具有磁流变悬置之汽车发动机减振概述与仿真分析

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1、具有磁流变悬置之汽车发动机减振概述与仿真分析第一章绪论1.1课题背景及研究意义随着经济的发展，汽车保有量日益庞大，人们对驾驶平顺性和驾乘舒适性的要求也水涨船高，而汽车的高速化和轻量化在一定程度上恶化了这些性能。大量研究和试验表明，振动和噪声是影响驾乘舒适性的罪魁祸首，而且严重影响汽车驾驶平顺性和操纵稳定性以及汽车零部件的疲劳寿命。因此，如何有效地隔振、降噪已成为当今汽车设计的重要课题。发动机作为汽车振动和噪声的一大，更有效的削弱发动机传递到车身的振动，对提高汽车行驶平顺性、操纵稳定性和驾乘舒适性具有重要意义[1]。磁流变减振器

2、具有响应速度快、能耗低和可调范围大等优点，在航空、军工、枪炮、汽车等行业和建筑、桥梁、铁路等结构工程中的研究、应用近年来发展迅速[2]。但是，将磁流变减振器应用到汽车发动机隔振控制系统上的研究涉及较少。汽车发动机振动具有位移区间小、阻尼需求大的特点，这一特点决定了磁流变减振器在汽车发动机方面的应用研究会与众不同，所以有必要对发动机采用磁流变悬置时进行应用研究。由于磁流变减振器的阻尼系数可随电磁场的改变而变化，是一种典型的随时间变化的非线性系统，难以精准的建立对象模型，所以，需要设计一种合适的可用于发动机磁流变减振控制的控制策略

3、。研究无需建立精确的数学模型、具有学习能力且控制简单的控制方法是磁流变减振器在发动机隔振控制系统中应用发展的一个热点与难点问题。在传统的控制领域，控制系统的模型建立的是否精准决定着控制的准确与否，把握详细的动态系统信息才能实现精确的控制。因此传统的控制理论只能对简单的系统具有良好的控制能力，而对于过于复杂或很难精确描述的系统力不从心。1.2国内外研究现状汽车发动机的减振无外乎振动的隔离和振动的控制两种思路。在发动机的结构无法改变的前提下，只有隔离振动这一种办法可用，发动机应用橡胶来隔离振动始于1930年。但橡胶仅在低频段有较好

4、的隔振效果，在高频段隔振效果并不理想。随着科技的进步、新型材料的发明和振动控制理论的发展，发动机减振性能也日益提高。汽车发展之初，人们广泛采用四缸直列发动机且发动机是刚性连接到车架上的，它不平衡的二阶惯性力引起动力总成的严重振动，同时造成车身振动剧烈。为了降低发动机向车身传递的振动，提高驾乘舒适度，人们开始设计各种结构的发动机与车身隔离元件，首先应用像动物皮毛、绒布等柔性元件垫在发动机和车架之间，后来又用橡胶，达到了有效地隔离发动机振动的目的[4]。发动机采用橡胶悬置来隔离振动始于1930年Lord公司对橡胶悬置进行的结构研究

5、[5]。得益于化工行业的进步，人们合成了聚硫橡胶，合成聚硫橡胶的内摩擦系数超过金属材料制成的弹簧的1000倍，能够更有效地降低发动机向车身传递的振动的振幅，并能更快的衰减自由振动[6]，此后由于橡胶悬置具有结构相当简单、成本低廉、维护简单、使用寿命长的优势从而得以推广[7-8]。但是橡胶材料在频率较高时刚度相对较大，高频隔振降噪性能很不理想，并且橡胶材料耐温、耐油性能较差，这就导致了它无法兼顾低频和高频的环境中的隔振要求，使本身的减振降噪能力部分损失，限制了橡胶材料在发动机减振中的进一步推广[9-10]。这些缺点推动研究人员转

6、向新一代减振降噪装置。.第二章发动机隔振系统力学分析2.1发动机振动的力学分析发动机的曲轴扭转振动系统由曲轴及其相连的连杆、活塞、飞轮等运动机构组成，该系统不是一个绝对刚体，它具有一个固有频率，而曲轴扭转振动系统在扭矩的周期性变化下工作，这个周期性变化的扭矩就是引起发动机振动的干扰力矩。其主要包括气缸内的燃气压力和曲轴连杆机构产生的往复惯性力等两部分。一般由气体压力与往复惯性力引起的垂向振动和主要由燃气压力产生的干扰力矩引起的摇摆振动是发动机系统振动的基本形式，以垂向振动尤为突出。本文即以控制垂向振动为主，忽略对摇摆振动的研究

7、，建立发动机隔振系统以发动机和车架的垂向位移为自由度的两自由度模型。将发动机主轴看作通过发动机质心的坐标轴，则引起发动机振动的力矩就是由曲轴连杆受力绕发动机主轴旋转产生的。曲轴连杆上主要是往复惯性力和燃气压力两者的合力，而连杆上的燃气压力和气缸顶盖上的燃气压力是一对作用力与反作用力，它只引起气缸的拉伸或压缩而不会传递到气缸外。2.2建立发动机隔振系统力学模型发动机隔振系统包括发动机、发动机悬置、车架等主要部件，发动机做功时产生的内力是发动机隔振系统所隔离的振动的最主要；发动机悬置连接发动机与车架，是发动机隔振系统的关键部件，起

8、到隔离发动机振动向车架传递的作用，发动机隔振系统的振动特性取决于发动机悬置的刚度，而振幅则和悬置的阻尼大小相关，因此发动机悬置可表示为阻尼可调的刚度阻尼系统；车架作为同时承载驾乘人员和发动机的支撑部件，其受迫振动的幅值大小用来检验发动机隔振系统的隔振效率；汽车行驶中崎岖路面引