高鑫,鄭鵬,拱超凡,趙路洋

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院, 北京 100081；2.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院,吉林長春 130022)

0 引言

隨著國內(nèi)汽車消費市場的日趨成熟，廣大消費者對于汽車的性能要求和期望指標(biāo)不斷提高。經(jīng)基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的車主駕駛體驗調(diào)查，在汽車起步時，特別是節(jié)氣門開度較大時車輛會發(fā)生明顯的整車前后竄動現(xiàn)象；在工況穩(wěn)定時，會產(chǎn)生轟鳴聲。由試驗測得，傳動系低頻率的大幅值扭振發(fā)生在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，高頻率的小幅值扭振出現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速區(qū)域[1]。低轉(zhuǎn)速時的扭振造成整車前后竄動，而高轉(zhuǎn)速時的扭振致使車內(nèi)產(chǎn)生轟鳴聲。

值得一提的是，嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)振動可能影響發(fā)動機(jī)正常工作，甚至導(dǎo)致發(fā)動機(jī)軸系的疲勞破壞，常在曲軸自由端加上與軸系相匹配的扭振減振器[2]，通過減振器來改變軸系的固有頻率，降低扭轉(zhuǎn)振動。由此，文中旨在探尋基于汽車復(fù)雜工況下的液壓式扭轉(zhuǎn)減振裝置的創(chuàng)新設(shè)計。

1 減振器模型

文中通過分析汽車傳動系扭振產(chǎn)生的原因、發(fā)生頻率和幅值分布情況[3]，結(jié)合液壓式減振結(jié)構(gòu)，探尋一種新結(jié)構(gòu)、新方法和新思路來解決汽車傳動系復(fù)雜扭振工況下的有效減振問題，進(jìn)一步應(yīng)用于汽車的傳動軸和其他動力傳動系統(tǒng)中的減振問題。所設(shè)計三維模型如圖1所示。

圖1 裝配圖主視局部剖視圖

所設(shè)計模型的慣性通道9與橡膠小液室8及限位槽的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其整體軸測圖如圖3所示。

圖2 圖1中A-A方向剖視圖與B-B方向剖視圖

圖3 裝配圖軸測圖

2 具體實施方式

一種多液室環(huán)狀液壓扭振減振器，包括：與左側(cè)發(fā)動機(jī)曲軸1軸端通過法蘭盤3連接的橡膠固定板4，與橡膠固定板4連接的左側(cè)橡膠液室5，與橡膠液室5另一端連接的殼體11，與殼體另一端連接的右側(cè)橡膠液室，與右側(cè)橡膠液室另一端連接的橡膠固定板，橡膠固定板通過法蘭盤與右側(cè)發(fā)動機(jī)曲軸軸端連接。左右兩側(cè)橡膠液室5與殼體11連接后的整體，相對殼體11軸向中心面呈鏡像對稱結(jié)構(gòu)。殼體11兩端與左右兩側(cè)橡膠液室5之間均設(shè)置有慣性通道9，殼體11內(nèi)設(shè)置有與對應(yīng)側(cè)的慣性通道9連通的兩塊橡膠膜6。橡膠液室5內(nèi)部以其回轉(zhuǎn)軸線為軸心，均布設(shè)置有多個橡膠小液室8，每個橡膠小液室8均與慣性通道9連通。橡膠固定板4、橡膠液室5、慣性通道9以及殼體11共旋轉(zhuǎn)軸線。橡膠小液室8與慣性通道9及橡膠膜6形成多個流體循環(huán)系統(tǒng)，通過液壓阻尼通道在有限的空間內(nèi)大大增加了扭振減振器可調(diào)節(jié)阻尼的最大范圍。橡膠液室和橡膠膜剖視圖如圖4和圖5所示。

圖4 橡膠液室剖視圖

圖5 橡膠膜剖視圖

橡膠固定板4為類圓環(huán)盤類結(jié)構(gòu)，橡膠固定板4上設(shè)置有與法蘭盤3螺栓通孔同軸線、同尺寸、同數(shù)量、且與橡膠液室5回轉(zhuǎn)軸線平行等距的均勻分布的螺紋孔。法蘭盤3和橡膠固定板4上的孔是完全對稱分布的，橡膠固定板4通過雙頭螺柱、螺母2固定在法蘭盤3上。

橡膠液室5與橡膠固定板4采用硫化工藝連接，橡膠液室5整體為橡膠填充結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部以回轉(zhuǎn)軸線為軸心，沿周向每隔120°挖去一部分葉片狀獨立空腔形成橡膠小液室8，每一個橡膠小液室8空間形狀類似于螺旋槳葉片，當(dāng)橡膠扭轉(zhuǎn)時可以更大面積來擠壓液體。固定在殼體11端部的慣性通道9上設(shè)有與橡膠小液室8形式相同的螺旋槳葉片狀通孔。

橡膠小液室8和橡膠膜6內(nèi)注滿液壓油，當(dāng)發(fā)動機(jī)曲軸1傳遞動力時，由于兩軸的瞬時速度不能保持同步，其產(chǎn)生的差速度會使橡膠液室5發(fā)生變形，橡膠固定板4帶動橡膠液室5扭轉(zhuǎn)，橡膠小液室8受到擠壓變形，液壓油從橡膠小液室8進(jìn)入到慣性通道9內(nèi)，每一個橡膠小液室8對應(yīng)連通一個慣性通道9通孔，流體在慣性通道內(nèi)受到阻尼作用進(jìn)入到橡膠膜內(nèi)。當(dāng)橡膠液室受到低頻、大振幅激勵時，液體將經(jīng)過慣性通道在橡膠小液室8與橡膠膜6形成的液室往復(fù)流動。當(dāng)液體流經(jīng)慣性通道時，由于慣性通道內(nèi)液柱的運(yùn)動產(chǎn)生較大的沿程能量損失和慣性通道出、入口處為克服液柱慣性而產(chǎn)生的局部能量損失，減振器將產(chǎn)生大阻尼效應(yīng)，使振動能量盡快耗散，從而達(dá)到衰減振動的目的。當(dāng)受到高頻小振幅激勵時，由于慣性通道9內(nèi)液柱的慣性很大，液體幾乎來不及流動，同時，由于橡膠膜在小變形時的低剛度特性，而使得慣性通道內(nèi)的液體隨著橡膠膜一起高速振動，從而降低高頻動剛度，消除動態(tài)硬化的效果。

減振器所用主要材料為橡膠，利用其常溫下高彈態(tài)的特性達(dá)到減振的設(shè)計目的[4]。兩側(cè)的橡膠膜6和橡膠固定板4之間主要為橡膠填充(橡膠液室5)。如圖9所示，殼體采用金屬材料或具有一定剛度的其他材料殼體，殼體11外圓周上均布開設(shè)3個通氣孔10，3個通氣孔位于外圓周軸向中部位置，當(dāng)受到高頻小振幅激勵橡膠膜憑借小變形的低剛度特性產(chǎn)生形變時，通過大氣壓力來平衡橡膠液室內(nèi)部液體壓力，以此來限制橡膠膜6產(chǎn)生過大形變而造成破壞。

橡膠固定板4與殼體之間連接有限位板7，殼體11外端中部開設(shè)限位槽，限位板7一端與限位槽連接，另一端連接在橡膠固定板4后端，限位板7為橡膠液室5中橡膠小液室8外的橡膠填充進(jìn)行扭轉(zhuǎn)時提供扭轉(zhuǎn)軌跡，同時限位槽的弧長對最大扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行了限制，防止扭轉(zhuǎn)角過大對裝置造成不可逆破壞。整個裝置設(shè)有兩塊限位板7呈一三象限對稱布置，即兩塊限位板7沿軸向?qū)ΨQ的同時沿徑向?qū)ΨQ分布，以此提高裝置整體強(qiáng)度、耐久度。

3 仿真分析

3.1 減振器的力學(xué)分析

選擇ANSYS Workbench的靜力強(qiáng)度分析模塊Static Structural與模態(tài)分析模塊Modal，設(shè)計界面如圖6所示。

圖6 力學(xué)分析模塊與模態(tài)分析模塊

對減振器的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，對其上的螺栓孔、倒角等細(xì)節(jié)簡化忽略，這些幾何特征對所設(shè)計減振器的力學(xué)特性影響較小[5]。導(dǎo)入該三維結(jié)構(gòu)模型如圖7所示。

圖7 減振器三維模型

對其進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。由于所設(shè)計減振器殼體積適中且最薄厚度為4 mm，綜合仿真準(zhǔn)確性與硬件條件，因此選擇網(wǎng)格尺寸大小為4 mm。有限元模型如圖8所示。

圖8 減振器有限元模型

網(wǎng)格劃分后進(jìn)行邊界條件加載，扭振減振器主要結(jié)構(gòu)部件承受扭矩，選擇加載扭矩模擬，分析其應(yīng)力應(yīng)變分布。邊界條件加載橋殼如圖9所示。

圖9 模型加載條件

應(yīng)變結(jié)果分布如圖10所示。結(jié)果表明，與法蘭盤相連的局部橡膠的相對變形較為明顯，且與另一側(cè)與法蘭盤相連的橡膠應(yīng)變情況呈對角分布，工作區(qū)平均應(yīng)變分布均勻，對稱性佳，應(yīng)變程度滿足指標(biāo)要求。

圖10 減振器位移云圖

應(yīng)力分布結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明減振器整體受應(yīng)力極小，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，工作條件極佳。

圖11 減振器等效應(yīng)力云圖

3.2 減振器的模態(tài)分析

在上文靜力學(xué)分析模塊所建立的減振器有限元模型的基礎(chǔ)上，對減振器進(jìn)行模態(tài)仿真，從而得出了所設(shè)計減振器模型的各階振型及其固有頻率，并且選取前六階的振動模型如圖12—17所示。

圖12 減振器一階模態(tài)振型圖

圖13 減振器二階模態(tài)振型圖

圖14 減振器三階模態(tài)振型圖

圖15 減振器四階模態(tài)振型圖

圖16 減振器五階模態(tài)振型圖

圖17 減振器六階模態(tài)振型圖

由模態(tài)分析圖12—17可以得到減振器在自由模態(tài)中的固有振動頻率及振型，如表1所示。

表1 前六階頻率及其振型

分析仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的六階振型最為明顯，以中部兩個慣性通道間的液室扭振為主，前三階頻值基本相同，五階、六階頻值基本相同，六階頻值最大，在減振器的振動過程中特別顯著。

3.3 減振振動分析

通過采用天棚算法分析對比(圖18)可知，扭振減振器相對于傳統(tǒng)減振器的簧載質(zhì)量加速度均方根值上有很大改善，具有減振時間迅速、減振效果好的特點，可以提高車輛的平順性[6]，證明了扭振減振器的有效性和可行性。

圖18 簧載質(zhì)量加速度指標(biāo)減振對比效果

4 結(jié)論

文中提出了一種可滿足傳動系減振的復(fù)雜工況下的要求，當(dāng)受到高頻小振幅激勵時，液體因為慣性幾乎來不及流動，利用橡膠膜低剛度特性使解釋通道內(nèi)的液體隨著橡膠膜一起高速振動，從而消除動態(tài)硬化。當(dāng)受到低頻大振幅激勵時，液體流經(jīng)慣性通道時，由于慣性通道內(nèi)產(chǎn)生較大的沿程能量損失和出、入口處為克服液柱慣性而產(chǎn)生的局部能量損失，減振器將產(chǎn)生大阻尼效應(yīng)，使振動能量盡快耗散，從而有效衰減振動。

所設(shè)計減振器整體受到的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，工作條件極佳。相對于傳統(tǒng)橡膠減振器減振效果有顯著的改善，證明多液室液壓環(huán)狀扭振減振器的可行性和有效性。

下一步通過實車實驗改變橡膠液室的個數(shù)、空間大小以及對應(yīng)的慣性通道口的寬度等參數(shù)調(diào)節(jié)阻尼液室內(nèi)部阻尼力的大小，優(yōu)化所設(shè)計結(jié)構(gòu)。