汽車(chē)振動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用課件：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)分析 -

汽車(chē)振動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)分析6.1發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的干擾力和力矩6.2發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的隔振分析6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)6.1發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的干擾力和力矩6.1.1單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)源討論發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)時(shí),在保持重心位置和總質(zhì)量不變的條件下，把整套曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量用集中在曲柄銷(xiāo)與活塞銷(xiāo)上的兩質(zhì)量代替。曲柄連桿機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為圖6.1所示的系統(tǒng)。

6.1發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的干擾力和力矩活塞的運(yùn)動(dòng)方程式及活塞的運(yùn)動(dòng)速度和加速度為：

其中：6.1發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的干擾力和力矩對(duì)于不同的值，可算出各項(xiàng)系數(shù)的值。如略去高階微小量，用前面兩項(xiàng)近似表示，則

6.1發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的干擾力和力矩集中質(zhì)量的往復(fù)慣性力的大小等于質(zhì)量與活塞加速度的乘積，而方向與加速度方向相反，即

其中：

--------一級(jí)往復(fù)慣性力--------二級(jí)往復(fù)慣性力

--------四級(jí)往復(fù)慣性力

6.1發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的干擾力和力矩往復(fù)慣性力也是一個(gè)收斂很快的三角級(jí)數(shù)，二級(jí)以上的慣性力很小，略去不計(jì)，于是可把集中質(zhì)量的往復(fù)慣性力近似的表示為當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的主動(dòng)力是式中：

--------活塞頂面上氣體的爆發(fā)壓力；

--------活塞直徑。（6-6）6.1發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的干擾力和力矩圖6.2單缸發(fā)動(dòng)機(jī)6.1發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的干擾力和力矩根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，系統(tǒng)加上移動(dòng)質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力和后，可利用平衡條件來(lái)分析受力情況。寫(xiě)出活塞的受力平衡方程：

由此可解出連桿的軸向力和活塞的側(cè)向壓力：分析曲軸的受力情況。可求出迫使曲軸旋轉(zhuǎn)的主動(dòng)力矩：6.1發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的干擾力和力矩由曲軸的平衡方程求得：解出支承的反作用力：根據(jù)作用力和反作用力定律，可確是作用在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的氣體壓力，（作用在氣缸頂）；通過(guò)活塞作用在缸體上的側(cè)壓力；通過(guò)曲軸作用在主軸承上的壓力。如圖6.2（c）所示。6.1發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的干擾力和力矩6.1.2多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)源多缸直列汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，可視為由曲軸連接起來(lái)的幾個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。作用在整個(gè)缸體上的干擾力，應(yīng)是各單缸體受到的干擾力組成的一組空間力系。如圖6.3所示。一般情況下，此力系可簡(jiǎn)化為圖6.4所示的受力情況，圖中的干擾力和干擾力矩按下式計(jì)算。圖6.3多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的受力情況圖6.4缸體受力情況6.1發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的干擾力和力矩設(shè)以表示第個(gè)曲柄相對(duì)于第一個(gè)曲柄的夾角，于是

由式（6-6）得6.1發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的干擾力和力矩于是總鉛垂干擾力為水平干擾力僅與旋轉(zhuǎn)慣性力的水平分量有關(guān)6.1發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的干擾力和力矩繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的干擾力矩等于各缸鉛垂干擾力對(duì)軸的力矩，即繞鉛垂軸的干擾力矩等于各缸水平干擾力對(duì)軸之矩，它僅與旋轉(zhuǎn)慣性力有關(guān)，即：6.1發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的干擾力和力矩繞曲軸軸線的干擾力矩是與慣性力及氣體壓力有關(guān)的周期函數(shù)，表示成如下的三角級(jí)數(shù)為：由上分析可以看出，作用在直列多缸發(fā)動(dòng)機(jī)上的干擾力和干擾力矩都是曲軸轉(zhuǎn)角的周期函數(shù)，它們將引起發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)架的振動(dòng)，為了減小這種有害的振動(dòng)，除合理布置曲柄間的相互位置、采取有效的平衡方法和點(diǎn)火順序來(lái)消除或減少干擾外，還應(yīng)采取隔振措施來(lái)減少發(fā)動(dòng)機(jī)傳給車(chē)架的干擾力。

6.2發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的隔振分析6.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)的垂直振動(dòng)圖6.6發(fā)動(dòng)機(jī)的垂直振動(dòng)運(yùn)動(dòng)微分方程式：

即微分方程式的解為6.2發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的隔振分析式中：若不計(jì)支承系統(tǒng)的阻尼（c=0），則發(fā)動(dòng)機(jī)的鉛垂振動(dòng)規(guī)律式可簡(jiǎn)化成如下形式

6.2發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的隔振分析6.2.3回轉(zhuǎn)力矩引起的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)繞曲軸中心振動(dòng)的微分方程

式中：

-------發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于曲軸中心線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

令把上式簡(jiǎn)化為：6.2發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的隔振分析采用第2章所介紹的方法，可求出上式的解：其中：

在的無(wú)阻尼情況時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為：6.2發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的隔振分析6.2.4發(fā)動(dòng)機(jī)繞橫軸的振動(dòng)根據(jù)圖6.7，發(fā)動(dòng)機(jī)繞水平橫軸振動(dòng)的微分方程式為

或令

于是上式可簡(jiǎn)化為6.2發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的隔振分析此微分方程式的解為其中6.2發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的隔振分析為了減小繞橫軸的振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸B端后支承與發(fā)動(dòng)機(jī)A端前支承的連線，應(yīng)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的重心，如圖6.8所示。另外，前、后支承彈簧的剛度與總剛度之間成下面的比例關(guān)系：這樣布置的發(fā)動(dòng)機(jī)彈性支承，就能夠使垂直方向的振動(dòng)和繞水平橫軸的回轉(zhuǎn)振動(dòng)兩者的合成振動(dòng)減小。圖6.8發(fā)動(dòng)機(jī)支承6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)6.3.1發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)概述發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的最基本的功能是：

（1）固定并支承汽車(chē)動(dòng)力總成；（2）承受動(dòng)力總成內(nèi)部因發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)和平移質(zhì)量產(chǎn)生的往復(fù)慣性力及力矩；（3）承受汽車(chē)行駛過(guò)程中作用于動(dòng)力總成上的一切動(dòng)態(tài)力；（4）隔離由于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)而引起的車(chē)架或車(chē)身的振動(dòng)；（5）隔離由于路面不平度以及車(chē)輪所受路面沖擊而引起的車(chē)身振動(dòng)向動(dòng)力總成的傳遞。

下面介紹幾種常用的懸置材料。

6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)1.橡膠懸置為降低振動(dòng)、提高乘坐舒適性，人們進(jìn)行了懸置元件本身結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)，把橡膠硫化到各種形狀金屬骨架上面，形成了各式結(jié)構(gòu)的橡膠懸置。橡膠懸置由于其結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格便宜，便于維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。但是橡膠懸置在高頻時(shí)具有較大的動(dòng)剛度，并且橡膠材料耐溫、耐油性能較差，通常用天然橡膠制成的減振橡膠塊，不能在70℃以上的高溫下使用。這些特性限制了橡膠懸置的進(jìn)一步發(fā)展，促使技術(shù)人員開(kāi)發(fā)新一代懸置系統(tǒng)。

6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)2.液壓懸置液壓懸置能夠獲得廣泛的應(yīng)用主要取決于兩個(gè)方面的原因，其一是由于轎車(chē)設(shè)計(jì)向著大扭矩、輕量化方向發(fā)展，其二是液壓懸置具有頻變和幅變特性的優(yōu)點(diǎn)。液壓懸置經(jīng)歷了不斷發(fā)展和完善的過(guò)程，現(xiàn)在應(yīng)用的主要有簡(jiǎn)單節(jié)流孔式、慣性通道式、慣性通道——解耦膜式等幾種。

簡(jiǎn)單節(jié)流孔式慣性通道式慣性通道——解耦膜式6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)3.半主動(dòng)懸置

半主動(dòng)懸置按其結(jié)構(gòu)方式和工作原理可以分為：控制節(jié)流孔開(kāi)度的半主動(dòng)懸置、電流變液體半主動(dòng)懸置、磁流變液體半主動(dòng)懸置等幾種。用電磁閥控制半主動(dòng)液壓懸置6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)4．主動(dòng)懸置主動(dòng)懸置一般由被動(dòng)式液壓懸置、作動(dòng)器、傳感器和控制機(jī)構(gòu)組成。1988年P(guān)eterL．Graf等人設(shè)計(jì)了一種采用液壓作動(dòng)器的主動(dòng)懸置。

1994年德國(guó)人MichaelMuller等研究了帶有電磁作動(dòng)器的主動(dòng)液壓懸置

1995年日本人，ToshiyukiShibayama等發(fā)表文章介紹了他們應(yīng)用壓電陶瓷作動(dòng)器的發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)懸置

2002年南韓人Y-W-Lee，把電磁作動(dòng)器與液壓懸置的解耦盤(pán)連接，形成一個(gè)作動(dòng)的活塞，直接驅(qū)動(dòng)液壓懸置內(nèi)的液體，改變懸置的動(dòng)剛度，降低振動(dòng)的幅值

2002年加拿大人M．S．Foumani利用形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種形狀記憶金屬式的主動(dòng)懸置

2003年日本五十鈴公司日刊采用了電磁作動(dòng)器與液壓懸置結(jié)合，對(duì)重型柴油機(jī)振動(dòng)實(shí)施主動(dòng)控制6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)6.3.2發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)就簡(jiǎn)化成一個(gè)六自由度的剛體振動(dòng)模型。如圖6.12所示。

圖6.12發(fā)動(dòng)機(jī)與其懸置系統(tǒng)1.發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)時(shí)的動(dòng)能發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)時(shí)的動(dòng)能應(yīng)為其隨質(zhì)心平動(dòng)動(dòng)能與繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能之和，即6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的總動(dòng)能為

6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)寫(xiě)成矩陣形式

其中稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，它是一個(gè)對(duì)稱(chēng)矩陣。是系統(tǒng)廣義速度列陣。6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)如果是發(fā)動(dòng)機(jī)總成的慣性主軸，則，此時(shí)可把發(fā)動(dòng)機(jī)總成的動(dòng)能表示成：此時(shí)相應(yīng)的質(zhì)量矩陣是對(duì)角矩陣6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)2.發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)時(shí)的勢(shì)能支承點(diǎn)離開(kāi)平衡位置的位移矢量為

比較等式兩端系數(shù)得

6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)用矩陣表示式中是由支承點(diǎn)位置決定的矩陣。6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)支承系統(tǒng)的勢(shì)能式中6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)3.發(fā)動(dòng)機(jī)在車(chē)架上的自由振動(dòng)微分方程求得發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)能和勢(shì)能后，就可利用拉格朗日方程寫(xiě)出系統(tǒng)的自由振動(dòng)微分方程。由于我們所研究的系統(tǒng)是保守的機(jī)械系統(tǒng)，因此，自由振動(dòng)的一般式為拉格朗日方程式

把前面計(jì)算的結(jié)果代入拉格朗日方程式就得發(fā)動(dòng)機(jī)在懸置上振動(dòng)的微分方程為避免復(fù)雜的運(yùn)算，我們用矩陣形式表示，即

6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)方程解為：代入上式，簡(jiǎn)化后得

乘等式兩端得

，則上式簡(jiǎn)化為

是矩陣的特征值，而是它的特征向量，矩陣是非對(duì)稱(chēng)矩陣，它的特征值和特征向量都是實(shí)的，可用求解非對(duì)稱(chēng)實(shí)陣的一般方法求得。

6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)6.3.3動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的隔振1.隔振系統(tǒng)的傳遞率對(duì)動(dòng)力總成來(lái)說(shuō)，激勵(lì)力來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)，基礎(chǔ)是車(chē)身或車(chē)架，假設(shè)基礎(chǔ)不動(dòng)。那么，傳遞到基礎(chǔ)上的力的幅值與激勵(lì)力的幅值之比的絕對(duì)值，稱(chēng)為傳遞率，其表達(dá)式為式中，

為隔振器阻尼比；為激勵(lì)頻率與系統(tǒng)固有頻率之比。6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)2.懸置系統(tǒng)的模態(tài)能量解耦如圖6.11所示，動(dòng)力總成有6個(gè)自由度，對(duì)應(yīng)的有6個(gè)模態(tài)。模態(tài)彼此獨(dú)立的情況，稱(chēng)為模態(tài)解耦。然而，在實(shí)際工程中，要使所有的模態(tài)完全解耦是不可能的。在某個(gè)頻率下，如果有兩種或兩種以上的模態(tài)存在，即存在兩種或兩種以上的運(yùn)動(dòng)形式，那么這種多模態(tài)并存的情況稱(chēng)為模態(tài)耦合。動(dòng)力總成做自由振動(dòng)時(shí)，每個(gè)模態(tài)都有一定的能量，系統(tǒng)的能量表示為系統(tǒng)在第階模態(tài)頻率下，所有模態(tài)能量之和為該頻率下模態(tài)總能量，用表示展開(kāi)得6.3發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于第階模態(tài)頻率，作用于第個(gè)廣義坐標(biāo)的能量為那么，在第階模態(tài)頻率，單個(gè)模態(tài)能量與總模態(tài)能量的比值，就表示該階模態(tài)能量的強(qiáng)弱，稱(chēng)為解耦度，用