下载文档原格式
机械振动控制的理论与应用机械振动控制是一门针对机械系统中振动现象进行控制的学问。
机械部件的振动是由于外力作用或自身固有特性引起的，而这些振动不仅会导致工作效率下降，还会对机械部件的寿命造成影响甚至产生寿命断裂。
因此，对于保证机械部件的正常运转，降低能源损失和维护成本，机械振动控制的理论和应用具有极为重要的意义。
机械振动的分类机械振动在工程实践中可以分为自由振动、强迫振动和共振振动三种类型。
自由振动是指机械系统在没有外力作用下，受到初始位移或初始速度的驱动，根据机械部件的固有特性产生的振动现象。
例如，我们可以将一根弹簧挂起，然后将其下端给予位置或速度的初始变动，可以观察到弹簧在不受外力的作用下自发产生的振动。
强制振动是指受到外力作用下的机械系统振动。
例如，可以将弹簧挂在木板上，并不断给予弹簧一个频率相同、振幅固定的外力作用，可以观察到弹簧振幅会在振动中逐渐呈现一个稳定的值。
共振振动是指外力的作用频率与机械部件的固有特性产生共振的振动现象。
例如，我们可以将机械系统的固有频率匹配到一个频率相对应的外力，可以观察到机件的振幅会剧烈增加，这种现象就叫共振。
机械振动控制的方法振动控制的方法可以分为主动振动控制和被动振动控制两类。
主动振动控制是指通过主动力或控制力的作用，改变系统的振动状态来控制机械振动。
这种控制方法需要采用控制器来对振动信号进行分析和控制处理，通过对控制器输出控制信号，对机械系统的振动状态进行主动控制，从而达到稳态或稳定变化的目的。
例如，在振动控制系统中增加主动阻尼器或作用力，通过调节阻尼力或作用力大小与方向，来抵消原有振动从而达到控制振动的效果。
被动振动控制是指通过机械部件或材料的改变来控制机械振动。
这种控制方法不需要控制器等外部力量的介入，而是通过改变机械系统的物理性质或结构来降低机械振动。
例如，在电机叶轮上增加凸缘来消除流体力学振动。
振动控制的方法还可以根据机械振动类型、控制器种类、控制策略等来进行分类。
旋转机械振动与故障诊断研究综述1．前言工业生产离不开回转机械，随着装置规模不断扩大，越来越多的高速回转机械应用于工业生产，诸如高速离心压缩机、汽轮机发电机组。
动态失稳造成的重大恶性事故屡见不鲜。
急剧上升的振动可在几十秒之内造成机组解体,甚至祸及厂房，造成巨大的经济损失和人员伤亡。
此外，机械振动可能降低设备机械性能，加速机械零部件的磨损，发出的噪声损害操作者的健康。
但是振动也能合理运用，如工业上常用的振动筛、振动破碎等都是振动的有效利用。
工程技术人员必须认真对待机械振动问题，当机组产生有害的振动时，及时分析原因，坚持用合理的振动测试标准，采取科学的防治措施。
2．旋转机械振动标准●旋转机械分类：Ⅰ类：为固定的小机器或固定在整机上的小电机，功率小于15KW。
Ⅱ类：为没有专用基础的中型机器，功率为15~75KW。
刚性安装在专用基础上功率小于300KW的机器。
Ⅲ类：为刚性或重型基础上的大型旋转机械，如透平发电机组。
Ⅳ类：为轻型结构基础上的大型旋转机械，如透平发电机组。
●机械振动评价等级：好：振动在良好限值以下，认为振动状态良好。
满意：振动在良好限值和报警值之间，认为机组振动状态是可接受的（合格），可长期运行。
不满意：振动在报警限值和停机限值之间，机组可短期运行，但必须加强监测并采取措施。
不允许：振动超过停机限值，应立即停机。
3．振动产生的原因旋转机械振动的产生主要有以下四个方面原因，转子不平衡，共振，转子不对中和机械故障。
4．旋转机械振动故障诊断4.1转子不平衡振动的故障特征当发生不平衡振动时，其故障特征主要表现在如下方面：1 ）不平衡故障主要引起转子或轴承径向振动，在转子径向测点上得到的频谱图, 转速频率成分具有突出的峰值。
2 ）单纯的不平衡振动，转速频率的高次谐波幅值很低，因此在时域上的波形是一个正弦波。
3 ）转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，振幅将明显下降。
4 ）转子的轴心轨迹基本上为一个圆或椭圆，这意味着置于转轴同一截面上相互垂直的两个探头，其信号相位差接近90°。
机械工程中振动分析的理论和应用研究在机械工程中，振动是一个非常重要的问题，它涉及到机械系统的稳定性、有效性和寿命。
因此，振动分析是机械工程师必须掌握的技能之一。
本文将探讨机械工程中振动分析的理论和应用研究。
一、振动分析的基本概念在机械工程中，振动是指物体在某一方向上周期性地往返或旋转运动。
机械系统中振动的原因主要有三种：激励、固有振动和非线性振动。
激励振动是由外部力引起的振动，例如机械系统中的震动、地震等；固有振动是由系统本身固有的本征频率引起的振动，例如琴弦的自然振动；非线性振动是由于系统的非线性特性而引起的振动，例如摩擦、结构变形等。
振动分析主要研究机械系统在振动状态下的特性和规律，主要包括振动的幅值、频率、周期、周期次数、相位等参数。
这些参数可以通过实验测量、数值模拟等手段来获取。
二、振动分析的理论方法1.有限元方法有限元法是一种计算机数值模拟方法，广泛应用于机械系统振动分析领域。
该方法将复杂的结构分割成许多小的单元，每个单元都可以用简单的数学模型来描述。
然后通过求解每个单元的振动参数，最终计算出整个结构的振动响应。
有限元法可以处理复杂的结构和非线性问题，具有广泛的应用范围。
2.模态分析法模态分析法也是一种常用的振动分析方法。
它通过求解机械系统的固有频率和振型来描述系统的振动特性。
其中，固有频率是机械系统在不受外界干扰时的自由振动频率；振型是机械系统在固有频率下的振动形式。
模态分析法可以帮助机械工程师识别系统中的关键模态，从而优化设计，提高系统的稳定性和性能。
3.频响分析法频响分析法是一种用来描述机械系统在不同频率下的响应特性的方法。
它通过测量机械系统对激励信号的响应，来确定系统的传递函数，从而预测系统在不同频率下的响应。
频响分析法可以帮助机械工程师找出系统的共振点，从而改进设计，减少系统的振动幅值和噪声。
三、振动分析在机械工程中的应用振动分析在机械工程中具有广泛的应用。
以下列举几个具体的例子：1.机械零件的寿命评估在机械系统中，一些繁重的工况下可能会引起结构零件的疲劳破坏。
机械振动的理论与应用机械振动是指机械系统在受到外部激励或系统内部某种力的作用下，发生自由或强迫振动的现象。
它是在机械制造、运动控制、结构分析、信号处理、机械故障诊断和振动控制等领域得到广泛应用的重要基础理论。
本文将探讨机械振动的理论与应用，并举例说明其在实际中的应用。
一、机械振动的基本理论机械振动的基本理论包括振动信号的特征、振动系统的描述与分析方法和振动控制的原理等方面。
其中，振动信号的特征指振动信号中包含的振动频率、振幅和相位等特性；振动系统的描述与分析方法主要涉及到质点运动学、动力学和能量守恒原理等；振动控制的原理则是指控制理论中的反馈控制、前馈控制和模糊控制等。
在实际应用中，机械振动的分析和控制都要基于振动系统的模型。
根据振动系统的特点，通常可以将其分为单自由度振动系统和多自由度振动系统两类。
其中，单自由度振动系统是指系统中只有一个自由度方向运动的情况；而多自由度振动系统则是指系统中包含多个自由度运动的情况。
二、机械振动在实际中的应用1.机械制造在机械制造中，机械振动可用于检测机构的不平衡状况、机轴的转子平衡状况、齿轮齿形误差以及机床等制造设备的精度等方面。
例如，通过检测振动信号的频率和振幅来诊断机器设备的运转状态，进而预测其故障情况和损坏的时间，以便及时进行维修和更换。
2.运动控制在运动控制中，机械振动可用于控制机器设备的姿态、位置、速度和加速度等参数。
例如，在航空航天领域中，机械振动可用于控制飞行器的姿态和方向稳定，从而保证其飞行安全和稳定性。
3.结构分析在结构分析中，机械振动可用于评估结构物的稳定性和安全性。
例如，在建筑结构领域中，机械振动可用于评估建筑物的抗震性能，从而为其设计提供依据。
4.信号处理在信号处理中，机械振动可用于处理振动信号的频谱、功率谱、自相关函数和互相关函数等特征参数。
例如，在音乐合成领域中，机械振动可用于模拟和合成各种音效和乐器的声音。
5.机械故障诊断在机械故障诊断中，机械振动可用于检测机器设备的磨损、松动、故障和损坏。
机车传动轴振动分析与仿真优化Vibration Analysis of Commercial VehicleDriveline摘要：机车传动轴的振动及噪声直接影响了整车传动的平稳性与乘坐的舒适性，甚至影响到整车的可靠性。
作为商用车制造厂，必须对传动轴的振动情况进行研究并对传动轴系进行合理的布置与设计，从根本上控制产生振动与噪声的因素。
为了尽快解决某车型传动系振动带来的汽车传动轴中间支承横梁开裂的问题，本文应用了国内外的一些研究成果，从理论和试验两方面分析了某重型机车传动系振动的原因和机理，提出解决措施，并对传动系进行了优化设计。
同时，本文还从系统论的观点出发，对传动系振动问题寻求最优解决方案。
关键词：传动轴系振动分析仿真优化Abstract：The NVH of commercial-vehicle driveline directly affects easiness andsafety of the whole vehicle.In order to reduce the vibration and noise,it isnecessary for the vehicle manufacture to research the NVH of driveline and tocarry out rational layout and design to the driveline which is the fundamentalways of all.In this paper,some research results of the domestic and foreign havebeen applied to analyze the vibration of driveline theoretically andexperimentally.Furthermore,the vehicle chassis intermediate mounting crossmember abruption problem due to the vibration of driveline has been resolvedby optimizing the driveline layout.Based on system theory,this thesis givesout the optimal solution to the driveline vibration. Keywords: Vehicle Drive line；Vibration Analysis；Optimization第一章引言1.1课题背景和实际意义机车是一个复杂的多自由度“质量—刚度—阻尼”振动系统，是由多个具有固有振动特性的子系统组成，如车身的垂直振动、纵向角振动和侧倾振动、发动机曲轴的扭转振动、传动系统的振动等。
机械振动的物理学原理与实际应用引言：机械振动是物体在受到外力作用下产生的周期性运动，它广泛应用于各个领域，如工程、物理学、生物学等。
在本文中，我们将探讨机械振动的物理学原理以及其在实际应用中的重要性。
一、机械振动的物理学原理机械振动的物理学原理可以通过谐振子模型来解释。
谐振子是一个理想化的模型，它由一个质点和一个弹簧组成。
当质点受到外力作用时，它会沿着弹簧的方向发生振动。
振动的频率和振幅取决于弹簧的劲度系数和质点的质量。
当外力的频率等于谐振频率时，振幅达到最大值，这种现象称为共振。
在实际应用中，机械振动的物理学原理可以用于设计和优化各种机械系统。
例如，在建筑工程中，通过对建筑物的振动特性进行分析，可以有效地预防地震等自然灾害对建筑物的破坏。
在航空航天领域，机械振动的物理学原理被广泛应用于飞机和火箭的设计中，以确保它们在高速飞行时的稳定性和安全性。
二、机械振动的实际应用1. 振动传感器振动传感器是一种可以测量物体振动状态的装置。
它通常由加速度传感器和信号处理器组成。
振动传感器广泛应用于机械设备的故障诊断和预测维护中。
通过监测设备的振动情况，可以及时发现并修复潜在的故障，从而提高设备的可靠性和寿命。
2. 震动台震动台是一种用于模拟地震和其他振动环境的设备。
它通常由电机、控制系统和振动台面组成。
震动台广泛应用于地震工程、航天航空等领域的研究和测试中。
通过在实验室中模拟真实的振动环境，可以评估和改进各种设备和结构的抗震性能。
3. 振动吸收器振动吸收器是一种用于减少机械系统振动的装置。
它通常由质量块和弹簧组成。
振动吸收器广泛应用于汽车、船舶等交通工具的悬挂系统中。
通过选择合适的质量块和弹簧参数，可以有效地减少车辆在行驶过程中的颠簸和震动，提高乘坐舒适性和操控性。
结论：机械振动作为一种重要的物理现象，在实际应用中发挥着重要的作用。
通过深入理解机械振动的物理学原理，我们可以设计和优化各种机械系统，提高设备的可靠性和性能。
机车传动轴振动分析与仿真优化Vibration Analysis of Commercial VehicleDriveline摘要:机车传动轴的振动及噪声直接影响了整车传动的平稳性与乘坐的舒适性,甚至影响到整车的可靠性。
作为商用车制造厂,必须对传动轴的振动情况进行研究并对传动轴系进行合理的布置与设计,从根本上控制产生振动与噪声的因素。
为了尽快解决某车型传动系振动带来的汽车传动轴中间支承横梁开裂的问题,本文应用了国内外的一些研究成果,从理论和试验两方面分析了某重型机车传动系振动的原因和机理,提出解决措施,并对传动系进行了优化设计。
同时,本文还从系统论的观点出发,对传动系振动问题寻求最优解决方案。
关键词:传动轴系振动分析仿真优化Abstract:The NVH of commercial-vehicle driveline directly affects easiness andsafety of the whole vehicle.In order to reduce the vibration and noise,it isnecessary for the vehicle manufacture to research the NVH of driveline and tocarry out rational layout and design to the driveline which is the fundamentalways of all.In this paper,some research results of the domestic and foreign havebeen applied to analyze the vibration of driveline theoretically andexperimentally.Furthermore,the vehicle chassis intermediate mounting crossmember abruption problem due to the vibration of driveline has been resolvedby optimizing the driveline layout.Based on system theory,this thesis givesout the optimal solution to the driveline vibration. Keywords: Vehicle Drive line;Vibration Analysis;Optimization第一章引言1.1课题背景和实际意义机车是一个复杂的多自由度“质量—刚度—阻尼”振动系统,是由多个具有固有振动特性的子系统组成,如车身的垂直振动、纵向角振动和侧倾振动、发动机曲轴的扭转振动、传动系统的振动等。
这些不同形式的振动及其耦合,是影响汽车行驶平顺性、舒适性的主要原因,要改善汽车的整体性能,就必须对汽车的各个系统的振动特性进行深入研究。
车辆动力传动系的振动可分为弯曲振动和扭转振动,二者不仅有各自的振动特性,而且还存在一定程度的振动耦合,对车辆行驶平顺性、乘坐舒适性及动力传动系零部件使用寿命有着重要影响,因此对车辆动力传动系的整体振动进行深入细致的研究十分必要。
作为汽车传动系统的主要部件,传动轴在汽车行使过程中起着传递运动及转矩的作用。
由于传动轴结构本身的运动学、动力学特点,不可避免地存在振动现象。
传动轴的振动有许多危害,首先会产生噪声,影响汽车舒适性;其次会降低传动效率,产生配合松动,甚至使元件断裂,从而导致事故的发生。
传动轴振动的激励源主要是发动机,当量夹角过大、传动轴自身的不平衡、止口跳动量以及任何形式的旋转不平衡也会引起传动轴的振动。
合理地设计汽车传动轴系对解决汽车的振动和噪声问题是十分重要的,特别是我国汽车工业与发达国家差距还很大,随着我国道路条件的改善和车速的提高,汽车的振动、噪声问题将会越来越突出,是提高产品质量和竞争能力所必须解决的问题。
1.2动力传动系弯曲振动的研究动力传动系的基本功用是产生和传递动力。
在传递动力的同时,当激励频率与动力传动系固有频率相同或相近时,整个系统将发生弯曲共振,称之为动力传动系的弯曲振动。
动力传动系弯曲振动在很宽频率范围内对车辆振动和噪声有着重要影响,动力传动系低频段内的弹性振动将会引起车辆结构共振和声学共振。
近年来,随着对乘坐舒适性和汽车振动要求的提高,对动力传动系弯曲振动特性的进一步研究已显得十分迫切。
弯曲振动的激励主要为发动机的一、二阶转速、传动轴自身的不平衡、止口跳动量等任何形式的旋转不平衡和不同轴度也是引起弯曲振动的原因。
旋转不平衡和不同轴度可以通过提高加工精度来减小和消除,但弯曲振动的主要激励是客观存在的。
因此,只能通过频率协调的方法,通过调整系统的固有频率,来避免系统的固有频率与激励频率相同或相近,达到减小和消除动力传动系弯曲振动的目的。
1.3 动力传动系弯曲振动的研究动力传动系的基本功用是产生和传递动力。
在传递动力的同时,当激励频率与动力传动系固有频率相同或相近时,整个系统将发生弯曲共振,称之为动力传动系的弯曲振动。
动力传动系弯曲振动在很宽频率范围内对车辆振动和噪声有着重要影响,动力传动系低频段内的弹性振动将会引起车辆结构共振和声学共振。
近年来,随着对乘坐舒适性和汽车振动要求的提高,对动力传动系弯曲振动特性的进一步研究已显得十分迫切。
弯曲振动的激励主要为发动机的一、二阶转速、传动轴自身的不平衡、止口跳动量等任何形式的旋转不平衡和不同轴度也是引起弯曲振动的原因。
旋转不平衡和不同轴度可以通过提高加工精度来减小和消除,但弯曲振动的主要激励是客观存在的。
因此,只能通过频率协调的方法,通过调整系统的固有频率,来避免系统的固有频率与激励频率相同或相近,达到减小和消除动力传动系弯曲振动的目的。
国内外在此方面进行了大量试验研究和理论研究。
国外对动力传动系弯曲振动的研究起步较早,在理论研究方面取得一定进展,试验研究也较为成熟。
建立由离散的集中质量、弹簧、阻尼器组成的力学模型是对动力传动系弯曲振动特性进行研究分析的一种行之有效的方法。
模态综合法是对动力传动系弯曲振动进行分析的有效方法,其基本思想是将动力传动系分为若干个子系统,在完成对各子系统的模态分析后,建立自由模态的综合方程,再利用平衡条件和约束条件将自由度简化,最后获得一个自由度大为缩减又保持了系统特性的运动方程,即组合系统方程。
应用模态综合法,只需获得动力传动系各个子系统的模态参数,就可以通过计算分析给出整个动力传动系的模态参数,但各个子系统的模态参数还需要通过计算或模态试验获得。
动力传动系扭振特性的试验研究,目前主要采用路试法和转鼓试验法。
路试法是利用负荷拖车或使车辆在坡道上挂上某档缓慢加速到该档的最高车速,通过处理所记录的动力传动系特定轴段的扭矩信号,利用共振原理来识别动力传动系在该档的扭转固有频率。
路试法虽可在真实使用条件下测定动力传动系的扭振特性,但如无负荷拖车,则因发动机负荷较小,激振力矩较弱,动力传动系的扭振响应微弱,不易分析出明显的共振工况。
动力传动系扭转特性的转鼓试验法,是在转鼓试验台上进行动力传动系扭振特性试验,由于加减负荷等试验条件容易控制,因此可以方便地测定不同档位、转速下对应不同强度的稳态响应,较为准确地识别出系统的固有频率。
转鼓试验法的缺点在于,转鼓试验台的固有频率在动力传动系一阶固有频率附近时,会扩大低频区的激振范围,这对研究车轮不平衡对动力传动系扭振的影响是不利的。
第二章十字轴万向节传动十字轴万向节传动以其成本低、可靠性高的特点在商用车上得到普遍应用,但由于它是不等速万向节,在万向节当量夹角不为零的情况下,输出轴的转速总是波动;作用在万向节叉平面内的附加弯矩也是波动的,且可在支承上引起波动的径向力。
2.1 万向节2.1.1万向节的功用万向节传动用于不同轴的两轴间甚至在工作过程中相对位置不断变化的两轴之间传递扭矩。
它要求能适应转速变化、轴间存在夹角且夹角发生变化、连接长度发生变化的各种工况。
汽车万向节分为普通十字轴万向节、等速万向节、挠性万向节等。
普通十字轴万向节具有结构简单、制造成本低、可靠性高等优点。
基于成本和可靠性考虑,一般商用车都采用普通十字轴万向节传动。
动力传动系的布置形式取决于汽车类型、使用条件及要求、发动机与传动系的结构形式及生产条件等。
对于商用车,国内外一般都采用传统的FR式,即发动机前置、后轮驱动的布置形式,变速器与主减速器之间采用多万向节传动轴传递动力。
通常,商用车变速器和主减速器间距离较远,传动轴的布置形式如图2.1所示,它由万向节、传动轴、中间支承及伸缩花键等组成。
图2.1 万向传动在车上的布置方式传动轴的任务是传递扭矩,在传动轴横断面上,传动轴管的扭转应力为: 4416(DT D d τπ=- (2.1 式中:T -传动轴计算转矩(Nm即扭转应力的分布是外圆最大,芯部逐渐减小至0,因此实心传动轴的材料得不到充分利用。
传递相同扭矩,采用空心轴可以节省材料,减轻重量,并可获得较大刚度。
因此,商用车传动轴一般由壁厚均匀壁薄、管径较大、扭转强度高、弯曲刚度大、适于高速旋转的低碳钢板卷制的电焊钢管制成。
传动轴转速较高,所以对其平衡度要求也较高。
尽管如此,一定直径和长度的轴,转速提高到某一限度时,仍会因剧烈振动而损坏,此损坏转速称为传动轴的危险转速或临界转速。
单根传动轴的结构形式见图2.2。
图2.2 单根传动轴2.1.2 中间支承结构分析在长轴距汽车上,为了提高传动轴临界转速、避免共振,以及考虑整车总体布置上的需要,常将传动轴分段。
有时,为了提高传动系的弯曲刚度、改善传动系弯曲振动特性、减小振动和噪声,也将传动轴分成两段。
当传动轴分段时,需加设中间支承。
商用车的中间支承通常安装在传动轴横梁上,以补偿传动轴轴向和角度方向的安装误差,以及车辆行驶过程中由于发动机窜动或车架等变形所引起的位移,而其轴承应不受或少受由此产生的附加载荷。
目前广泛采用的橡胶弹性中间支承,其结构中采用单列滚珠轴承。
橡胶弹性元件能吸收传动轴的振动、降低噪声。
这种弹性中间支承不能传递轴向力,它主要承受传动轴不平衡、偏心等因素引起的径向力,以及万向节上的附加弯矩所引起的径向力。
当这些周期性变化的作用力的频率等于弹性中间支承的固有频率时,便发生共振。
2.2传动轴的动力学分析2.2.1单十字轴万向节的运动学分析商用车一般均采用普通十字轴万向节。
当十字轴万向节的主动轴与从动轴存在一定夹角α时,主动轴的角速度1ω与从动轴的角速度2ω之间存在如下关系:12221cos 1sin cos ωαωαϕ=- (2.2 式中,1ϕ为主动轴转角,定义为万向节主动叉所在平面与万向节主、从动轴所在平面的夹角。
