí)串聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器。1、5-慣性環(huán) 2、6橡膠件 3-帶輪 4-摩擦環(huán) 7-輪轂圖2.9 兩級(jí)串聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器2.3.4 硅油-橡膠復(fù)合式扭轉(zhuǎn)減振器1、7、8、11、12-輪轂2-橡膠件 3、4、6、10-鋼圈 5-帶輪 9-硅油慣性環(huán)圖2.10 硅油-橡膠復(fù)合式扭轉(zhuǎn)減振器圖2.10為硅油-橡膠復(fù)合式扭轉(zhuǎn)減振器結(jié)構(gòu)圖。輪毅12與發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸相連接輪毅1、11與輪毅12為緊配合。橡膠件2的兩側(cè)分別與輪毅1和帶輪（兼慣性環(huán)）5硫化在一起，帶輪5與橡膠件2一起組成一級(jí)

27、橡膠阻尼式扭轉(zhuǎn)減振器。鋼圈3、4、 6和10由特氟龍材料制成，與它們相連接的兩個(gè)物體之間可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)。慣性環(huán)9為硅油減振器慣性環(huán)，它與由輪毅11、7和8之間組成的密封腔之間充滿(mǎn)硅油，硅油與慣性環(huán)9組成一級(jí)硅油阻尼式扭轉(zhuǎn)減振器。由于橡膠阻尼式扭轉(zhuǎn)減振器（由彈性阻尼元件和慣性元件組成）和硅油阻尼式扭轉(zhuǎn)減振器為并聯(lián)的型式。因此，圖2.10所示的曲軸減振器為兩級(jí)并聯(lián)硅油-橡膠復(fù)合式扭轉(zhuǎn)減振器。2.3.5 彎扭復(fù)合式減振器1-帶輪 2、5-橡膠件 3、4-輪轂 6-彎曲慣性環(huán)圖2.11 彎扭復(fù)合式減振器圖2.11為彎扭復(fù)合式減振器的結(jié)構(gòu)圖。輪毅4為減振器與曲軸前端的連接件，輪毅3與輪毅4之間為緊配合，因

28、此輪毅3可以視為輪毅4的一部分。帶輪1兼作慣性環(huán)，與橡膠件2一起組成一個(gè)扭轉(zhuǎn)減振器，慣性環(huán)6與橡膠件5組成彎曲減振器。3 扭轉(zhuǎn)減振器設(shè)計(jì)理論任何一個(gè)工業(yè)產(chǎn)品從其最初設(shè)計(jì)思想的提出到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的具體實(shí)施，再到樣品的試制并進(jìn)行各種必要的測(cè)試試驗(yàn)，直至產(chǎn)品最終定型，都是一個(gè)逐步深化深入的過(guò)程，扭振減振器的設(shè)計(jì)正是如此。我們己先將復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸系按一定的簡(jiǎn)化原則10轉(zhuǎn)化為利于我們研究的當(dāng)量系統(tǒng)，從力學(xué)的角度來(lái)看，在發(fā)動(dòng)機(jī)軸系中加裝減振器，相當(dāng)于在原扭振系統(tǒng)中增加一些參數(shù)（慣量、剛度及阻尼）來(lái)改變系統(tǒng)的扭振特性，使改變前后兩個(gè)多質(zhì)量系統(tǒng)的扭振特性產(chǎn)生預(yù)定差異來(lái)達(dá)到減振目的。由于多自由度系統(tǒng)的扭振計(jì)算比

29、較復(fù)雜，加入減振器后又會(huì)引進(jìn)一些新的因素，增加了原來(lái)的自由度，因而分析帶扭轉(zhuǎn)減振器的曲軸系統(tǒng)就更困難了。為了在設(shè)計(jì)減振器時(shí)能找到一個(gè)簡(jiǎn)單的出發(fā)點(diǎn)，我們把原多自由度系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，以此來(lái)初步的近似設(shè)計(jì)，計(jì)算出減振器的各個(gè)參數(shù)。通常的辦法是把系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)部分轉(zhuǎn)化成一個(gè)質(zhì)量，先在這個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)上加上減振器進(jìn)行扭振計(jì)算，并設(shè)計(jì)出基于該簡(jiǎn)單系統(tǒng)的減振器的各項(xiàng)參數(shù)，然后將具有這些設(shè)計(jì)參數(shù)的減振器加到原多自由度系統(tǒng)上，再計(jì)算其扭振特性，以檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振器。如果計(jì)算結(jié)果理想，就可按這些參數(shù)進(jìn)行減振器的樣品試制，如果計(jì)算結(jié)果不理想，就要適當(dāng)修改減振器的參數(shù)后重新進(jìn)行計(jì)算。最后我們要對(duì)所試制的

30、減振器實(shí)物樣品及其與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配進(jìn)行扭振測(cè)試，必要的時(shí)候?qū)ζ鋮?shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮笤龠M(jìn)行測(cè)試，測(cè)試達(dá)到較為理想的結(jié)果后才最終確定減振器的各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)。為避免浪費(fèi)及節(jié)省后續(xù)的工作，所以前期設(shè)計(jì)工作中的參數(shù)確定顯得尤為重要11。對(duì)于單級(jí)的扭轉(zhuǎn)減振器（具有一個(gè)慣性質(zhì)量），目前已有較為成熟的設(shè)計(jì)理論與計(jì)算方法，計(jì)算得到扭轉(zhuǎn)減振器的最優(yōu)質(zhì)量比（扭轉(zhuǎn)減振器的慣性質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與主振系的等效當(dāng)量扭轉(zhuǎn)減振器的比值）、頻率比（扭轉(zhuǎn)減振器慣性質(zhì)量的固有頻率與主振系的固有頻率）和扭轉(zhuǎn)減振器的相對(duì)阻尼系數(shù)。然而，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)中廣泛使的橡膠阻尼式扭轉(zhuǎn)減振器，其阻尼值偏小，達(dá)不到最優(yōu)設(shè)計(jì)阻尼的要求。硅油或硅油-橡膠

31、式阻尼減振器，可以提供較大的阻尼，從而滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的最優(yōu)阻尼。但硅油或硅油-橡膠式阻尼減振器制造工藝復(fù)雜，成本較高。與柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)相比較，轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)相對(duì)的較小，因而在轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸扭振系統(tǒng)中，一般只用橡膠阻尼扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)形式。隨著轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)和高功率化，普通的單級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器的減振效果已經(jīng)滿(mǎn)足不了高功率、輕量化發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制的要求，目前在一些轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)采用了多級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器，即采用多級(jí)的動(dòng)力吸振器。本章首先簡(jiǎn)要介紹多級(jí)橡膠阻尼式扭轉(zhuǎn)減振器的力學(xué)模型，然后對(duì)其設(shè)計(jì)理論進(jìn)行研究，并提出了選取各級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化方法。3.1 動(dòng)力吸振

32、器設(shè)計(jì)原理動(dòng)力吸振器在大型建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、輪船和機(jī)床等振動(dòng)工程領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，在汽車(chē)中主要用于控制動(dòng)力傳動(dòng)系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。對(duì)于汽車(chē)動(dòng)力吸振器這樣的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)，可將原多自由度主振系統(tǒng)等效為對(duì)應(yīng)單自由度系統(tǒng)12,13。圖3.1 主系統(tǒng)安裝動(dòng)力吸振器模型假設(shè)等效為單自由度系統(tǒng)，且系統(tǒng)阻尼可忽略?？紤]圖1模型，列出系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程為： (3.1)式(3.1)中m1為主振系等效單自由度的質(zhì)量；k1為主振系相應(yīng)的等效剛度；c1為動(dòng)力吸振器阻尼；m2為動(dòng)力吸振器質(zhì)量；k2為動(dòng)力吸振器剛度；c2為動(dòng)力吸振器阻尼；x1、x2分別為等效質(zhì)量和動(dòng)力吸振器的位移響應(yīng)；f為主振系的激振力。對(duì)式(3.1)進(jìn)行傅里葉變

33、換或?qū)⒏髡穹鶐朐撌剑戳?；并將頻率比()和阻尼比帶入上式，可得等效質(zhì)量位移響應(yīng)x1對(duì)激勵(lì)力f的動(dòng)力傳遞函數(shù)為為： (3.2)傳遞率為： (3.3)3.2 多級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器簡(jiǎn)化模型在第2章中我們已經(jīng)介紹了目前國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用較多的若干復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸減振器，這些曲軸減振器都由眾多不同的部分組成。在實(shí)際曲軸振動(dòng)的理論研究過(guò)程中，我們將曲軸軸系合理簡(jiǎn)化為便于研究的簡(jiǎn)化模型，同樣的我們也需要將曲軸減振器的各個(gè)組成部分通過(guò)合理的轉(zhuǎn)化將其等效到研究的模型之中。下面我們將以第2章中介紹的幾個(gè)典型的多級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)為例，介紹它的簡(jiǎn)化模型，同時(shí)歸納出它的設(shè)計(jì)控制目標(biāo)，為下一步研究減振器的設(shè)計(jì)方

34、法作鋪墊。3.2.1 兩級(jí)并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器的簡(jiǎn)化模型如圖3.3(a)為兩級(jí)并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)圖，(b)為與之對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化模型。帶輪3和慣性環(huán)4組成慣性質(zhì)量，再與橡膠件5(具有一定的剛度和阻尼)一起構(gòu)成一級(jí)減振器，然后與輪毅6連接；鋼圈1做慣性質(zhì)量，與橡膠件2共同構(gòu)成另外一級(jí)減振器后再和輪毅6連接。顯然，這兩級(jí)減振器都是彼此之間相互獨(dú)立，都是直接與輪轂相連達(dá)到載相連達(dá)到減振的目的。因此，圖3.3(a)所示的減振器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型應(yīng)如圖3.3 (b)所示。a) 結(jié)構(gòu)圖b) 簡(jiǎn)化模型1- 鋼圈 2、5-橡膠件（兼慣性環(huán)） 3-帶輪 4-慣性環(huán) 6-輪轂 7、8-摩擦環(huán)（由特氟龍材料制成）圖3.3 兩

35、級(jí)并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器3.2.2 三級(jí)并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器的簡(jiǎn)化模型1-慣性環(huán) 2、6、10-橡膠件3、7、8、9-輪轂 4-摩擦環(huán)（由特氟龍材料制成） 5、11-帶輪（兼慣性環(huán)）b) 簡(jiǎn)化模型a) 結(jié)構(gòu)圖b) 簡(jiǎn)化模型a) 結(jié)構(gòu)圖圖 3.4 三級(jí)并聯(lián)型扭轉(zhuǎn)減振器如圖3.4 (a)為三級(jí)并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)圖，(b)為與之對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化模型。帶輪5單獨(dú)作為慣性質(zhì)量和橡膠件6（具有一定的剛度和阻尼）一起構(gòu)成一級(jí)減振器，然后與輪毅7連接：帶輪11作為慣性質(zhì)量與橡膠件10共同構(gòu)成另外一級(jí)減振器后再和輪毅7連接，需要注意的是這級(jí)減振器與前面一級(jí)減振器是通過(guò)摩擦環(huán)4連接，該摩擦環(huán)為特氟隆材料制成，因此這兩級(jí)之間可

36、以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；慣性環(huán)2直接起慣性質(zhì)量的作用與橡膠件2相連構(gòu)成第三級(jí)減振器后，再和輪毅3連接。與兩級(jí)并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器類(lèi)似，這三級(jí)減振器同樣是彼此之間相互獨(dú)立，都是直接與輪毅相連達(dá)到減振的目的，因此圖3.4(a)所示的減振器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型應(yīng)如圖3.4 (b)所示。3.2.3 兩級(jí)串聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器的簡(jiǎn)化模型如圖3.5 (a)為兩級(jí)串聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)圖，(b)為與之對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化模型。慣性環(huán)2、3作為慣性質(zhì)量與橡膠件1(具有一定的剛度和阻尼)一起構(gòu)成一級(jí)減振器，然后與輪毅7連接；帶輪5作為慣性質(zhì)量與橡膠件4共同構(gòu)成另外一級(jí)減振器，這級(jí)減振器不是直接和輪毅7連接，而是與第一級(jí)減振器相連，帶輪5與慣性環(huán)2之

37、間是通過(guò)由特氟隆材料制成的摩擦環(huán)6連接的。顯然，如電學(xué)中的串聯(lián)電路，圖3.5 (a)所示的減振器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型應(yīng)如圖3.5 (b)所示。b) 簡(jiǎn)化模型a) 結(jié)構(gòu)圖1、4-橡膠件 2、3-慣性環(huán)5-帶輪（兼慣性環(huán)） 6-摩擦環(huán)（由特氟龍材料制成） 7-輪轂圖3.5 兩級(jí)串聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器以上所列出的幾種典型的扭轉(zhuǎn)減振器結(jié)構(gòu)，它們有以下幾個(gè)共同點(diǎn)：(1) 帶輪都作為其中一級(jí)減振器的慣性質(zhì)量，直接或間接的通過(guò)橡膠件與輪轂相連；(2) 都有另外一級(jí)減振器，它的慣性質(zhì)量不是帶輪，直接或間接的通過(guò)橡膠件與輪毅相連。3.3 三級(jí)混聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器傳遞率的計(jì)算無(wú)論對(duì)于單級(jí)的單級(jí)還是多級(jí)的動(dòng)力吸振器，確定動(dòng)力吸振器

38、的最優(yōu)質(zhì)量比、頻率比和相對(duì)阻尼系數(shù)都是基于這樣一種思想：對(duì)主振系為單自由度的約束系統(tǒng)，若安裝n個(gè)動(dòng)力吸振器，則主振系的振動(dòng)具有(n+1)個(gè)峰值，動(dòng)力吸振器最優(yōu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使各個(gè)共振峰的高度等高且最小。對(duì)于單級(jí)的動(dòng)力吸振器，當(dāng)每級(jí)吸振器質(zhì)量比確定以后，可以給出動(dòng)力吸振器最優(yōu)頻率比和相對(duì)阻尼系數(shù)的解析計(jì)算公式。文獻(xiàn)14建立了兩級(jí)并聯(lián)式動(dòng)力吸振器的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)兩個(gè)動(dòng)力吸振器的質(zhì)量比相等時(shí)，文中給出了各個(gè)動(dòng)力吸振器的最優(yōu)頻率比和最優(yōu)阻尼系數(shù)的解析計(jì)算公式。但在實(shí)際的了兩級(jí)動(dòng)力吸振器中，兩個(gè)減振器的質(zhì)量比不一定相等，因而文獻(xiàn)14給出的計(jì)算公式具有一定的局限性。文獻(xiàn)14的研究表明：與單級(jí)的動(dòng)力吸振器相比較

39、，當(dāng)動(dòng)力吸振器的頻率比和相對(duì)阻尼系數(shù)變化時(shí)，雙級(jí)動(dòng)力吸振器對(duì)主振系的減振效果變化不大，而單級(jí)動(dòng)力吸振器對(duì)主振系減振效果的變化則較大，這是多級(jí)的動(dòng)力吸振器在工程中應(yīng)用較為廣泛的另外一個(gè)原因。上一節(jié)介紹了并聯(lián)和串聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)形式的多級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器，在曲軸系統(tǒng)中采用多級(jí)的扭轉(zhuǎn)減振器后，雖然各級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器的阻尼仍然由橡膠提供，但只要合理的設(shè)計(jì)每個(gè)扭轉(zhuǎn)減振器的質(zhì)量比、頻率比和阻尼比，可以達(dá)到較好的控制發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)中的扭轉(zhuǎn)減振器設(shè)計(jì)時(shí)，都是針對(duì)曲軸系統(tǒng)的單結(jié)點(diǎn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)附設(shè)扭轉(zhuǎn)減振器。首先將曲軸系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單自由度的等效模型10。曲軸系統(tǒng)的一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)阻尼較小，各種文獻(xiàn)給出的

40、數(shù)值為0.020.04或者更小。本文主要介紹發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸混聯(lián)扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，以三級(jí)減振器為例，給出計(jì)算實(shí)例。根據(jù)上一節(jié)的簡(jiǎn)化模型的思想，在串并聯(lián)模型的基礎(chǔ)上先畫(huà)出三級(jí)混聯(lián)扭轉(zhuǎn)減振器的簡(jiǎn)化模型，三級(jí)混聯(lián)扭轉(zhuǎn)減振器按結(jié)構(gòu)類(lèi)型分為如下兩種結(jié)構(gòu)形式：三級(jí)混聯(lián)A型（圖3.6）和三級(jí)混聯(lián)B型（圖3.7）（1）三級(jí)混聯(lián)A型扭轉(zhuǎn)減振器的傳遞率圖3.6和圖3.7別為三級(jí)混聯(lián)A扭轉(zhuǎn)減振器和三級(jí)混聯(lián)B扭轉(zhuǎn)減振器的力學(xué)模型。C3K2C2K4C4K111K11C1K3f(t)X3X4X1X2M1M2M3M4圖3.6 三級(jí)混聯(lián)A型扭轉(zhuǎn)減振器M1、C1和K1分別為曲軸系統(tǒng)一階扭轉(zhuǎn)等效系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、扭轉(zhuǎn)阻尼和扭轉(zhuǎn)剛

41、度，Mi、Ki和Ci；( i=2.3.4，i-1為扭轉(zhuǎn)減振器中的級(jí)數(shù))分別為多級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器中各級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器慣性質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、橡膠元件的扭轉(zhuǎn)剛度和扭轉(zhuǎn)阻尼；f（t）為作用在主振系中的外力。曲軸系統(tǒng)和各級(jí)慣性質(zhì)量的位移坐標(biāo)分別為X1、X2、X3、和X4，坐標(biāo)原點(diǎn)在各自的平衡位置，其運(yùn)動(dòng)方程為 (3.9)對(duì)式（3.9）進(jìn)行傅里葉變換或?qū)⒏髡穹鶐朐撌?，即?得復(fù)數(shù)方程 (3.10)并由此得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)， (3.11)其中，；把A、B、C、D公式變形得，將頻率比()和阻尼比帶入上式，得主動(dòng)吸振器傳遞率(dB) (3.12)（2）三級(jí)混聯(lián)B型扭轉(zhuǎn)減振器傳遞率的計(jì)算K3C3K111K4C4K111K2

42、C2K111K11C1K111f(t)X3X2X3X1M1M2M3M4圖3.7 三級(jí)混聯(lián)B型扭轉(zhuǎn)減振器M1、C1和K1分別為曲軸系統(tǒng)一階扭轉(zhuǎn)等效系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、扭轉(zhuǎn)阻尼和扭轉(zhuǎn)剛度，Mi、Ki和Ci；（i=2.3.4，i-1為扭轉(zhuǎn)減振器中的級(jí)數(shù)）分別為多級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器中各級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器慣性質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、橡膠元件的扭轉(zhuǎn)剛度和扭轉(zhuǎn)阻尼；f（t）為作用在主振系中的外力。曲軸系統(tǒng)和各級(jí)慣性質(zhì)量的位移坐標(biāo)分別為X1、X2、X3、和X4，坐標(biāo)原點(diǎn)在各自的平衡位置，其運(yùn)動(dòng)方程為 (3.13)對(duì)式(3.13)進(jìn)行傅里葉變換或?qū)⒏髡穹鶐朐撌?，即?得復(fù)數(shù)方程 (3.14)并由此得系統(tǒng)的傳遞函數(shù) (3.15)其中，

43、將公式變形得：將頻率比()和阻尼比帶入上式，得主動(dòng)吸振器傳遞率(dB) (3.16)3.4 多級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器參數(shù)的優(yōu)化方法適當(dāng)?shù)剡x取動(dòng)力減振器的參數(shù)，能使減振器吸收主振動(dòng)系統(tǒng)的大部分能量，可將系統(tǒng)的振幅限制在一定范圍之內(nèi)，使共振峰值較小，以達(dá)到減振的目的。單自由度的主振系與n自由度的扭轉(zhuǎn)減振器一起構(gòu)成了具有(n+1)自由度的扭振系統(tǒng)，可以推斷在幅頻特性曲線(xiàn)中會(huì)出現(xiàn)(n+1)個(gè)峰值點(diǎn)，如圖3.8所示。圖3.8 主振系的幅頻特性對(duì)多級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器中的每個(gè)扭轉(zhuǎn)減振器，它的減振器質(zhì)量比激振頻率比和相對(duì)阻尼系數(shù)可以通過(guò)下面的優(yōu)化方法來(lái)求得：(1) 最大峰值最小化 （3.17） ， ，其中，分別為第i級(jí)扭轉(zhuǎn)減

44、振器質(zhì)量比的上下限；，分別為第i級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器固有頻率比的上下限；，分別為第i級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器相對(duì)阻尼系數(shù)的上下限。最大峰值最小化的最終要求就是通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，使得式（3.17）的目標(biāo)函數(shù)取得最小值。（2）所有峰值最小化 （3.18） ， ，其中，分別為第i級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器質(zhì)量比的上下限；，分別為第i級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器固有頻率比的上下限；，分別為第i級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器相對(duì)阻尼系數(shù)的上下限。所有峰值最小化的最終優(yōu)化目標(biāo)是通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，使得式（3.18）的目標(biāo)函數(shù)取得最小值。（3）面積最小化圖3.9是考慮主系統(tǒng)阻尼c1的阻尼動(dòng)力減振器的動(dòng)力學(xué)模型，m1是主系統(tǒng)的質(zhì)量，m2是減振器的質(zhì)量。對(duì)于圖3.9所示的系統(tǒng)，沒(méi)有簡(jiǎn)單的

45、解析公式來(lái)計(jì)算其優(yōu)化參數(shù)，但可以根據(jù)前兩種方法，通過(guò)最優(yōu)化求取優(yōu)化參數(shù)。此優(yōu)化參數(shù)能使主系統(tǒng)的共振峰值達(dá)到最小值。然而這未必能使減振器在某一頻帶內(nèi)工作于最理想的狀態(tài)。如果不再受共振峰值最小這個(gè)限制，就可以按照基于主系統(tǒng)幅頻響應(yīng)曲線(xiàn)面積最小的修正方法對(duì)優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行修正，以使減振器在特定頻帶內(nèi)的減振效果得到改善15。圖3.9 阻尼動(dòng)力減振器的動(dòng)力學(xué)模型雖然由優(yōu)化參數(shù)得到的幅頻響應(yīng)曲線(xiàn)的最大相對(duì)振幅最小，但這并不意味著在某頻帶內(nèi)會(huì)有最好的減振效果。由圖3.10可知，在0.81.0之間時(shí)，主系統(tǒng)相對(duì)振幅顯著降低，減振效果較好；當(dāng)a在1.01.3之間時(shí)，曲線(xiàn)2的相對(duì)幅值反而比曲線(xiàn)1的大，這意味著在這段頻

46、率比中，參數(shù)優(yōu)化后的減振效果變差了?？梢?jiàn)所謂的優(yōu)化參數(shù)是個(gè)相對(duì)概念，減振器的減振效果應(yīng)是在整個(gè)變化頻帶內(nèi)來(lái)評(píng)價(jià)的。因此有必要根據(jù)實(shí)際的來(lái)修正減振器的參數(shù)，以保證主系統(tǒng)在變化頻帶內(nèi)的相對(duì)振幅較小。相對(duì)振幅主振系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)圖3.10 主振系的幅頻特性面積最小化當(dāng)改變優(yōu)化參數(shù)時(shí)，必定會(huì)使系統(tǒng)共振峰值變大。如果允許共振峰值適當(dāng)增加，則可通過(guò)調(diào)整減振器的參數(shù)達(dá)到在特定頻帶內(nèi)改善減振效果的目的。主系統(tǒng)幅頻響應(yīng)曲線(xiàn)面積最小修正方法，已知在某個(gè)范圍內(nèi)連續(xù)變化或隨機(jī)變化，則在共振峰值變化不大的前提下，僅通過(guò)改變減振器的阻尼比2使幅頻響應(yīng)曲線(xiàn)與X軸的面積最小。在的取值范圍內(nèi)可能包含兩個(gè)相對(duì)振幅峰值，主系統(tǒng)發(fā)生共振

47、無(wú)法避免，但只要峰值較小，共振也不會(huì)產(chǎn)生危害。曲線(xiàn)的最小面積并不是此幅值最大值決定的，最小面積決定了修正后的最大相對(duì)振幅。4 三級(jí)混聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器計(jì)算及優(yōu)化程序MATLAB 是美國(guó)Math Works 公司開(kāi)發(fā)的功能強(qiáng)大的計(jì)算軟件，能方便地處理矩陣變換運(yùn)算、多項(xiàng)式運(yùn)算、圖形繪制、微積分運(yùn)算以及微分方程求解等，編程簡(jiǎn)潔，在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。MATLAB 已發(fā)展成為適合眾多學(xué)科，多種工作平臺(tái)、功能強(qiáng)大的大型軟件。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)開(kāi)發(fā)部門(mén)，MATLAB被廣泛的應(yīng)用于研究和解決各種具體問(wèn)題。本文中用于設(shè)計(jì)計(jì)算的工具我們采用MATLAB中的GUI模塊，這是圖形用戶(hù)界面的編制模塊，我們知道用戶(hù)界

48、面（或接口）是指：人與機(jī)器（或程序）之間交互作用的工具和方法。而圖形用戶(hù)界面（Graphical User Interfaces,GUI）則是由窗口、光標(biāo)、按鍵、菜單、文字說(shuō)明等對(duì)象（Objects）構(gòu)成的一個(gè)用戶(hù)界面。用戶(hù)通過(guò)一定的方法（如鼠標(biāo)或鍵盤(pán)）選擇、激活這些圖形對(duì)象，使計(jì)算機(jī)產(chǎn)生某種動(dòng)作或變化，比如實(shí)現(xiàn)計(jì)算、繪圖等。如果讀者想向別人提供應(yīng)用程序，想進(jìn)行某種技術(shù)、方法的演示，想制作一個(gè)供反復(fù)使用且操作簡(jiǎn)單的專(zhuān)用工具，那么圖形用戶(hù)界面也許是最好的選擇之一。用戶(hù)圖形界面（GUI）是程序的圖形化界面。它提供用戶(hù)一個(gè)常見(jiàn)的界面，還提供一些控件，例如按鈕、列表框、滑塊、菜單等。用戶(hù)圖形界面應(yīng)當(dāng)是

49、易理解且操作是可以預(yù)告的，所以當(dāng)用戶(hù)進(jìn)行某一項(xiàng)操作，它知道如何去做。例如，當(dāng)鼠標(biāo)在一個(gè)按鈕上發(fā)生了單擊事件，用戶(hù)圖形界面初始化它的操作，并在按鈕的標(biāo)簽上對(duì)這個(gè)操作進(jìn)行描述。4.1 參數(shù)計(jì)算及優(yōu)化程序界面根據(jù)第3章三級(jí)混聯(lián)曲軸扭轉(zhuǎn)減振器的傳遞率的計(jì)算結(jié)果及公式，借助MATLAB軟件編寫(xiě)減振器傳遞率的程序，并畫(huà)曲線(xiàn)表達(dá)出在不同頻率比下扭轉(zhuǎn)減振器的傳遞率。在此基礎(chǔ)上，對(duì)扭轉(zhuǎn)減振器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到更優(yōu)的減振效果。計(jì)算程序流程見(jiàn)圖4.1。主界面（輸入主振系的參數(shù)）三級(jí)混聯(lián)A型界面（輸入各級(jí)減振器參數(shù)）三級(jí)混聯(lián)B型界面（輸入各級(jí)減振器參數(shù)）計(jì)算減振器傳遞率并繪制傳遞率曲線(xiàn)對(duì)減振器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化繪制優(yōu)

50、化后傳遞率曲線(xiàn)并返回優(yōu)化后的參數(shù)圖4.1 程序流程圖根據(jù)圖4.1的流程圖進(jìn)行MATLAB程序編制，首先繪制GUI主界面，需要在主界面輸入主系統(tǒng)的參數(shù)，如圖4.2所示，在M文件中運(yùn)用get()函數(shù)功能對(duì)其需要讀取的參數(shù)值進(jìn)行調(diào)用。圖4.2 程序主界面其次是計(jì)算優(yōu)化界面，如圖4.3所示為兩種減振器的參數(shù)計(jì)算優(yōu)化界面，繪制完傳遞率曲線(xiàn)后，通過(guò)set()函數(shù)把優(yōu)化后的參數(shù)返回此界面。 a) 三級(jí)混聯(lián)A型減振器 b) 三級(jí)混聯(lián)B減振器圖4.3 參數(shù)計(jì)算和優(yōu)化界面動(dòng)力減振器通過(guò)吸收能量，減小主振系統(tǒng)振動(dòng)幅度，帶有阻尼的減振器通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以在較寬頻帶上減小主系統(tǒng)數(shù)振幅值，獲得較好減振效果。對(duì)于主系統(tǒng)

51、阻尼系數(shù)不為零的單自由度減振器，一般不采用解析法確定減振系統(tǒng)參數(shù)。對(duì)最佳固有頻率比和阻尼比的計(jì)算，應(yīng)研究主系統(tǒng)振幅函數(shù)最大值的最小化問(wèn)題17。本課題曲軸扭轉(zhuǎn)減振器的參數(shù)優(yōu)化用到了第3章的第一種優(yōu)化方法，最大峰值最小化的最終要求就是通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，使得式（3.17）的目標(biāo)函數(shù)取得最小值。本文借助MATLAB軟件的fminimax的函數(shù)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)減振器傳遞率最大峰值最小化的目標(biāo)，進(jìn)而返回減振器頻率比和阻尼比等參數(shù)的優(yōu)化值。4.2 三級(jí)混聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器參數(shù)計(jì)算及優(yōu)化當(dāng)主振系和各級(jí)減振器的質(zhì)量mi、固有頻率i和阻尼比i等參數(shù)已知時(shí)，利用式(3.11)和式(3.12)，可以分別求出三級(jí)混聯(lián)減振器A型和

52、B型的傳遞率Ta、Tb。本課題由于沒(méi)有預(yù)先給定具體參數(shù)，需要隨機(jī)給定主振系和各級(jí)減振器的計(jì)算參數(shù)，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算。按本章4.1節(jié)所講的程序結(jié)構(gòu)，借助MATLAB編制程序，以下是程序運(yùn)行GUI界面的介紹：(1) 如圖4.4所示，在主系統(tǒng)參數(shù)處輸入質(zhì)量、固有頻率和阻尼比，然后選擇對(duì)A型或B型減振器進(jìn)行計(jì)算；圖4.4 程序主界面(2)如圖4.5所示，在各級(jí)減振器參數(shù)處輸入各級(jí)質(zhì)量、固有頻率和阻尼比，點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，然后就繪制出三級(jí)混聯(lián)減振器A型的傳遞率曲線(xiàn)。對(duì)于程序編制，首先需要確定輸入量，我們將參量定為主結(jié)構(gòu)的質(zhì)量M，主結(jié)構(gòu)的頻率F，主結(jié)構(gòu)的阻尼比Kesi，主質(zhì)量系統(tǒng)頻率比Numd

53、a；第i(i=1,2,3)級(jí)減振器的質(zhì)量質(zhì)量mi，第i級(jí)減振器的頻率fi，第i級(jí)減振器的阻尼比kesii，第i級(jí)質(zhì)量系統(tǒng)頻率比numdai。根據(jù)式3.93.12，編制出一下程序，對(duì)三級(jí)混聯(lián)減振器A型的傳遞率進(jìn)行計(jì)算。A=K*(1-Numda.2+i*2*Kesi*Numda)+k1*(1+i*2*kesi1*numda1)+k3*(1+i*2*kesi3*numda3);B=k2*k12*(1-numda2.2+i*2*kesi2*numda2).*(1+i*2*kesi1*numda1).2;C=k2*(k1*(1-numda1.2+i*2*kesi1*numda1)+k2*(1+i*2*kesi2*numda2).*(1-numda2.2+i*2*kesi2*numda2)-k22*(1+i*2*kesi2*numda2).2;D=k3*(1+i*2*kesi3*numda3).2./(1-numda3.2+i*2*kesi3*numda3);Ta=20*log10(abs(K./(A-B./C