動力吸振器dva振動固有特性測試與仿真分析

動力吸振器dva振動固有特性測試與仿真分析

0農(nóng)業(yè)機械振動過近年來，隨著世界農(nóng)業(yè)機械技術的發(fā)展，減少農(nóng)業(yè)機械的振動和噪聲變得越來越重要。振動對于行駛中的農(nóng)業(yè)機械無處不在,極易引起局部共振,而即使再優(yōu)秀的設計者也無法預見所有有害的振動,并加以消除。同時,制造生產(chǎn)時的誤差、理論仿真與實際使用環(huán)境不一致等因素,也導致生產(chǎn)出來的樣車不可避免地出現(xiàn)局部振動過大的現(xiàn)象。動力吸振器在某一頻率范圍內(nèi)具有很好的衰減振動能力,且具有結構簡單、工作可靠、拆裝方便和造價低廉等優(yōu)點,因此能夠廣泛地應用于受迫振動的控制。1振動方程的建立動力吸振器的基本原理是通過在目標振動系統(tǒng)(即主振系統(tǒng))上附加一個子結構(即DVA),適當選擇動力吸振器的動力參數(shù)以及與主振系統(tǒng)的藕合關系,將動力吸振器的固有頻率調(diào)諧到主振系統(tǒng)共振頻率附近,從而改變主振系統(tǒng)的振動狀態(tài),在預期的頻段上衰減主振系統(tǒng)的受迫振動響應,如圖1所示。標準的動力吸振器模型由質(zhì)量塊附加彈簧元件和阻尼器構成。動力吸振器的安裝附加了主振系統(tǒng)自由度(m2,k2,c2),主振系統(tǒng)響應曲線的共振峰將由一變二。附加動力吸振器之后的二自由度系統(tǒng)振動方程為{m1x?1+c1x′1+c2(x′1-x′2)+k1x1+k2(x1-x2)=f(t)m2x?2+c2(x′2-x′1)+k2(x2-x1)=0式中m1,m2—主振系統(tǒng)和動力吸振器的質(zhì)量;k1,k2—主振系統(tǒng)和動力吸振器的聯(lián)接剛度;c1,c2—主振系統(tǒng)和動力吸振器的阻尼系數(shù);x1,x2—主振系統(tǒng)和動力吸振器的位移。將振動方程進行無量綱化處理,引入如下參數(shù):1)主振系統(tǒng)的固有頻率,ω1=√k1/m1;2)動力吸振器的固有頻率,ω2=√k2/m2;3)質(zhì)量比,μ=m2/m1;4)固有頻率比,ν=ω2/ω1;5)主振系統(tǒng)的阻尼比,ξ1=c12m1ω1;6)動力吸振器的阻尼比,ξ2=c22m2ω2;7)激振頻率比,λ=ω/ω1,ω為激振頻率。傳遞函數(shù)(即頻響函數(shù))為G(S)=|x1f0/k1|=√(ν2-λ2)2+(2ξ2νλ)2[(1-λ2)(ν2-λ2)-μν2λ2-4ξ1ξ2νλ2]2+(2λ)2{(ν2-λ2)ξ1+[1-(1+μ)λ2]ξ2ν}2優(yōu)化的目標是使得G(S)取得最小值,即振幅擴大系數(shù)取得最小。利用不動點理論(Fix-pointMethod)和微擾理論(PerturbationMethod),可以推導出自變量為μ的動力吸振器最優(yōu)固有頻率比ν和最優(yōu)動力吸振器阻尼比ξ2的二階級數(shù)解表達式,并且對于實際應用中常見的小阻尼主振系統(tǒng)(ξ1<0.15),級數(shù)解的精度足以滿足要求。2車輛結構的左右對稱本文討論的前懸架是雙橫臂式獨立懸架結構,由于其結構左右對稱,故本文僅考慮前懸架左側部分(以車輛的前進方向為正向)。該前懸架上控制臂存在嚴重的振動變形問題。2.1上控制臂振動分析針對某農(nóng)機前懸架上控制臂嚴重變形問題,首先基于有限元軟件Hyperworks建立前懸架上控制臂的有限元模型,并進行模態(tài)計算分析。上控制臂自由狀態(tài)下一階固有頻率是327Hz,其振型為一階垂向彎曲振動。上控制臂一階垂向彎曲振動能量分布顯示:上控制臂前臂受振動的影響要大于后臂;前臂的中部是上控制臂存在振動問題的位置。2.2加速度自功率譜密度關系根據(jù)農(nóng)村道路實際情況,農(nóng)用機械多是以中低車速行駛,因而本試驗選擇的工況是試驗農(nóng)機在B級路面上以60km/h的速度勻速行駛?；谟邢拊治龅慕Y果,選擇上控制臂前臂的中部為測量點。圖2為測量點的Z向(垂向)加速度自功率譜曲線,其結果與前面有限元的分析結果相一致。這說明,上控制臂的有限元分析結果是真實可靠的,上控制臂前臂中部受振動的影響最大,是上控制臂存在振動問題部位,且振動響應峰值在頻率327Hz左右。同時,測得發(fā)動機后懸置垂向加速度功率譜密度曲線,如圖3所示。在頻率327Hz處存在明顯的振動峰值,與前懸架上控制臂的固有頻率非常接近。綜上所述,可以得出結論:該農(nóng)機發(fā)動機后懸置垂向(Z向)振動與上控制臂一階垂向彎曲頻率接近;在行駛過程中極易形成共振,致使前懸架上控制臂中部存在較大的振動變形,降低了上控制臂的疲勞強度;當農(nóng)業(yè)機械長時間工作后,前懸架上控制臂就常會出現(xiàn)較為嚴重的振動變形問題。3參數(shù)動態(tài)吸振器的設計3.1等效剛度因素最佳位置選擇的原則是用較小的質(zhì)量,使得主振系統(tǒng)的最大振幅擴大系數(shù)最小。確定動力吸振器安裝位置時,還要考慮安裝空間限制和安裝位置連接點的等效剛度因素。根據(jù)動力吸振器安裝位置的不同,動力吸振可以分為激振源吸振和振動體吸振。對于振動體吸振,根據(jù)工程經(jīng)驗,動力吸振器的安裝位置一般選擇接近系統(tǒng)或者部件的振動響應的最大幅值處。當動力吸振器的固有頻率調(diào)整到接近主振系統(tǒng)的固有頻率時,主振系統(tǒng)的振動幅值將變小,動力吸振器的彈簧將施加反方向的力,使得傳遞到主振系統(tǒng)上的力變小。綜合以上原則,本文選擇在前懸架的左上控制臂前臂中部處安裝動力吸振器。3.2前懸架動力振動力系統(tǒng)模態(tài)分析本次模態(tài)試驗采用錘擊法,信號采集設備選用LMSTsetLab前端設備。將前懸架置于低壓充氣輪胎上,采用低頻壓電晶體加速度傳感器傳遞信號,選擇擬定的動力吸振器安裝點為激勵點,以橡膠為錘頭材料,選用單點激振、多點拾振的激振方式。根據(jù)原點頻響函數(shù)得到峰值頻率附近的頻響函數(shù)曲線。經(jīng)模態(tài)分析識別,得出如圖4所示的峰值頻率327Hz對應著前懸架上控制臂的一階垂向彎曲彈性模態(tài),其相應的阻尼比為0.03,振動幅值為42.7mm/s。利用峰值頻率附近的原點頻響函數(shù)曲線,通過Matlab程序進行模態(tài)擬合,得到與模態(tài)試驗測得的頻響函數(shù)等效的單自由度系統(tǒng)頻響函數(shù),并得到主系統(tǒng)的等效質(zhì)量、等效剛度以及阻尼比等參數(shù)。3.3動力吸振器安裝量以前懸架上控制臂為主振系統(tǒng),調(diào)諧高頻327Hz的振幅過大,選取的動力吸振器的質(zhì)量為0.23kg,則質(zhì)量比為m/M=0.261。代入Matlab程序進行優(yōu)化計算,優(yōu)化后的動力吸振器參數(shù)為:固有頻率fa1/Hz:253.7質(zhì)量Ma1/kg:0.23阻尼系數(shù)Ce1/N·(m/s)-1:207.092剛度Ke1/N·m-1:584587調(diào)諧比p/:0.776安裝動力吸振器之后,原來的單自由度系統(tǒng)變?yōu)閮勺杂啥认到y(tǒng),相應的單一峰值變成現(xiàn)在的兩個峰值。與主系統(tǒng)相比較,動力吸振器的剛度降低,阻尼比變大,即動力吸振器要比主系統(tǒng)“軟”。動力吸振器能夠起明顯減振作用的頻率范圍是(0.9～1.05)×327Hz=294.3～343.4Hz。在共振頻率327Hz處,振幅放大系數(shù)由16.12減小為2.56,減振效果明顯。這說明,動力吸振器對上控制臂垂向一階垂向彎曲共振有較好的抑制作用。4動力吸振器安裝對前懸架的影響根據(jù)所設計的動力吸振器優(yōu)化參數(shù),建立有限元模型,并進行模態(tài)計算分析。振型結果附加動力吸振器后上控制臂自由狀態(tài)下一階固有頻率是282Hz,其振型仍為一階垂向彎曲振動,并且上控制臂前臂中部的變形明顯減小。能量分布結果如圖5所示。附加動力吸振器后,上控制臂一階垂向彎曲振動能量分布顯現(xiàn)出較大的變化,前臂中部的振動明顯得到衰減,而動力吸振器的振動則較為劇烈。根據(jù)動力吸振器的各個優(yōu)化參數(shù),通過相關材料特性表選擇彈性材料制成動力吸振器的實物樣件。將實物樣件通過螺栓聯(lián)接安裝在被試農(nóng)業(yè)機械前懸架的上控制臂前臂中部處。對安裝動力吸振器后的整車進行道路試驗,工況選擇仍是試驗農(nóng)業(yè)機械在B級路面上以60km/h的速度勻速行駛。同時選擇了3個測點,即上控制臂前臂連接點、上控制臂后臂連接點以及動力吸振器安裝位置點。圖6為安裝動力吸振器前后上控制臂3個測點處的垂直方向加速度功率譜密度曲線。其中,實線是動力吸振器安裝前的加速度功率譜密度曲線,虛線是動力吸振器安裝后的加速度功率譜密度曲線。對比兩曲線可以看出,動力吸振器的安裝使得前懸架上控制臂的3個測點在327Hz位置的峰值都有所降低,特別是振動響應非常大的前臂動力吸振器安裝位置處的峰值顯著降低。這說明,所設計的動力吸振器能夠有效地控制前懸架上控制臂的一階垂向彎曲共振,從實際上改善該車前懸架上控制臂嚴重的振動變形情況。5動力吸振器設計1)闡述了動力吸振器(DVA)控制系統(tǒng)振動的基本原理,同時介紹了一種優(yōu)化參數(shù)動力吸振器的設計方法。2)應用模態(tài)識別技術對上控制臂結構的振動固有特性進行了測