汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸多級混聯(lián)式扭振減振器的設(shè)計(jì)構(gòu)想

在電機(jī)工作中，在周期性變化的旋轉(zhuǎn)中，每個(gè)曲線的初始值的葉片誤差稱為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，簡稱扭曲振動(dòng)。曲軸扭振的固有頻率較低,在內(nèi)燃機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),曲軸軸系容易產(chǎn)生共振。共振時(shí)曲軸扭轉(zhuǎn)振幅增大,會導(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。因此,曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中必須考慮的重要因素為了消減曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng),現(xiàn)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大多在扭轉(zhuǎn)振幅最大的曲軸前端裝設(shè)扭振減振器,廣泛采用橡膠阻尼式單級扭振減振器。隨著轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化和大功率化,單級橡膠阻尼式減振器的減振效果已滿足不了曲軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制的要求,目前在一些轎車發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)采用了多級的橡膠阻尼式減振器,即多級動(dòng)力減振器1多級減振器的結(jié)構(gòu)本文設(shè)計(jì)的多級混聯(lián)式扭振減振器是一種新型的多級減振器,由串聯(lián)式和并聯(lián)式扭振減振器的結(jié)構(gòu)組合而來,其結(jié)構(gòu)兼有并聯(lián)式和混聯(lián)式扭振減振器的特點(diǎn)。1.1橡膠件的連接以兩級串聯(lián)式扭振減振器為例,其結(jié)構(gòu)如圖1a所示。慣性環(huán)2、3作為慣性質(zhì)量與橡膠件1一起構(gòu)成一級減振器,然后與輪轂7連接;帶輪5作為慣性質(zhì)量與橡膠件4共同構(gòu)成另外一級減振器,這級減振器不是直接和輪轂7(曲軸)連接,而是與第一級減振器相連,帶輪5與慣性環(huán)2之間通過由特氟隆材料制成的摩擦環(huán)6連接1.2級減振器+5-橡膠件的連接以兩級并聯(lián)式扭振減振器為例,其結(jié)構(gòu)見圖2a。帶輪3和慣性環(huán)4組成慣性質(zhì)量,再與橡膠件5一起構(gòu)成一級減振器,然后與輪轂6(曲軸)連接;鋼圈1作為慣性質(zhì)量,與橡膠件2共同構(gòu)成另外一級減振器后,這一級減振器直接和輪轂6連接;帶輪3與輪轂6之間通過由特氟隆材料制成的摩擦環(huán)7、8連接1.3串、串聯(lián)加扭振減振器的結(jié)構(gòu)多級混聯(lián)式扭振減振器是串聯(lián)式與并聯(lián)式扭振減振器結(jié)構(gòu)的組合形式。由于其組合形式的靈活性,多級混聯(lián)式扭振減振器的結(jié)構(gòu)型式眾多,其具體結(jié)構(gòu)需根據(jù)組合形式而具體分析。以三級混聯(lián)式扭振減振器為例,根據(jù)各級減振器串、并聯(lián)的組合形式,主要有兩種結(jié)構(gòu)型式。圖3a為A型三級混聯(lián)式扭振減振器的結(jié)構(gòu)簡圖。橡膠件2和大帶輪1組成第一級減振器,橡膠件6和小帶輪5組成第二級減振器,橡膠件8和慣性環(huán)7組成第三級減振器,摩擦環(huán)9、10由特氟隆材料制成。橡膠件2的一側(cè)與輪轂3(曲軸)的緊配件4硫化在一起,另一側(cè)與大帶輪1硫化在一起;橡膠件8的一側(cè)與輪轂3的緊配件4硫化在一起,另一側(cè)與慣性環(huán)7硫化在一起;橡膠件6的一側(cè)與慣性環(huán)7硫化在一起,另一側(cè)與小帶輪5硫化在一起。大帶輪1與小帶輪5之間裝配有摩擦環(huán)9,兩物體之間可以相互轉(zhuǎn)動(dòng);慣性環(huán)7與小帶輪5之間裝配有摩擦環(huán)10,兩物體之間可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)等效的力學(xué)模型如圖3b所示。2多段式扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減壓裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算2.1u3000響應(yīng)幅值對于圖3b和圖4b所示帶有多級扭振減振器的曲軸軸系等效力學(xué)模型,其振動(dòng)方程采用矩陣形式可統(tǒng)一為式中:[I]為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣;[C]為扭轉(zhuǎn)阻尼矩陣;[K]為扭轉(zhuǎn)剛度矩陣;準(zhǔn)為主振系(曲軸)等效慣性質(zhì)量和各級扭振減振器慣性質(zhì)量的角位移組成的位移向量,準(zhǔn)=[θ,θ將式(1)進(jìn)行傅里葉變換,由時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域,可得式中:[F]為外力幅值向量,[F]=[f令θ矩陣[G]中各元素的物理意義:在外力激勵(lì)下,曲軸軸系各慣性質(zhì)量的角位移響應(yīng)幅值相對于其主振系等效慣性質(zhì)量最大靜角位移的放大倍數(shù)。由此可見,角位移振幅放大矩陣[G]可以表征系統(tǒng)的角位移響應(yīng)由式(2)~(3)可得:定義ω將以上定義的各變量代入式(4)中,可得[G]無量綱化的表達(dá)式對于帶有A型三級混聯(lián)式扭振減振器的曲軸軸系等效力學(xué)模型,式(5)中:對于帶有B型三級混聯(lián)式扭振減振器的曲軸軸系等效力學(xué)模型,式(5)中:由于角位移振幅放大矩陣G軍軍是系統(tǒng)角位移響應(yīng)的表征,可以評價(jià)多級混聯(lián)式扭振減振器的減振效果,而G軍軍在主振系參數(shù)確定的情況下與各級扭振減振器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比μ2.2多級混聯(lián)式扭振減振器參數(shù)的優(yōu)化方法在進(jìn)行多級混聯(lián)式扭振減振器參數(shù)優(yōu)化時(shí),首先要確定優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù),然后在一定的約束條件下采用某種優(yōu)化方法尋求其最優(yōu)解,從而確定各級扭振減振器的最優(yōu)參數(shù)。一般來說采用扭振減振器的主要目的是控制曲軸(主振系)的扭轉(zhuǎn)振幅,因此本文采用曲軸的振幅放大系數(shù)β作為多級混聯(lián)式扭振減振器參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。由式(3)可知,主振系的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)振幅θ因此,主振系的振幅放大系數(shù)為于是多級混聯(lián)式扭振減振器參數(shù)的優(yōu)化問題可以表述為數(shù)學(xué)模型:式中:μ此數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)解可采用求解約束非線性優(yōu)化問題的方法獲得,具體算法有序列二次規(guī)劃法(SQP,SequentialQuadraticProgramming)、遺傳算法(GA,GeneticAlgorithm)、粒子群算法(PSO,ParticleSwarmOptimization)等。本文采用MATLAB優(yōu)化工具箱中的fmincon函數(shù)求解優(yōu)化問題。3多級減振器參數(shù)的確定對于單級扭振減振器,當(dāng)減振器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比μ確定以后,可由式(7)計(jì)算減振器的最優(yōu)頻率比λ和最優(yōu)阻尼比ξ對某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸系采用單級扭振減振器,根據(jù)減振器安裝空間選定,由式(7)可求出單級扭振減振器的最佳頻率比為0.8、最佳阻尼比為0.27,曲軸角位移幅頻特性如圖5所示。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的彈性元件大都為橡膠元件,阻尼比約在0.04~0.08之間,遠(yuǎn)低于理論計(jì)算求出的最優(yōu)阻尼比對于多級扭振減振器,各級減振器最佳的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比μ當(dāng)各級減振器分別裝設(shè)兩級并聯(lián)式、兩級串聯(lián)式、A型三級混聯(lián)式、B型三級混聯(lián)式扭振減振器時(shí),將表1中優(yōu)化后的各級減振器參數(shù)分別代入式(5)和式(6),得到相應(yīng)的曲軸角位移幅頻特性如圖5所示。對比圖5中各曲線可知,多級混聯(lián)式扭振減振器對曲軸扭振的減振效果和理想的具有最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)的單級扭振減振器對曲軸扭振的減振效果接近。該結(jié)果說明,雖然多級混聯(lián)式扭振減振器的各級減振器的阻尼元件仍采用橡膠材料,但可以較好地控制發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的扭振。4多級混聯(lián)式扭振減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多級混聯(lián)式扭振減振器是在串聯(lián)式和并聯(lián)式扭振減振器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)需根據(jù)串、并聯(lián)的組合形式而具體分析。本文設(shè)計(jì)了2種三級混聯(lián)式扭振減振器的結(jié)構(gòu),建立了帶有扭振減振器的以曲軸系統(tǒng)單結(jié)點(diǎn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)為基礎(chǔ)的曲軸軸系等效力學(xué)模型,采用曲軸的振幅放大系數(shù)評價(jià)扭振減振器減振效果的評價(jià)指標(biāo),提出了各級減振器參數(shù)的優(yōu)化方法,通過計(jì)算對比分析了多級混聯(lián)式扭振減振器的減振效果,計(jì)算結(jié)果表明多級混聯(lián)式減振器可以較好地控制發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的扭振,是一種實(shí)用性很強(qiáng)的新型多級扭振減振器。本文的分析方法對于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸多級扭振減振器的設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。圖4a為B型三級混聯(lián)式扭振減振器的結(jié)構(gòu)簡圖。橡膠件2和慣性環(huán)5、8組成第一級減振器,橡膠件1和大帶輪6組成第二級減振器,橡膠件10和小帶輪7組成第三級減振器,摩擦環(huán)9、11由特氟隆材料制成。橡膠件2的一側(cè)與輪轂4(曲軸)的緊配件3硫化在一起,另一側(cè)與慣性環(huán)5硫化在一起,慣性環(huán)5、8組成