【文章內(nèi)容簡介】 尼式扭轉(zhuǎn)減振器。鋼圈 6 和10 由特氟龍材料制成，與它們相連接的兩個物體之間可以相互轉(zhuǎn)動。慣性環(huán) 9 為硅油減振器慣性環(huán)，它與由輪毅 17 和 8 之間組成的密封腔之間充滿硅油，硅油與慣性環(huán) 9 組成一級硅油阻尼式扭轉(zhuǎn)減振器。由于橡膠阻尼式扭轉(zhuǎn)減振器（由彈性阻尼元件和慣性元件組成）和硅油阻尼式扭轉(zhuǎn)減振器為并聯(lián)的型式。因此，圖 所示的曲軸減振器為兩級并聯(lián)硅油橡膠復(fù)合式扭轉(zhuǎn)減振器。 彎扭復(fù)合式減振器圖 彎扭復(fù)合式減振器圖 為彎扭復(fù)合式減振器的結(jié)構(gòu)圖。輪毅 4 為減振器與曲軸前端的連接件，輪毅 3 與輪毅 4 之間為緊配合，因此輪毅 3 可以視為輪毅 4 的一部分。帶輪 1 兼作慣性環(huán)，與橡膠件 2 一起組成一個扭轉(zhuǎn)減振器，慣性環(huán) 6 與橡膠件 5 組成彎曲減振器。1帶輪 5橡膠件 4輪轂 6彎曲慣性環(huán)3 扭轉(zhuǎn)減振器設(shè)計理論任何一個工業(yè)產(chǎn)品從其最初設(shè)計思想的提出到產(chǎn)品設(shè)計的具體實施，再到樣品的試制并進(jìn)行各種必要的測試試驗，直至產(chǎn)品最終定型，都是一個逐步深化深入的過程，扭振減振器的設(shè)計正是如此。我們己先將復(fù)雜的發(fā)動機(jī)曲軸軸系按一定的簡化原則 [10]轉(zhuǎn)化為利于我們研究的當(dāng)量系統(tǒng)，從力學(xué)的角度來看，在發(fā)動機(jī)軸系中加裝減振器，相當(dāng)于在原扭振系統(tǒng)中增加一些參數(shù)（慣量、剛度及阻尼）來改變系統(tǒng)的扭振特性，使改變前后兩個多質(zhì)量系統(tǒng)的扭振特性產(chǎn)生預(yù)定差異來達(dá)到減振目的。由于多自由度系統(tǒng)的扭振計算比較復(fù)雜，加入減振器后又會引進(jìn)一些新的因素，增加了原來的自由度，因而分析帶扭轉(zhuǎn)減振器的曲軸系統(tǒng)就更困難了。為了在設(shè)計減振器時能找到一個簡單的出發(fā)點，我們把原多自由度系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成比較簡單的系統(tǒng)，以此來初步的近似設(shè)計，計算出減振器的各個參數(shù)。通常的辦法是把系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)部分轉(zhuǎn)化成一個質(zhì)量，先在這個簡單的系統(tǒng)上加上減振器進(jìn)行扭振計算，并設(shè)計出基于該簡單系統(tǒng)的減振器的各項參數(shù)，然后將具有這些設(shè)計參數(shù)的減振器加到原多自由度系統(tǒng)上，再計算其扭振特性，以檢驗所設(shè)計的扭轉(zhuǎn)振動減振器。如果計算結(jié)果理想，就可按這些參數(shù)進(jìn)行減振器的樣品試制，如果計算結(jié)果不理想，就要適當(dāng)修改減振器的參數(shù)后重新進(jìn)行計算。最后我們要對所試制的減振器實物樣品及其與發(fā)動機(jī)的匹配進(jìn)行扭振測試，必要的時候?qū)ζ鋮?shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮笤龠M(jìn)行測試，測試達(dá)到較為理想的結(jié)果后才最終確定減振器的各個設(shè)計參數(shù)。為避免浪費(fèi)及節(jié)省后續(xù)的工作，所以前期設(shè)計工作中的參數(shù)確定顯得尤為重要 [11]。對于單級的扭轉(zhuǎn)減振器（具有一個慣性質(zhì)量） ，目前已有較為成熟的設(shè)計理論與計算方法，計算得到扭轉(zhuǎn)減振器的最優(yōu)質(zhì)量比（扭轉(zhuǎn)減振器的慣性質(zhì)量的轉(zhuǎn)動慣量與主振系的等效當(dāng)量扭轉(zhuǎn)減振器的比值） 、頻率比（扭轉(zhuǎn)減振器慣性質(zhì)量的固有頻率與主振系的固有頻率）和扭轉(zhuǎn)減振器的相對阻尼系數(shù)。然而，在汽車發(fā)動機(jī)曲軸系統(tǒng)中廣泛使的橡膠阻尼式扭轉(zhuǎn)減振器，其阻尼值偏小，達(dá)不到最優(yōu)設(shè)計阻尼的要求。硅油或硅油橡膠式阻尼減振器，可以提供較大的阻尼，從而滿足設(shè)計的最優(yōu)阻尼。但硅油或硅油橡膠式阻尼減振器制造工藝復(fù)雜，成本較高。與柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動相比較，轎車發(fā)動機(jī)曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動相對的較小，因而在轎車發(fā)動機(jī)的曲軸扭振系統(tǒng)中，一般只用橡膠阻尼扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)形式。隨著轎車發(fā)動機(jī)的輕量化設(shè)計和高功率化，普通的單級扭轉(zhuǎn)減振器的減振效果已經(jīng)滿足不了高功率、輕量化發(fā)動機(jī)的曲軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動控制的要求，目前在一些轎車發(fā)動機(jī)上已經(jīng)采用了多級扭轉(zhuǎn)減振器，即采用多級的動力吸振器。本章首先簡要介紹多級橡膠阻尼式扭轉(zhuǎn)減振器的力學(xué)模型，然后對其設(shè)計理論進(jìn)行研究，并提出了選取各級扭轉(zhuǎn)減振器設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化方法。 動力吸振器設(shè)計原理動力吸振器在大型建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、輪船和機(jī)床等振動工程領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，在汽車中主要用于控制動力傳動系扭轉(zhuǎn)振動。對于汽車動力吸振器這樣的扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)，可將原多自由度主振系統(tǒng)等效為對應(yīng)單自由度系統(tǒng) [12,13]。圖 主系統(tǒng)安裝動力吸振器模型假設(shè)等效為單自由度系統(tǒng)，且系統(tǒng)阻尼可忽略?？紤]圖 1 模型，列出系統(tǒng)運(yùn)動微分方程為： ()??????012122 21 ???xcxkxmfxck????式()中 m1 為主振系等效單自由度的質(zhì)量； k1 為主振系相應(yīng)的等效剛度；c 1 為動力吸振器阻尼；m 2 為動力吸振器質(zhì)量；k 2 為動力吸振器剛度；c 2 為動力吸振器阻尼；xx 2 分別為等效質(zhì)量和動力吸振器的位移響應(yīng)；f 為主振系的激振力。對式()進(jìn)行傅里葉變換或?qū)⒏髡穹鶐朐撌?，即?, ；并將iixj???ix2??頻率比 ( )和阻尼比 帶入上式，可得等效質(zhì)量位移響i???imk??iimkc2??應(yīng) x1 對激勵力 f 的動力傳遞函數(shù)為為： ()?????????2122212121K ??cjkcjkcjkjFX ?????????????傳遞率為： ()????????????????1010log2log2KFXXTst 多級扭轉(zhuǎn)減振器簡化模型在第 2 章中我們已經(jīng)介紹了目前國外發(fā)動機(jī)中應(yīng)用較多的若干復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式的汽車發(fā)動機(jī)曲軸減振器，這些曲軸減振器都由眾多不同的部分組成。在實際曲軸振動的理論研究過程中，我們將曲軸軸系合理簡化為便于研究的簡化模型，同樣的我們也需要將曲軸減振器的各個組成部分通過合理的轉(zhuǎn)化將其等效到研究的模型之中。下面我們將以第 2 章中介紹的幾個典型的多級扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)為例，介紹它的簡化模型，同時歸納出它的設(shè)計控制目標(biāo)，為下一步研究減振器的設(shè)計方法作鋪墊。 兩級并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器的簡化模型如圖 (a)為兩級并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)圖，(b)為與之對應(yīng)的簡化模型。帶輪 3和慣性環(huán) 4 組成慣性質(zhì)量，再與橡膠件 5(具有一定的剛度和阻尼)一起構(gòu)成一級減振器，然后與輪毅 6 連接；鋼圈 1 做慣性質(zhì)量，與橡膠件 2 共同構(gòu)成另外一級減振器后再和輪毅 6 連接。顯然，這兩級減振器都是彼此之間相互獨(dú)立，都是直接與輪轂相連達(dá)到載相連達(dá)到減振的目的。因此，圖 (a)所示的減振器結(jié)構(gòu)的簡化模型應(yīng)如圖 (b)所示。圖 兩級并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器 三級并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器的簡化模型圖 三級并聯(lián)型扭轉(zhuǎn)減振器如圖 (a)為三級并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)圖， (b)為與之對應(yīng)的簡化模型。帶輪5 單獨(dú)作為慣性質(zhì)量和橡膠件 6（具有一定的剛度和阻尼）一起構(gòu)成一級減振器，然后與輪毅 7 連接：帶輪 11 作為慣性質(zhì)量與橡膠件 10 共同構(gòu)成另外一級減振器后再和輪毅 7 連接，需要注意的是這級減振器與前面一級減振器是通過摩擦環(huán) 4 連接，該摩擦環(huán)為特氟隆材料制成，因此這兩級之間可以相對轉(zhuǎn)動；慣性環(huán) 2 直接起慣性質(zhì)量的作用與橡膠件 2 相連構(gòu)成第三級減振器后，再和輪毅 3 連接。與兩級并聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器類似，這三級減振器同樣是彼此之間相互獨(dú)立，都是直接與輪毅相連達(dá)到減振的目的，1 鋼圈 5 橡膠件（兼慣性環(huán)） 3帶輪 4慣性環(huán) 6輪轂 8摩擦環(huán)（由特氟龍材料制成）a) 結(jié)構(gòu)圖 b) 簡化模型b) 簡化模型a) 結(jié)構(gòu)圖1慣性環(huán) 10橡膠件 9 輪轂 4摩擦環(huán)（由特氟龍材料制成） 11帶輪（兼慣性環(huán)）a) 結(jié)構(gòu)圖 簡化模型因此圖 (a)所示的減振器結(jié)構(gòu)的簡化模型應(yīng)如圖 (b)所示。 兩級串聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器的簡化模型如圖 (a)為兩級串聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)圖， (b)為與之對應(yīng)的簡化模型。慣性環(huán) 3 作為慣性質(zhì)量與橡膠件 1(具有一定的剛度和阻尼)一起構(gòu)成一級減振器，然后與輪毅 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毅 7 連接，而是與第一級減振器相連，帶輪 5 與慣性環(huán) 2 之間是通過由特氟隆材料制成的摩擦環(huán) 6 連接的。顯然，如電學(xué)中的串聯(lián)電路，圖 (a)所示的減振器結(jié)構(gòu)的簡化模型應(yīng)如圖 (b)所示。圖 兩級串聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器以上所列出的幾種典型的扭轉(zhuǎn)減振器結(jié)構(gòu)，它們有以下幾個共同點：(1) 帶輪都作為其中一級減振器的慣性質(zhì)量，直接或間接的通過橡膠件與輪轂相連；(2) 都有另外一級減振器，它的慣性質(zhì)量不是帶輪，直接或間接的通過橡膠件與輪毅相連。 三級混聯(lián)式扭轉(zhuǎn)減振器傳遞率的計算無論對于單級的單級還是多級的動力吸振器，確定動力吸振器的最優(yōu)質(zhì)量比、頻率比和相對阻尼系數(shù)都是基于這樣一種思想：對主振系為單自由度的約束系統(tǒng)，若安a) 結(jié)構(gòu)圖 b) 簡化模型4 橡膠件 3 慣性環(huán) 5帶輪（兼慣性環(huán)） 6摩擦環(huán)（由特氟龍材料制成） 7輪轂裝 n 個動力吸振器，則主振系的振動具有(n+1)個峰值，動力吸振器最優(yōu)設(shè)計的目標(biāo)是使各個共振峰的高度等高且最小。對于單級的動力吸振器，當(dāng)每級吸振器質(zhì)量比確定以后，可以給出動力吸振器最優(yōu)頻率比和相對阻尼系數(shù)的解析計算公式。文獻(xiàn) [14]建立了兩級并聯(lián)式動力吸振器的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)兩個動力吸振器的質(zhì)量比相等時，文中給出了各個動力吸振器的最優(yōu)頻率比和最優(yōu)阻尼系數(shù)的解析計算公式。但在實際的了兩級動力吸振器中，兩個減振器的質(zhì)量比不一定相等，因而文獻(xiàn) [14]給出的計算公式具有一定的局限性。文獻(xiàn) [14]的研究表明：與單級的動力吸振器相比較，當(dāng)動力吸振器的頻率比和相對阻尼系數(shù)變化時，雙級動力吸振器對主振系的減振效果變化不大，而單級動力吸振器對主振系減振效果的變化則較大，這是多級的動力吸振器在工程中應(yīng)用較為廣泛的另外一個原因。上一節(jié)介紹了并聯(lián)和串聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)形式的多級扭轉(zhuǎn)減振器，在曲軸系統(tǒng)中采用多級的扭轉(zhuǎn)減振器后，雖然各級扭轉(zhuǎn)減振器的阻尼仍然由橡膠提供，但只要合理的設(shè)計每個扭轉(zhuǎn)減振器的質(zhì)量比、頻率比和阻尼比，可以達(dá)到較好的控制發(fā)動機(jī)曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動。在發(fā)動機(jī)曲軸系統(tǒng)中的扭轉(zhuǎn)減振器設(shè)計時，都是針對曲軸系統(tǒng)的單結(jié)點扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)附設(shè)扭轉(zhuǎn)減振器。首先將曲軸系統(tǒng)簡化為單自由度的等效模型 [10]。曲軸系統(tǒng)的一階扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)阻尼較小，各種文獻(xiàn)給出的數(shù)值為 ~ 或者更小。本文主要介紹發(fā)動機(jī)曲軸混聯(lián)扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計計算方法，以三級減振器為例，給出計算實例。根據(jù)上一節(jié)的簡化模型的思想，在串并聯(lián)模型的基礎(chǔ)上先畫出三級混聯(lián)扭轉(zhuǎn)減振器的簡化模型，三級混聯(lián)扭轉(zhuǎn)減振器按結(jié)構(gòu)類型分為如下兩種結(jié)構(gòu)形式：三級混聯(lián) A 型（圖 ）和三級混聯(lián) B 型（圖 ）（1）三級混聯(lián) A 型扭轉(zhuǎn)減振器的傳遞率圖 和圖 別為三級混聯(lián) A 扭轉(zhuǎn)減振器和三級混聯(lián) B 扭轉(zhuǎn)減振器的力學(xué)模型。C3K2C2K4C4K111K11C1K3f(t)X3X4 X1X2M1M2M3M4圖 三級混聯(lián) A 型扭轉(zhuǎn)減振器MC1 和 K1 分別為曲軸系統(tǒng)一階扭轉(zhuǎn)等效系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量、扭轉(zhuǎn)阻尼和扭轉(zhuǎn)剛度，Mi 、Ki 和 Ci；( i=，i1 為扭轉(zhuǎn)減振器中的級數(shù) )分別為多級扭轉(zhuǎn)減振器中各級扭轉(zhuǎn)減振器慣性質(zhì)量的轉(zhuǎn)動慣量、橡膠元件的扭轉(zhuǎn)剛度和扭轉(zhuǎn)阻尼；f （ t） 為作用在主振系中的外力。曲軸系統(tǒng)和各級慣性質(zhì)量的位移坐標(biāo)分別為 X XX和 X4，坐標(biāo)原點在各自的平衡位置，其運(yùn)動方程為 ()??????????0014144 23233 323232 41411111 ??????xcxkxmxcxk fxckck?? ?????對式（）進(jìn)行傅里葉變換或?qū)⒏髡穹鶐朐撌剑戳?, ,得復(fù)iixj??ix2??數(shù)方程 ()????????????00141442 23233 32332311241 41212112 ????? ???? ?????xcjxkxm xcjxkjfxcj kcjxkxcjk??并由此得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)， ()DCBAkfHa11其中，；??????42121421 cjmkA?????；33kcjB?；?????233233222 ?cjkcjmC ??????；????444cjkjkD??????把 A、B、C 、 D 公式變形得， ???????????????? ?????????????????????? ???????????????? ?????????????44242424 232332332223323 4412111 1111kjcmkjckD kjcjckmkjckjCjjcmk kjckjkj?? ???將頻率比 ( )和阻尼比 帶入上式，得i??i???iimk2??????????????4242424 2323233322323 44111 11???? ??????jkjkD jkjckCjjB jkkA???? ?????主動吸振器傳遞率(dB) ()????????????????1010log2log2KFXXTsta（2）三級混聯(lián) B 型扭轉(zhuǎn)減振器傳遞率的計算K3C3K111K4C4K111K2C2K111K11C1K111f(t)X3 X2X3 X1M1M2M3M4圖 三級混聯(lián) B 型扭轉(zhuǎn)減振器MC1 和 K1 分別為曲軸系統(tǒng)一階扭轉(zhuǎn)等效系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量、扭轉(zhuǎn)阻尼和扭轉(zhuǎn)剛度，Mi 、Ki 和 Ci；（i=，i1 為扭轉(zhuǎn)減振器中的級數(shù)）分別為多級扭轉(zhuǎn)減振器中各級扭轉(zhuǎn)減振器慣性質(zhì)量的轉(zhuǎn)動慣量、橡膠元件的扭轉(zhuǎn)剛度和扭轉(zhuǎn)阻尼；f （ t） 為作用在主振系中的外力。曲軸系統(tǒng)和各級慣性質(zhì)量的位移坐標(biāo)分別為 X XX和 X4，坐標(biāo)原點在各自的平衡位置，其運(yùn)動