动力吸振结构的原理与应用

动力吸振器在某车型声学开发中的设计及应用刘 杰(赛科工业科技开发(武汉)有限公司上海分公司,上海 200233)摘要:论述动力吸振器设计开发原理,并从整车开发工程实践的角度出发,对传动轴的噪声-振动-平顺性(N V H )进行动力吸振器的设计㊂通过运用H e a d 软件中的模态测试模块来确定噪声出现的频率,针对实际噪声工况设计吸振器的参数,并利用仿真和实车道路测试相结合的方法对吸振器效果进行验证㊂经验证该吸振器的设计解决了N V H 问题,改善了整车的驾乘舒适性㊂该方法可推广应用到整车其他零件的减振开发设计中去,对整车声学开发有积极的指导意义㊂关键词:动力吸振器 声学开发 减振0 前言汽车的振动-噪声-平顺性(N V H )是衡量汽车品质的一项重要指标㊂随着用户对汽车的舒适性要求越来越高,各国对噪声污染的控制越来越严,因此N V H 性能决定了一部汽车在市场上的前景[1]㊂汽车上几乎每个系统和部件都会涉及振动问题,而动力吸振器作为消除噪声和振动的1个重要方法,已经在整车声学开发中进行了大量的运用,比如传动系统上的传动轴及卡丹轴㊁动力装置支承㊁方向盘㊁副车架㊁排气管及座椅靠背等㊂动力吸振器一般针对某个特定噪声频率,通过产生与主系统相位差180ʎ的振动,从而抵消主系统某个频率的振动㊂根据主系统产生噪声频率的不同,通过调节动力吸振器的质量㊁刚度㊁阻尼等抵消某个频率的振动,同时动力吸振器作用的频率范围覆盖十几H z 到几百H z㊂比如:针对座椅抖动,可在靠背上增加的动力吸振器,其作用频率只有十几H z ;方向盘上的动力吸振器,根据车辆怠速转速的不同作用范围,大致在二十多H z 到三十多H z ;动力总成支承和传动轴上的动力吸振器根据车辆加速行驶时发动机转速不同从几十H z 到几百H z㊂动力吸振器对车辆上抱怨零件特定频率的振动及噪声的衰减效果是非常明显的,并在整车声学开发上获得了广泛的运用㊂1 问题描述某自主开发的S U V 车型采用前轮驱动P r o t o t y pe 样车主观评价发现,车辆在加速阶段转速在3600r /m i n 附近踏板抖动严重,并伴随着明显的车内轰鸣声,如图1所示,在车内布置了4个噪声采样传感器,分别位于驾驶员外耳㊁副驾驶外耳及后排乘客外耳㊂图2为驾驶员位置噪声瀑布图,可看出该车内噪声与发动机的2阶有关,噪声频率在120H z 附近㊂图1 某S U V 车型3档加速车内噪声2 原因分析该车辆左侧传动轴距较短,采用的是42m m 的空心轴,而右侧传动轴从成本角度,采用的是27m m 的实心轴㊂实心轴的固有频率远比空心轴低,其与发动机旋转件发生耦合的概率要比空心轴大得多㊂对车辆进行传递路径分析,发现噪声车辆的抖动来自车辆右542019 NO.3汽车与新动力All Rights Reserved.图2驾驶员外耳噪声瀑布图侧传动轴,如图3所示㊂图3某S U V车型3档加速传动轴振动曲线使用H e a d测试系统中,A r t e m i SS U I T E5.1模块的 i m p a c tM e a s u r e m e n t 对整车落地状态下的车辆右侧传动轴进行固有频率测试,测试结果如图4所示㊂对比图2和图4可以得出噪声产生的原因,发动机2阶激励与右传动轴的1阶固有模态耦合产生了共振,从而引起了车内的轰鸣和振动㊂3优化措施针对以上分析,可从激励源㊁传递路径及响应寻求改进措施㊂因为噪声出现在转速3600r/m i n(车辆加速)时,此转速属于发动机中间转速不可能避开,因此通过降低或者避开激励源的方法不太可行㊂车内噪声和振动是乘客可以感知的两种响应,前者可以通过主图4右传动轴整车约束状态下固有频率动降噪的方法来解决,缺点是成本太高㊂整车加速抖动没有较为简单的解决方法,除非对车身进行刚度加强,其问题根源出在传递路径上右传动轴这一环,只要把右传动轴共振峰值消去或者降低其共振能量,就可以同时实现降低噪声和振动,而这就是动力吸振器可以实现的功能㊂4动力吸振器设计原理4.1双自由度系统模型的建立图5带阻尼的动力吸振器系统图5是一个带阻尼的动力吸振器的系统,该动力吸振器系统包括主系统的质量㊁主系统弹簧刚度㊁主系统位移响应㊁吸振器质量㊁吸振器弹簧刚度㊁阻尼系数㊁552019 NO.3汽车与新动力All Rights Reserved.吸振器位移响应和外界激励力㊂系统的强迫振动方程如下m 100m 2éëêêùûúú㊆x 1㊆x 2éëêêêêêùûúúúúú+c -c -c c éëêêùûúú㊃x 1㊃x 2éëêêêêêùûúúúúú+k 1+k 2-k 2-k 2k 2éëêêùûúúx 1x 2éëêêùûúú=P 1s i n (ωt )0éëêêùûúú(1)式中,m 1为主系统的质量,k 1为主系统弹簧刚度,x 1为主系统位移响应;m 2为吸振器质量,k 2为吸振器弹簧刚度,c 为阻尼系数,x 2为吸振器位移响应,P 1s i n (ωt )为外界激励力㊂4.2 阻尼动力吸振器当c 不等于0时,动力方程的解为x 1x 2{}=B 1s i n (ωt )B 2s i n (ωt ){}(2)式中,x 1为主质量位移响应,x 2为吸振器位移响应,B 1为主质量振幅,B 2为吸振器振幅,P 1s i n ωt 外界激励力㊂将主质量系统的振幅B 1与静变形x s t 之比A (λ)称为放大系数A (λ)=B 1x s t=(2ηλ)2+(λ2-f 2)2(2ηλ)2(λ2+μλ2-1)2+[μf 2λ2-(λ2-1)(λ2-f 2)]2[]2(3)式中,f =ω2ω1为调谐比或定调比,μ=m 2m 1为质量比,λ=ωω1为激励力与主系统固有圆频率之比,η=c 2m 2k 2吸振器阻尼比,c 阻尼系数㊂ω为系统激励力频率,ω1为主质量固有频率,ω2为吸振器固有频率,m 1主系统的质量,m 2为吸振器质量,k 2为吸振器弹簧刚度㊂μ越大虽然有利于减振,但是不利于空间布置,一般取0.1~0.3㊂取μ为0.1,调谐比取1来绘制主质量系统的幅频响应曲线,如图6所示㊂当阻尼比取零和无穷大时,幅频响应曲线相交于A ㊁B 两点㊂可以证明,任意改变阻尼比,幅频响应曲线都通过该两点㊂改变调谐比可以让A 点和B 点的幅值相等㊂若再改变吸振器阻尼比,使动力放大系数曲线的峰值点与公共点A 点或B 点重合,此时的动力放大系数为最小值,此时的调谐比称为最优调谐比,阻尼图6 主质量系统幅频响应曲线比称为最优阻尼比,并满足关系:f o pt =ω2ω1=11+μηo p t =3η8(1+μ)3æèçöø÷0.5A (λ)=1+2μæèçöø÷0.5(4)式中,f o pt 为最优调谐比或定调比,ω1为主质量固有频率,ω2为吸振器固有频率,μ为m 2与m 1质量比,ηo p t 为吸振器最佳阻尼比,A (λ)为放大系数㊂5 动力吸振器设计从动力吸振器设计原理可知,设计动力吸振器需要确定质量比㊁调谐比㊁动力吸振器的固有频率和阻尼比等几个关键的参数,最后再根据阻尼比的计算公式反推吸振器的阻尼系数㊂由上述可知,μ的取值一般在0.1~0.3,可选取几个方案同步验证降噪效果㊂(1)方案1:取μ=0.105,因主系统即右传动轴质量m 1为3332g ,则动力吸振器的质量350g㊂最佳调谐比m 2为0.905,吸振器的固有频率是108.6H z ,吸振器的最优阻尼比为0.17,阻尼系数是81N ㊃s /m ㊂(2)方案2:取μ=0.15,计算得出动力吸振器的质量m 2为500g ,调谐比0.870,频率104.3H z ,阻尼比为0.1923,阻尼系数是91.6N ㊃s /m ㊂(3)方案3:取μ=0.2,计算得出动力吸振器的质量m 2为666.4g ,调谐比0.833,频率100H z ,阻尼比为0.208,阻尼系数是99.1N ㊃s /m ㊂这3个方案参数选择如表1所示㊂56汽车与新动力All Rights Reserved.表1 动力吸振器3套方案参数列表项目质量比调谐比阻尼比频率/H z 方案10.1050.9050.1700108.6方案20.1500.8700.1923105.0方案30.2000.8330.2080100.06 动力吸振器设计验证6.1 仿真验证使用A N SA 仿真模块对该S U V 车型右侧传动轴进行3种方案吸振器的原点响应分析,如图7~9所示㊂图7 方案1效果图(计算)图8方案2效果图(计算)图9 方案3效果图(计算)6.2 实车验证将安装动力吸振器的右传动轴安装在该S U V 车上进行实车道路验证,如图10所示㊂方案2效果如图11和图12所示,加装该吸振器后车内噪声的轰鸣声声压级下降达7d B (A ),振动也图10 带动力吸振器的右传动轴改善明显㊂经过主观评价,加装吸振器后车内噪声和振动完全可以接受㊂方案1和方案3效果类似,最终确定该吸振器的频率范围是105H z ʃ5H z㊂图11 带和不带吸振器车内噪声对比图12 带和不带吸振器轴头振动对比7 结论本文从某S U V 车型加速时车内振动和轰鸣的噪声出发,系统地论述了动力吸振器的设计原理,并应用到该噪声的解决中㊂从整车实际工况出发,通过计算572019 NO.3汽车与新动力All Rights Reserved.和道路试验相结合的方法,验证了传动轴上安装动力吸振器对该噪声的改善效果㊂动力吸振器在整车开发中运用广泛,经实践证实,该方法可以有效推广到副车架㊁座椅㊁卡丹轴等车辆其他运动部件的减振设计㊂参考文献[1]庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动:理论与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2006.专家简介袁卫平,上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心整车集成部N V H科高级经理㊁资深专家㊁教授级高工㊁硕士研究生导师㊁I S O/T C70/WG13和S A C/T C177/WG11工作组组长,从事汽车和内燃机噪声振动控制研究30余年,注重理论与实践相结合,编有专著,发表多篇学术论文,拥有多项发明专利㊂专家推荐辞乘用车在振动-噪声-平顺性(N V H)开发设计过程中,在物理样车造车阶段经常出现车内轰鸣噪声及加速抖动的问题㊂因为此时开发工作已经处于验证阶段,部分零件的正式模具已经冻结,所以在解决此类问题时,通过额外增加动力吸振器往往很有效果㊂此文结合实际开发设计中遇到的相关问题,从问题源出发,利用经典理论公式,通过仿真计算和道路验证的方All Rights Reserved.。

在这篇文章中，我们主要介绍调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper）的设计准理上来讲，其实这类阻尼器的目的就是将会造成结构破坏的振动转移到阻尼器本身上（动力吸振）。

相比于增加大楼本身的能量耗散（阻尼），增加阻尼器自身的阻尼更容易控制且成本较低。

同时，阻尼器本身是进行刚体运动（rigid本身，所以，它不太容易产生结构上的疲劳破坏。

一般而言，在调谐质量阻尼器之中，它存在质量元件、弹簧元件以及阻尼元件。

为了说明其工作原理，我们先讨论动力吸振器。

对于动力吸振器而言，它的基本结构与调谐质量阻尼器类似，但是其中不存在阻尼元件。

从振动的能量传递的角度而言，两者的原理几乎一致。

1、动力吸振器基本原理首先，我们用一个简化的系统来说明其基本原理。

在这个系统中，它的激励源是一个偏心转动的质量块。

当动力吸振器没有安装在原始振动系统时，这个转动失衡系统可以表示为：我们可以看到，虽然在主系统的固有频率时，振动被大量减少，但是，在其附近的两个频率，我们创建了两个新的振动峰。

如果振动的主系统只运转在某个固定的频率上，那么动力吸振器是很有效的。

事实上，在大部分情况下，振动的激励频率并不是单一的。

例如，如果一台机器运转在一个固定的频率上，但是在开机或者关机时，其他的频率也会被激励。

再比如说，对于桥或者楼而言，它的振动激励其实是风载。

对于风载而言，振动的激励是宽频激励。

所以，动力吸振器并不能有效地解决其振动问题。

所以，阻尼元件就被添加到了这个动力吸振器中。

它的基本工作原理是，一部分主系统的振动能量被阻尼元件所耗散，另一部分能量被传递到了阻尼器上。

那么，将不会有新的主系统振动峰产生。

在下面一个章节里，我们就来讨论调谐质量阻尼器的基本原理和设计准则。

2、调谐质量阻尼器的基本原理对于调谐质量阻尼器，事实上，对于频率的设计准则和动力吸振器基本一致。

唯一的区别在于，阻尼元件可能会使相位略微偏移。

所以，在设计调谐质量阻尼器时，为了补偿这个相位偏移，阻尼器的自然频率应该为：其中µ是阻尼器与振动结构的质量比。

技术改造浅析结构振动控制技术的原理和应用李维赞 谢 永（隔而固（青岛）振动控制有限公司，山东 青岛 266108）摘 要：当前建筑行业在振动控制技术方面还有很多问题有待进一步研究。

过去的抗振结构体系只通过提高结构本身的抗振性能来抵抗。

此方法影响有限，安全性较差。

因此，目前只有地震调整技术才能满足当前建设项目的需要，其发展前景和强大的经济效益日益突出。

关键词：结构振动；控制技术；原理；应用引言：近年来结构振动控制技术的应用日益广泛，结构振动控制技术的应用对象日益增多。

针对这一趋势，本研究介绍了常用的结构振动控制技术的原理，并对其优缺点进行了全面的说明；并简要介绍了相关应用。

1振动控制技术的必要性在中国，随着城市化进程的逐步加快，振动控制技术在建筑业中发挥着越来越大的作用。

第一，在建筑中应用防振技术，不仅可以有效地减少地震、水灾等自然灾害的破坏，还可以大大提高建筑的抗外部冲击能力。

第二，在建筑中应用防振控制技术可以有效地分配地震产生的能量。

近年来，国际建筑专家对这类结构监管的研究备受关注。

借助于结构本身和控制系统来承受荷载，结构处于不良状态，并能在发生大地震时保持球形的霍尔灵，有效地分配了地震带来的能量。

此外，该技术的工作原理和概念非常明确，适用于不同的建筑结构和不同程度的地震强度。

2被动控制2.1隔振技术所谓的减振，是指放置在建筑结构中有效地消耗地震能量的柔性连接，并通过设置这些柔性连接来降低地震能量。

此原则可控制建筑的变形，由于柔性连接可以起到"隔震"、"吸震"的作用，能够最大限度地减少地震产生的能量，保护建筑结构，并确保建筑结构的安全和稳定。

减轻地震对上部结构造成损坏的目的，而且建筑装修及室内设备也得到有效保护。

结构最常用的隔振技术是使用隔振支座来延长结构的自然振动周期，并避免土体的运动高峰时间，从而降低结构的地面运动能量。

此隔振方法减小了结构在地震荷载作用下的响应也存在一定的不足，仅适用于4层中低的剪力墙结构。

第22卷第324期2007年8月实　验　力　学J OU RNAL OF EXPERIM EN TAL M ECHANICSVol.22No.324Aug.2007文章编号:100124888(2007)03&0420429206磁流变弹性体自调谐式吸振器及其优化控制3王莲花,龚兴龙,邓华夏,倪正超,孔庆合(中国科学技术大学力学和机械工程系,中国科学院材料力学行为与设计重点实验室,安徽合肥230027)摘要:本文研制了一种基于磁流变弹性体的自调谐式吸振器,它利用磁流变弹性体这种新型智能材料作为吸振器的弹性元件和阻尼元件,通过外加磁场控制磁流变弹性体的剪切模量来改变吸振器的固有频率,实现吸振器的移频。

并将遗传算法改进移植到吸振器,对其进行优化控制。

实验结果表明,这种遗传算法具有全局搜索和快速收敛的特点,它能使吸振器快速找到吸振器减振效果最佳点,并且经过优化控制的磁流变弹性体自调谐式吸振器在移频范围内具有很好的减振效果,减振效果最高可达25dB。

关键词:磁流变弹性体;动力吸振器;振动控制;遗传算法中图分类号:O34;X593 文献标识码:A0　引言 动力吸振器自1911年问世以来[1],在实践中得到了广泛的应用。

它通过在需要减振的结构(称为主系统)上附加子结构,改变系统的振动能量的分布和传递特性,使振动能量转移到附加的子结构上,从而达到控制主系统振动的目的。

传统的动力吸振器多属被动控制,它对于主系统的窄带响应有着良好的吸振效果,但由于其吸振带宽不可调节,对于宽频激励引起的主系统的振动,吸振效果不是很理想。

近年来,对于主动吸振器的大量研究表明,主动吸振器可以根据主系统的振动状态,自动调节自身的结构参数或振动状态,实现宽频吸振,提高了吸振器减振效果,大大拓宽了吸振器的应用范围。

根据吸振器自动调节机理的不同,主动吸振器可分为全主动式吸振器和半主动式吸振器。

全主动式吸振器是根据主系统的振动状态反馈调节吸振器的振动状态,使其对主系统的动态作用力与主系统的振动加速度反相,从而实现主系统实时宽频振动控制。

动力吸振器原理
嘿，咱今天来聊聊动力吸振器原理哈。

就说我前几天骑车子吧，那车子骑起来老是嘎吱嘎吱响，可烦人了。

我就琢磨这是咋回事呀。

后来我一想，这不就跟动力吸振器原理有点像嘛。

你看哈，车子骑起来就相当于有个动力在那，而嘎吱嘎吱响就是有个不和谐的振动。

动力吸振器呢，就好像是个专门来对付这种不和谐振动的小能手。

它能把那个让人不舒服的振动给吸收掉或者转化掉，让整个系统变得平稳起来。

就像我那车子，如果能有个类似动力吸振器的东西在里面，是不是就不会嘎吱嘎吱响啦，我骑起来也能更顺溜呀。

总之呢，动力吸振器原理就是这么个神奇的玩意儿，能让那些让人头疼的振动变得乖乖的，让一切都更和谐呢。

我现在呀，就特别希望我那车子也能有个这样的“魔法”来拯救它的嘎吱嘎吱响，哈哈。

哎呀，说了这么多，其实就是想让大家更明白动力吸振器原理是咋回事，希望我这大白话讲得够清楚哈！。

2010年9月第24卷　第3期阴山学刊Y I N S H A NA C A D E M I CJ O U R N A L S e p .2010V o 1.24　N o .3结构动力学在建筑结构中的减震隔振应用李　建,张　燕(内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头014010) 摘　要:结构动力学在建筑结构设计中起着重要作用,本文针对结构动力学在建筑结构设计中的应用,分析结构动力学的特性,并对结构减震和隔振方法进行了简单阐述。

关键词:结构动力学;建筑结构设计;减震;隔振中图分类号:T U 311.3　文献标识码:A 文章编号:1004-1869(2010)03-0022-04 我国位于世界两大地震构造系的交汇区域,历史上就是地震多发的国家之一,地震给人民的人身安全和财产安全造成了极大的威胁,所以,我们必须在一定的经济条件下,最大限度地限制和减轻建筑结构物的地震破坏,保证人民生命财产安全。

1　建筑结构设计的保障位于设防烈度6度及6度以上地区的建筑都要按规定进行抗震设计,为实现抗震设防目标,建筑结构除了必须具有足够的承载力和刚度外,还应具有良好的延性。

所谓延性就是指结构或构件在应力或承载力没有明显降低时其维持塑性变形的能力,具有一定塑性变形能力的结构称为延性结构。

延性越好,结构的抗震能力也就越好。

合理选择了结构的屈服水准和延性要求后,就需要通过抗震措施来保证结构确实具有所需的延性能力,从而保证结构在中震、大震下实现抗震设防目标。

首先要达到“强柱弱梁”要求,即人为增大柱相对于梁的抗弯能力,使结构在大震下,梁端塑性铰出现较早,在达到最大非线性位移时塑性转动较大;而柱端塑性铰出现较晚,在达到最大非线性位移时塑性转动较小,甚至根本不出现塑性铰从而保证结构具有一个较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。

其次,要实现“强剪弱弯”,即剪切破坏基本上没有延性,一旦某部位发生剪切破坏,该部位就将彻底退出结构抗震能力,对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌,因此可以人为增大柱端、梁端、节点的组合剪力值,使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏。