基于磁流變液動力減振器的發動機隔振仿真與控制研究

蔡家明

摘要：提出了基于磁流變液動力減振器的發動機隔振振動模型，并結合實例對發動機整機隔振進行了仿真和控制分析研究。由仿真結果顯示，所構建的磁流變液動力減振器模型及控制方法能較好地改善發動機整機隔振性能。相比傳統動力減振器，磁流變液動力減振器及控制方法具有能根據發動機不同頻率的實際振動狀況，實時、精確地控制和改善發動機整機的寬頻振動特性。

Abstract： A vibration isolation model of engine based on magnetorheological dynamic absorber is proposed， and the vibration isolation of engine is simulated and controlled with an example. The simulation results show that the magnetorheological dynamic absorber of model can improve the vibration isolation performance of the engine. Compared with the traditional dynamic absorber， the magnetorheological dynamic absorber can control and improve the broadband vibration characteristics of the engine in real time and accurately according to the actual vibration conditions of different frequencies of the engine.

關鍵詞：磁流減振器;隔振;主動控制

Key words： magnetorheological absorber;vibration isolation;active control

中圖分類號：TB535 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）13-0126-03

0 ?引言

發動機在工作時所產生的振動，不僅會對周圍環境造成嚴重的噪聲滋擾，同時還極大地降低車輛乘坐舒適性。動力減振器通過其彈性和阻尼元件所產生的力與外界激勵力進行平衡，以達到降低發動機振動。由于發動機振動通常是多主頻、寬頻劇烈振動，采用固定參數的傳統動力減振器無法對其所有頻域振動進行減振。人工智能控制方法如模糊控制、神經網絡控制、自適應控制及最優控制等廣泛運用于發動機主動控制中[1-3]，能較好地改善了發動機寬頻振動。近年來運用的磁流變液減振器不僅可獲得連續可逆變化阻尼力，同時也具有能精確的實時控制以及低功耗、簡潔的機電結構特點，可較好地改善發動機寬頻振動特性[4-5]。本文基于所構建磁流變液動力減振器的發動機振動模型基礎上，對發動機整機隔振進行了仿真和控制分析研究。

1 ?磁流變液動力減振器的發動機隔振控制模型

將實際發動機與磁流變液動力減振器簡化為如圖1所示的2自由度振動系統，其中m1為發動機質量，m2為動力減振器質量，k1和c1分別為發動機懸置剛度和阻尼，k2和c2分別為已有動力減振器剛度和阻尼， fd為磁流變液動力減振器輸出的阻尼力，F0 sin？棕t為發動機激勵力。由圖示模型可建立該系統振動運動方程：

2 ?發動機隔振模型的激勵力確定

考慮到發動機在穩定工況下其外部平衡性能主要是由往復慣性力、離心慣性力和往復慣性力矩、離心慣性力慣性力矩對機座的作用。對于直立n缸發動機，其往復慣性合力P和往復慣性合成力矩M可表示為

上式中的kp為比例系數，ki和kd分別為積分系數和微分系數。若設置kp過大，雖能使加快系統響應，但會形成超調;而設置過小又會使系統響應緩慢，延遲調節時間。對于積分系數，ki增大會加快消除凈差，提高系統無差度，而增大kd能減少超調量，但會使降低其抑制干擾能力。實際控制時，只能根據系統響應狀況，通過反復對kp、ki和kd調試完成其整定。

4 ?實例仿真分析研究

運用以上發動機磁流動力減振器模型及控制方法，并由MATLAB軟件中的SIMULINK構建仿真模塊，對一個轉速為780～5800r/min轉速范圍的4缸汽油機整機振動進行控制。表1為該汽油發動機隔振模型的具體輸入參數。由圖1和表1的無磁流動力減振器系統的相關參數，經分析計算可知，該汽油機與傳統動力減振器組成的振動系統放大系數，在頻率為2.2Hz以及10.8Hz有較大的共振振幅，其共振轉速為132r/min以及648r/min。雖然這二者轉速不在汽油機實際轉速范圍，但在發動機怠速工況時仍有較大的振動。為進一步降低發動機系統振動，改善其運行狀況，對該發動機在整個轉速范圍內進行動態實時控制。

圖3、圖4分別為該汽油發動機在780r/min怠速工況和2400r/min轉速工況下的加速度仿真結果。由圖3的在發動機轉速為780r/min下，帶傳統動力減振器與磁流動力減振器加速度仿真響應對比分析圖可知，該汽油機在帶有傳統動力減振器時其最大正加速度響應達到3.6m/s2，負向加速度也達到3.3m/s2，而使用磁流動力減振器，發動機正加速度響應最大為1.62m/s2，負向加速度響應為1.66m/s2。圖4的發動機轉速為2400r/min時，也表現出類似的振動響應特性，說明磁流動力減振器相比于傳統動力減振器，能根據發動機不同頻率實際振動狀況，改變勵磁電流和勵磁磁強，實現對磁流變液動力減振器輸出阻尼力的精確控制，從而使發動機整機隔振響應有明顯的改善。

5 ?結論

基于所構建磁流變液動力減振器的發動機隔振模型和發動機激勵力分析基礎上，結合實例及運用MATLAB中SIMULINK所構建的仿真模型及控制方法，對發動機整機隔振控制進行了仿真分析研究，由仿真結果和分析可得出以下結論：①運用所提出的基于磁流變液動力減振器的發動機隔振模型及控制方法，能較好地對發動機整機振動響應進行有效隔振。②與基于傳統動力減振器的發動機整機隔振效果相比，所構建的磁流變液動力減振器模型及控制方法，能根據各頻率的發動機實際振動，實時精確地控制阻尼力，以改善發動機寬頻振動特性。

參考文獻：

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