发动机曲轴多级橡胶阻尼式扭转减振器的设计

维普资讯 http://www.cqvip.com 汽车工程　２００７年（第２９卷）第１１期　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２００７２２９　发动机曲轴多级橡胶阻尼式扭转减振器的设计　上官文斌　，牛立志　，黄（１．宁波拓普减震系统有限公司，宁波兴　５１０６４１）　３１５８００；２．华南理工大学汽车工程学院，广州［摘要］介绍了发动机曲轴系统中应用的多级橡胶阻尼式减振器的结构，提出了各级减振器设计参数的优化　方法。计算结果表明，多级扭转减振器可以较好地控制发动机曲轴的扭振。　关键词：多级橡胶减振器；曲轴扭转振动；设计方法　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉ－－ｒｕｂｂｅｒ－－ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ｄａｍｐｅｒｓ　ｆｏｒ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ　Ｓｈａｎｇｇｕａｎ　Ｗｅｎｂｉｎ　．Ｎｉｕ　Ｌｉｚｈｉ　＆Ｈｕａｎｇ　Ｘｉｎｇ　１．Ｎｉｎｇｂｏ　Ｔｕｏｐｕ　ＶｉｂｒａｔｉｏｎＩｓｏｌａｔｉｏｎ　Ｃｏ．，　．，Ｎｉｎｇｂｏ　３１５８００；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅ，　ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｅｒｖｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６４１　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ａ　ｍｕｌｔｉ—ｕｂｂｅｒ—ｅｌｒｅｍｅｎｔ　ｔｏｒｓｉｏｎａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｄａｍｐｅｒ　ｆｏｒ　ｅｎｇｉｎｅ　ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｄａｍｐｅｒ　ｃａｎ　ｂｅｔｔｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｔｏｒｓｉｏｎａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅ　ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ．　Ｋｅｙｗｏｒ￣：Ｍｕｌｔｉ－ｒｕｂｂｅｒ－ｅｌｅｍｅｎｔ　ｄａｍｐｅｒ；Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ　ｔｏｒｓｉｏｎａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；Ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅ￣ｏｄ　个动力吸振器的最优频率比和最优阻尼系数比的解　前言　减少发动机曲轴扭振的常用方法是在曲轴前端　安装扭转减振器。这种减振器在曲轴系统中的匹配　设计是基于动力吸振器的设计理论。对于单级的减　振器（只具有一个惯性质量），已有较为成熟的设计　理论与计算方法　Ｊ。在轿车发动机曲轴系统中广泛　析计算公式。但在实际的两级动力吸振器中，２个　减振器的质量比不一定相等，因而给出的计算公式　具有一定的局限性。当动力吸振器的个数增加时，　推导出最优质量比、频率比和阻尼系数比的解析解　是相当困难的，此时应采用数值解法。　文中介绍发动机曲轴系统中应用的并联结构形　使用的橡胶阻尼式减振器的阻尼值偏小，达不到最　优设计阻尼系数比的要求。硅油或硅油一橡胶式阻　尼减振器，可以提供较大的阻尼而满足设计的最优　阻尼，但其制造工艺复杂，成本相对较高。为降低成　本，在轿车发动机的曲轴扭振减振系统中，一般采用　式的橡胶阻尼式多级扭转减振器，建立了计算曲轴　扭转振动响应的计算公式，提出优化多级减振器参　数的计算方法并给出计算实例。计算结果表明，在　曲轴系统中采用多级减振器时，虽然各级减振器的　阻尼仍然由橡胶提供，但只要合理设计每级减振器　的质量比、频率比和阻尼系数比就可以较好地控制　发动机曲轴系统的扭转振动。　橡胶阻尼式减振器。随着轿车发动机的轻量化和大　功率化，单级橡胶阻尼式减振器的减振效果已满足　不了曲轴系统扭转振动控制的要求，目前在一些轿　１　多级橡胶减振器结构　图１为一两级并联式减振器。物体６为轮毂，　是减振器与发动机曲轴的连接件；皮带轮３和物体４　为紧配合，两物体合成为一个惯性质量，与橡胶元件　车发动机上已经采用了多级的橡胶阻尼式减振器，　即多级动力吸振器。　文献［２］建立了两级并联式动力吸振器的数学　模型，当２个动力吸振器的质量比相等时，给出了２　原稿收到日期为２００６年１０月２３日，修改稿收到日期为２００６年１２月３０日。　维普资讯 http://www.cqvip.com

・９９２・　汽车工程　２００７年（第２９卷）第ｌ１期　５组成第一级减振器。物体７和物体８为由特氟龙　材料制成的部件，因此物体３和物体６可相互滑动。　物体１为第二个惯性质量，与橡胶件２组成第二级　扭转减振器。橡胶件２和５的一侧硫化在轮毂６　分别为曲轴系统一阶扭转振动等效系统的转动惯　量和扭转刚度，Ｉｉ、ｋ　和ｃｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ，ｎ为减振器　的级数）分别为多级减振器中各级减振器惯性质量　的转动惯量、橡胶元件的扭转刚度和阻尼　ｔ）为作　上，另外一侧则分别硫化在对应的惯性质量上。　图１两级并联型减振器　图２为一发动机曲轴系统三级扭转减振器的结　构图。轮毂８为各级扭转减振器与曲轴的连接件。　橡胶元件２、６和１０的一侧与轮毂８的紧配件硫化　在一起，另一侧分别与惯性质量１、皮带轮５和１１　（二皮带轮均兼做惯性质量）硫化在一起。物体４由　特氟龙材料制成，因此皮带轮５和１１之间可以相互　转动。惯性质量１与橡胶元件２、惯性质量５与橡胶　元件６、惯性质量１１与橡胶元件１０组成三级并联式　扭转减振器。　图２三级并联减振器　２多级减振器设计计算方法　在设计发动机曲轴扭转减振器时，一般是针对　曲轴系统的单结点扭转振动模态附设扭转减振器　（动力吸振器）。将曲轴系统简化为单自由度的等　效模型，由于曲轴系统的一阶扭转振动模态阻尼较　小，因此在曲轴系统的一阶扭振等效单自由度系统　中的阻尼常常忽略不计　。　图３为曲轴一阶模态扭振等效系统和安装在曲　轴系统中的多级减振器的等效力学模型。其中，，和　用在曲轴中的外力。　Ｉｔ　ｋｎｌ　』　—————　、　／　＾————　Ｉｎｒ－ｉ　图３曲轴一阶扭振等效系统和多级减振器等效力学模型　曲轴一阶扭振系统的固有圆频率为∞　＝Ｋ／Ｉ，　定义如下无量纲参数。　｛Ａｉ＝√Ｉｌｉ｝／ｔ　（１）　——　＝Ｃｉ／２￣／Ｉｉｋｉ　式中　、Ａ　和　分别为各级减振器的质量比、频率　比和阻尼系数比，减振器的设计主要是确定　、Ａ　和　。　图３所示扭振系统模型的方程为　ＭＸ＋ＣＸ＋　＝Ｆ（ｔ）　（２）　式中　、Ｃ、　分别为多级扭转的质量矩阵、阻尼矩　阵和刚度矩阵；　＝［　，０　，０２，…，０　］Ｔ，０为曲轴一阶　模态等效系统惯性质量的角位移，　（ｉ＝１，２，…，，１）　为各级减振器惯性质量　（ｉ＝１，２，…，ｎ）的角位移；　Ｆ（ｔ）为力向量矩阵，其中的各个激励力分量为简谐　稳态激励。　令频率比Ａ＝　∞。，其中∞为外界的激振圆频　率，利用式（１）中定义的各个无量纲参数，可以得到　曲轴一阶模态等效系统和多级并联式扭转减振器系　统模型的动力学分析方程为　（一Ａ　Ｉ＋ｊＡ　＋ｇ）ｘｃｊｏ，）＝ＦＣｊｏ，）　（３）　式中Ｊ为单位矩阵，ｃ、　和ＦＣｊｏ，）的表达式为　ｌ＾　ｌ＋２６２￣ｕ．２＋…　＋　一２６ｌ＾　ｌ一　２Ａ　２…一　＾　一　ｌ＾ｌ　２６ｌ＾ｌ　０　０　０　Ｃ：　一　２＾２　０　２￣２Ａ２　０　０　０　０　…０　—２　０　０　０　２６　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７（Ｖｏ１．２９）Ｎｏ．１１　上官文斌，等：发动机曲轴多级橡胶阻尼式扭转减振器的设计　・９９３・　＋　一Ａ｛　ｌ　—Ａ；　…　一Ａ　廿　Ａ｛　Ｏ　Ｏ　Ｏ　＋　＾　０　Ａ；　Ｏ　Ｏ　＋　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　＋　０　Ａ：　＾　Ｆ（ｊ小［　（　，０，…・，。］　式中　（ｊ，ｏ）＝　ｊ　）／　，　为力矩　ｔ）的幅值。　曲轴和减振器各级惯性质量的角位移可由下式　求出。　ｘ（ｊ，ｏ）＝（一Ａ　Ｉ＋ｊＡＣ＋　）一　Ｆ（ｊ，ｏ）　（４）　当曲轴安装ｎ级扭转减振器后，形成了一个具　有（ｎ＋１）个自由度的振动系统，因而在０与频率比　Ａ的曲线上具有（ｎ＋１）个峰值，如图４所示。当Ａ　＝Ａ一时，０为最大值　～；Ａ＝Ａ　ｉ　时，０取最小值　０ｍｉｎ　ｏ　图４具有ｎ级减振器的曲轴角位移　求解如下优化问题，以确定各级扭转减振器的　设计参数。　极小化：ｏｂｊ＝　～＋∑（ｌ＝１　　一０ｉ）　（５）　约束：　ｆ≤　ｉ≤　，　≤Ａ　≤Ａ　，基≤　≤　式中　和　分别为质量比的下限和上限；　和Ａ　分别为频率比的下限和上限；基和　分别为频率阻　尼系数比的下限和上限。在建立优化目标时，应减　小曲轴的最大角位移，同时使曲轴在其它频率比的　角位移与最大角位移的差值减小。在式（５）的求和　计算中，应将０一Ａ曲线中　去掉。　３多级扭转减振器对曲轴扭振角位移　的控制分析　图５给出了曲轴系统中安装单级、双级和三级　减振器后，曲轴扭振相对角位移的幅频特性。对于　单级减振器，当减振器的质量比　确定后，可由以　下公式计算出减振器的最优频率比Ａ　和最优相对　阻尼系数　。　Ａ１＝１／（１＋　１）　（６）　【　１＝￣／　ｌ／８（１＋／ｚ）　图５　曲轴扭振的相对角位移　对一单级减振器，选定　＝０．２５，由式（６）求出　Ａ　＝０．８和　＝０．２７，此时曲轴扭振相对角位移的　频响曲线为图５中的曲线２。当Ａ＝０．８，而阻尼系　数比取一个较大的实际值（橡胶材料可提供）　＝　０．０６时，曲轴扭振相对角位移如图５中的曲线３所　示。由图可见，在Ａ为０．７和１．１５附近，曲轴的扭　振较大。　一般来讲，发动机的前端具有较大的安装空间，　在一些发动机上，为了更进一步降低曲轴的振动，可　安装多级减振器。图５中的曲线４为安装两级并联　减振器后曲轴的振动，在Ａ＝０．６～１．４范围内，曲轴　的扭振角大大减小。　安装两级扭转减振器以后，在Ａ为０．７５和１．２　附近，曲轴仍具有较大的扭振角。为了进一步降低　该频率范围的振动，可安装三级并联扭转减振器。　安装三级并联扭转减振器以后，曲轴的扭振相对角　位移为图５中的曲线５，与两级的扭转减振器相比，　在整个频率范围内，曲轴扭振角位移的峰值大大下　降。　图５中两级和三级扭转减振器的最优参数由求　解式（５）得到，表１中给出了优化的参数。对比曲线　２和５，三级扭转减振器对曲轴扭振的减振效果和具　有最优设计参数的单级扭转减振器时对曲轴扭振减　振的效果接近。　维普资讯 http://www.cqvip.com

・９９４・　汽车工程　２００７年（第２９卷）第１１期　表１扭转减振器的设计参数　扭转减振器类型　最优参数单级　最优频率比和实际　阻尼系数比单级　两级并联　的阻尼由橡胶材料提供，但多级减振器可以较好地　控制发动机曲轴的扭振。文中设计方法可用来优选　多级橡胶减振器中各级减振器的设计参数。　参考文献　［１］陆际清，孟嗣宗．汽车发动机设计［Ｍ］．北京：清华大学出版社，　１９８９．　’　质量比　Ｉ　０．２５　Ｉ＝０．２５　Ｉ＝０．０８　／．１，２＝０．１　ｌ＝０．２５　频率比　Ａ，＝０．８　Ａ，＝０．８　ＡＩ＝０．８　Ａ，　１　Ａ，＝１．２　阻尼系数比　Ｉ＝０．２７　Ｉ；０．０６　Ｉ＝０．０７　２＝０．０７　Ｉ＝０．０６　三级并联　／．１，２＝０．１５　Ｐ－ｚ　０．２　Ａ，＝０．８　Ａ　＝０．６　＝０．０７　￡＝０．０７　［２］　１ｗａｎａｍｉ　Ｋ，Ｓｅｔｏ　Ｋ．Ａｎ　Ｏｐｔｉｍｕｍ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｄｕａｌ　Ｄｙｎ￣ｅ　Ｄａｍｐｅｒ［Ｊ］．Ｂｕｌｌｅｔｉｎ　ｏｆ　ＪＳＭＥ，１９８４，２７（１３１）：１９６５—１９７３．　［３］Ｓｅｔｏ　Ｋ，Ｏａｋｕｍａ　Ｍ，Ｙａｍａｓｈｉｔａ　Ｓ，Ｎａｇａｍａｔｓｕ　Ａ．Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆＥｓｔｉ—　ｍａｔｉｎｇ　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　Ｍａｓｓ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉ・Ｄｅｇｒｅｅ—ｏｆ－Ｆｒｅｅｄｏｍ　Ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．　４结论　介绍了控制发动机曲轴扭振的多级橡胶阻尼式　减振器，提出了选取各级减振器设计参数的优化方　法。计算结果表明：对多级减振器，虽然各级减振器　ＪＳＭＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ，１９８７，３０（２６８）：１６３８—１６４４．　［４］　吕振华，冯振东．汽车发动机曲轴阻尼式扭转吸振器设计方法　探讨及应用［Ｊ］．内燃机工程，１９９２，１３（３）：２７—３３．　［５］Ｗａｒｂｕｒｔｏｎ　Ｇ　Ｂ，Ａｙｏｒｉｎｄｅ　Ｅ　Ｏ．Ｏｐｔｉｍｕｍ　Ａｂｓｏｒｂｅｒ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｏｒ　Ｓｉｍｐｌｅ　Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｙｎａｍ—　ｉｃｓ，１９８０，８：１９７—２１７．　（上接第９９７页）　位的信号值，从而保证了选换挡执行机构快速准确　地完成换挡动作。　４结论　文中提出的电动式ＡＭＴ选换挡空位的自动检　参考文献　［１］　任玉平，葛安林．全电式ＡＭＴ选换挡系统模糊控制方法［Ｊ］　汽车技术．２００４（８）．１１～１４．　测方法可以方便地查找出选换挡空位值，即使在变　速器的使用过程中选换挡空位传感器信号值发生了　变化，应用此方法同样可以准确地确定并校正空挡　［２］牛秦玉，方宗德，杨剑．电动型自动变速器ＡＭＴ控制策略［Ｊ］　机械与电子．２００５（３）．５９—６１．