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發(fā)動機(jī)主動控制原理與應(yīng)用
2021-12-22 22:14:48· 來源：汽車科技
摘要：發(fā)動機(jī)主動控制懸置是解決提高環(huán)保性能、減低燃耗要求與降低汽車振動噪聲，滿足發(fā)動機(jī)高水平振動控制的要求之間沖突的重要途徑。本文主要就發(fā)動機(jī)主動控制
摘要：發(fā)動機(jī)主動控制懸置是解決提高環(huán)保性能、減低燃耗要求與降低汽車振動噪聲，滿足發(fā)動機(jī)高水平振動控制的要求之間沖突的重要途徑。本文主要就發(fā)動機(jī)主動控制的基本理論依據(jù)以及常用的主動控制懸置技術(shù)進(jìn)行論述，并指出發(fā)動機(jī)主動控制懸置是未來發(fā)動機(jī)懸置的主要研究方向。
關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)；主動控制；懸置
輕量化車身、稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)怠速時缺缸點(diǎn)火等先進(jìn)技術(shù)從一定程度上解決了日益嚴(yán)格的車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境排放的問題,但在滿足提高環(huán)保性能、降低燃耗的同時也直接或間接地與降低汽車振動噪聲的要求產(chǎn)生了沖突,在很大程度上惡化了車輛振動特性,嚴(yán)重影響了車輛的乘坐舒適性。大量理論研究和實(shí)驗(yàn)表明,發(fā)動機(jī)的振動噪聲已成為車內(nèi)振動噪聲的主要成份,其特點(diǎn)是多振源、寬頻帶、形態(tài)復(fù)雜。降低發(fā)動機(jī)振動的傳遞是解決這一矛盾最有效的辦法。車輛的振動和噪聲控制逐漸成為汽車設(shè)計(jì)人員需要解決的首要問題,因而對隔離發(fā)動機(jī)的振動噪聲向車內(nèi)傳遞的關(guān)鍵部件——發(fā)動機(jī)懸架(支承)的設(shè)計(jì)要求也越來越高。主動控制是滿足發(fā)動機(jī)高水平振動控制的重要研究方向,成為減少車內(nèi)的振動和噪聲以及減少汽車噪聲對環(huán)境的污染的重要項(xiàng)目.
1主動控制懸置的基本理論依據(jù)
往復(fù)活塞內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,氣缸工作不連續(xù),往復(fù)慣性力和氣體作用力都具有寬頻帶周期激勵特性,而且內(nèi)燃機(jī)振動具有激勵源多、頻帶寬的特點(diǎn),按振動形式分為整機(jī)激勵、軸系激勵和結(jié)構(gòu)激勵類型。另外內(nèi)燃機(jī)中還有許多板殼類結(jié)構(gòu)和懸臂安裝部件,這些結(jié)構(gòu)固定安裝在內(nèi)燃杯的外部承載結(jié)構(gòu)上,工作中受到機(jī)構(gòu)振動的激勵,當(dāng)激勵頻率與這些零件的固有頻率一致時,產(chǎn)生局部共振,增大內(nèi)燃機(jī)的噪聲水平。這些振動會損壞設(shè)備的性能,降低可靠性和使用壽命;對環(huán)境造成噪聲污染,破壞其他設(shè)備的工作,惡化操作人員的工作條件,降低工作效率,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的總體性能。
發(fā)動機(jī)振動的控制方法很多,但隨著對車輛舒適性及降噪要求的提高,振動主動控制成為主要研究方向。主動控制又稱有源控制,是利用外界供給的能量作為控制振動或抵消振動影響的重要手段,主動控制技術(shù)是振動理論與控制論的結(jié)合,以計(jì)算機(jī)、測試技術(shù)等為手段實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)振動主動控制的。
評價發(fā)動機(jī)隔振裝置的隔振效果的參數(shù)主要使用力傳遞效率,即隔振裝置傳給基礎(chǔ)的傳遞力幅值FT與傳給隔振裝置的力F0的比值TA,如公式(1)
式中：ξ為相對阻尼系數(shù)；ξ=c/cn,cn為臨界的粘性阻尼系數(shù)，cc=2mωn;ω為激勵頻率，rad/s;ωn為系統(tǒng)的固有頻率，
從公式（1）可以看出，力傳遞效率是頻率比及相對阻尼系數(shù)的函數(shù)，其曲線見圖1
分析力傳遞效率曲線可得出如下結(jié)論:當(dāng)ω/ωn<
,隨著阻尼系數(shù)的增大,力傳遞效率TF下降; ω/ωn≥√2,隨著阻尼系數(shù)的增大,力傳遞效率TA增大。因此,可以通過主動改變阻尼系數(shù)的大小來控制力傳遞效率TA,從而為主動控制懸置提供了理論依據(jù)。
2 主動控制懸置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與發(fā)展過程
主動懸置通過作動器直接產(chǎn)生動態(tài)力以抵消發(fā)動機(jī)傳遞到車身和由于路面不平度傳遞到發(fā)動機(jī)的振動力,理論上可使振動響應(yīng)達(dá)到零,從而獲得最佳隔振效果。
在主動控制懸置出現(xiàn)以前有一種性能優(yōu)越于被動懸架的半主動控制懸置,但幾乎所有的半主動懸置的動力學(xué)響應(yīng)對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)都很敏感,需要嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求和制造工藝來保障,并且半主動懸置一般都用于改善低頻時車輛的減振性能,不能滿足車輛多工況的減振降嗓要。為了提高車輛的乘坐舒適性,主動懸置逐漸成為汽車設(shè)計(jì)人員研究的熱點(diǎn)。
主動懸置一般由被動式液壓懸置、作動器、傳感器和控制機(jī)構(gòu)組成。被動式液壓懸置用于在低頻作動器失效時支撐發(fā)動機(jī),高頻時作動器對控制信號作出快速反應(yīng),提供主動力用于衰減高頻振動。因此,主動懸置系統(tǒng)低頻時具有較高的剛度和較大的阻尼,能快速消除發(fā)動機(jī)的大幅振動:高頻時具有較低的剛度和較小的阻尼,用以隔絕高頻噪聲,能夠有效地提高車輛的乘坐舒適性。
Freudenberg公司在全輪驅(qū)動汽車的4缸發(fā)動機(jī)上應(yīng)用了主動控制式液壓懸置,取得了令人滿意的效果。1988年, Peter L. Graf等人設(shè)計(jì)了一種采用液壓作動器的主動懸置。該懸置利用液壓泵的壓力,驅(qū)動液體在懸置的上、下液室之間流動,使作用在上液室的支反力與施加在其上的發(fā)動機(jī)不平衡擾動力相疊消。實(shí)驗(yàn)表明,使用該懸置后,汽車動力總成系統(tǒng)的振動噪聲比被動式懸置降低了5-10dB。
德國的 Michael Muller等人于1994年研究了帶有電磁作動器的主動液壓懸置,研究試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以降低駕駛員耳處的聲壓至少10dB。1995年,日本的 Toshi yukiShibayama等人發(fā)表文章,介紹他們應(yīng)用壓電陶瓷作動器的發(fā)動機(jī)主動懸置,他們應(yīng)用的是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng),在電壓的作用下產(chǎn)生位移。但是,壓電作動器輸出的位移很小,只適用于發(fā)動機(jī)的高速區(qū)段,低頻率的振動和噪聲問題仍然解決不了。
豐田公司在其 Lexus300轎車上批量采用了主動控制式液壓懸置系統(tǒng)。2002年,韓國的Y-W-ee把電磁作動器與液壓懸置的解耦盤連接,形成個作動的活塞,直接驅(qū)動液壓懸置內(nèi)的液體,從而改變懸置的動剛度,降低振動的幅值。在直列4缸發(fā)動機(jī)怠速時(25Hz頻率下),試驗(yàn)測試的傳遞力可以衰減到接近于零。
加拿大 M.S. Foumani2002年利用形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種形狀記憶金屬式主動懸置,該懸置是利用形狀記憶金屬的特性來改變液壓懸置的主簧剛度,從而提高懸置的隔振特性。
日本五十鈴公司采用了電磁作動器與液壓懸置結(jié)合,對重型柴油機(jī)的振動實(shí)施主動控制,結(jié)果表明,在20~30Hz范圍內(nèi),可以衰減傳遞力25-46dB。
吉林大學(xué)鄭瑞清等人提出了一種電致伸縮作動器液壓懸置,該研究的主動懸置是在原有的被動懸置的基礎(chǔ)上改逃的。其原理是在被動懸置上串聯(lián)個電致伸縮陶瓷疊堆作為主動控制作動器,隔離發(fā)動機(jī)激勵產(chǎn)生的簡諧振動。同時原有的被動液壓懸置主要用來隔離發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況產(chǎn)生的低頻振動和路面不平度激勵引起的振動2。
3 發(fā)動機(jī)主動懸置的作動器主要形式與原理
發(fā)動機(jī)主動懸置的作動器是核心部件,是主動控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。作動器對控制信號作出快速反應(yīng),提供主動力用于衰減高頻振動,低頻時具有較高的剛度和較大的阻尼,能快速消除發(fā)動機(jī)的大幅振動:高頻時具有較低的剛度和較小的阻尼,用以隔絕高頻噪聲,能夠有效地提高車輛的乘坐舒適性。根據(jù)目前比較成熟的作動器的開發(fā)與應(yīng)用來看,作動器主要有電磁式、壓電式和電致伸縮式等幾種形式。
3.1 壓電陶瓷作動器
該類型作動器應(yīng)用最為廣泛。壓電式作動器是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng),通過施加外部電場,將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。壓電陶瓷作動器響應(yīng)快,適應(yīng)的頻率范圍廣,對溫度變化不敏感。但它位移量較小,約為幾個微米;要求的驅(qū)動電壓較高,約100~300V。壓電陶瓷作動器有兩種類型,種是薄膜型,另一種是疊堆型。前者粘接在結(jié)構(gòu)表面,產(chǎn)生彎矩,控制結(jié)構(gòu)振動;后者對結(jié)構(gòu)提供控制力來控制振動。壓電陶瓷作動器產(chǎn)生的位移、外加電壓和作用力三者間的關(guān)系為:
式中:△L為位移,mm;U為外加電壓,V;F為作用力,N:Ks,和ds分別是壓電堆的等效力學(xué)剛度和等效壓電系數(shù)。
3.2 電致伸縮陶瓷微作動器
電致伸縮陶瓷微作動器是利用陶瓷的電致伸縮效應(yīng)工作的。電致伸縮效應(yīng)是指電介質(zhì)在電場的作用下由于感應(yīng)極化作用引起應(yīng)變,且應(yīng)變與電場方向無關(guān),應(yīng)變的大小與電場的平方成正比。上述效應(yīng)可用公式表達(dá)為
式中:M為電致伸縮系數(shù),m2/V2;E為電場強(qiáng)度,Vm;S為應(yīng)變。
3.3 形狀記憶合金作動器
形狀記憶合金就是具有形狀記憶功能的材料,所謂形狀記憶效應(yīng)即合金在經(jīng)受大的變形(一般最大可達(dá)到6%-7%)以后,施加一定的溫度使其超過相變溫度,則變形消失,合金又可以恢復(fù)到初始形狀。SAM的變形量與其形狀和預(yù)變形有關(guān),在允許的變形范圍內(nèi),預(yù)變形越大,變形量就越大,但因sAM受熱傳導(dǎo)的限制,溫度是逐漸上升的,所以響應(yīng)慢。
3.4 磁致伸縮材料作動器
磁致伸締材料屬于機(jī)敏材料的一種,它與常用的壓電材料、形狀記憶合金相比,具有響應(yīng)速度快、應(yīng)變大、使用頻帶寬、驅(qū)動電壓低等優(yōu)點(diǎn)。
磁致伸縮材料在外加磁場的作用下,尺寸、體積等會發(fā)生改變,具有較好的抗沖擊性,能提高較大的控制力,并且在低電流產(chǎn)生的磁場中具有很好的線性度和對電場變化的響應(yīng)能力。磁致伸縮材料作動器位移約為幾十微米。磁致伸縮材料作動器既能承載,又能產(chǎn)生驅(qū)動作用;既可作智能隔振器,又可作智能吸振器。
電流變液體(簡稱ERF)指的是在絕緣的連續(xù)向液體介質(zhì)中加入精細(xì)的固體顆粒而形成的懸濁液。該液體在電場的作用下,會顯示明顯的固態(tài)特性,當(dāng)電場解除后液體又恢復(fù)到原來所具有的特性。
電流變液體的流阻可隨施加電場的電壓的改變而改變,因而能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、可逆的控制。再加上它對控制信號的高度可靠性及快速響應(yīng)性,從而使電流變液體在工程領(lǐng)域中可以解決許多難題。雖然在3-5ms內(nèi)可以使流體由不動狀態(tài)變換為活動狀態(tài),但反向轉(zhuǎn)換需要的時間卻要長一些,這嚴(yán)重限制了這類阻尼器的有用頻率范圍,是阻礙這種流體在振動主動控制中廣泛應(yīng)用的主要因素。
3.5 液壓作動器
液壓作動器由一個液壓缸和一個伺服閥組成。它能夠在相對較小的結(jié)構(gòu)尺寸下產(chǎn)生較大的位移和較大的作用力。但它需要專門的液壓系統(tǒng),因而容易產(chǎn)生噪聲;并在伺服閥輸入電壓和作動器的力或位移輸出之間產(chǎn)生非線性。另一個特別需要注意的問題是伺服閥要盡可能地靠近作動器安裝,以最大限度地減小性能下降,尤其是頻率在20H以上的情況下。液壓作動器在車輛主動懸掛和直升飛機(jī)機(jī)艙的振動主動控制中已得到很好的應(yīng)用。
3.6 氣動作動器
氣動作動器的工作原理與液壓作動器的一樣,只是氣動作動器的工作介質(zhì)是空氣。氣動作動器的優(yōu)點(diǎn)在于它們可與使用相同空氣源的被動空氣彈簧控制并聯(lián)使用。但由于空氣的可壓縮性使得氣動作動器的帶寬較低(<10Hz)。氣動作動器在鐵路車輛主動懸掛中得到了廣泛的應(yīng)用。
3.7 幾種主動控制作動器性能比較
通過對上述幾種常見發(fā)動機(jī)主動懸置的介紹各種類型的作動器的原理各不相同,且在實(shí)際使用中的特點(diǎn)也有較大差別,現(xiàn)將其總結(jié)如下,見表1
4 結(jié)束語
發(fā)動機(jī)主動懸置技術(shù)的研究還不很成熟,成本較高,其性能和可靠性有待于進(jìn)一步提高,但隨著控制技術(shù)水平和加工工藝的提高,主動懸置必將成為新一代懸置系統(tǒng)的發(fā)展方向。
作者：于恩中，應(yīng)繼來
作者單位：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)
來源：汽車科技
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