专利名称：一种汽车车身结构压电主被动混合抑振方法
技术领域：
本发明涉及一种汽车车身结构抑振方法，尤其涉及一种利用压电材料正逆压电效应对汽车车身结构进行主动抑振与被动抑振相结合的主被动混合抑振方法。
背景技术：
能源和环境正在成为影响世界汽车产业发展的两大决定性因素，提高汽车的节能环保水平是目前国内外各大汽车厂商面临的重要课题。汽车轻量化是减少燃油消耗、实现节能环保最为直接的方法，然而轻量化带来的问题就是车身用料不足，导致车身刚度降低，车内噪声环境恶化，严重影响汽车的乘坐舒适性。目前结构振动控制方法中，多采用较大阻尼比的材料，利用隔声、隔振技术，或者重新进行结构设计来控制噪声，结果往往与汽车轻量化的目标相矛盾。压电材料具有响应速度快、能量密度高、频带宽、无电磁干扰等特点，在振动与噪声控制领域中得到了广泛的应用，现有技术主要集中在单纯的主动抑振或被动抑振。单纯的主动控制存在鲁棒性差的问题，一旦出现突发情况，如系统掉电或强磁干扰时，主动抑振系统会完全失效，甚至产生系统失稳，起到相反的作用效果；单纯的被动控制可控性差，产生的抑振效果有限，无法满足日益提高的抑振效果要求
发明内容
本发明的目的在于提出一种应用于汽车车身振动控制领域的新型主被动混合抑振方法，以解决目前单纯主动控制鲁棒性差以及单纯被动控制抑振效果不明显等问题。本发明采取的技术方案是n个压电器件按照计算优化的位置分布在汽车车身结构表面各个区域内，与控制器数据采集/输出端口相连，通过编制混合抑振算法实现不同工作模式下的振动控制。混合抑振算法涉及主动控制算法、被动控制算法和主被动混合算法。主动控制算法是通过采集各个压电元件的实时振动状态，根据内置的计算模型计算出施加到各个压电元件的电压，使得各个压电元件产生抑制车身振动的作用力，实现车身振动的快速抑制；被动控制算法是通过各个压电元件的实时振动状态，根据内置的计算模型计算出各个压电元件的分流耗散电路的电学控制参数，通过耗散电路与压电元件振动状态的电学参量匹配进行振动能量的有效耗散，实现车身振动的有效抑制；主被动混合算法是通过识别车辆工况，确定所处工作模式，针对车身结构表面不同振动控制区域，进行主动控制和被动控制的选择与切换，实现主被动混合控制。本发明中的压电材料可为PZT压电陶瓷材料、PVDF压电聚合物薄膜材料，或者MFC压电宏纤维复合材料。并可以通过一种或几种的组合进行车身结构抑振。本发明中压电器件可采用单层压电材料进行车身结构振动控制。为了提高振动控制效果，可以通过多层叠加的方式提高压电器件的输出力，进而提高抑振效果。多层叠加结构在不增加控制电压的前提下提高压电器件的输出力。本发明中压电器件与车身结构表面通过粘接或者埋入的方式实现二者的结合。粘接方式采用专用粘结剂将压电元件贴于车身结构表面，其大小形状和粘贴位置通过仿真计算获得；埋入方式是在车身板材制造阶段，将压电材料与车身板材进行复合加工，形成带有分布压电元件的预制复合板材，适合于批量生产。本发明中的汽车车身结构为薄壁结构和车身梁结构。根据车辆振动的特点可将车身结构振动区域划分为车门区域、发动机罩区域、车顶棚区域、行李舱盖区域、翼子板区域、地板区域、前纵梁区域、后纵梁区域、边梁区域。本发明中被动控制利用压电元件将振动能量转化为电能，通过耗散电路或者电能回收电路将压电元件产生的电能进行能量耗散或回收。利用并联或串联的电阻-电感电路将压电元件由振动而产生的电能转换为焦耳热的方式进行能量耗散，实现结构抑振；利用电能回收电路将压电元件由振动而产生的电能进行存储，利用回收存储的电能对抑振系统的控制器、主动控制压电元件或者车载电路器件进行供电，实现能量回收利用。本发明中车辆工作模式根据车辆所处工况引起车身振动的强弱分为被动工作模式、主动工作模式、混合工作模式、掉电工作模式。本发明综合主动控制和被动控制各自的优点、弥补各自缺点，具有可控性强、鲁棒性强、控制效果好等特点，以较小的附加质量实现最优的抑振效果。
图1本发明抑振系统结构组成示意 图2本发明粘接式压电元件的材料与结构配置示意 图3本发明埋入式车身复合板材构成原理 图4本发明车身结构振动控制区域示意 图5本发明控制器信号传递框 图6本发明压电抑振元件分布图。
具体实施例方式参照图1，压电元件3附于车身结构I表面(通常为内表面)，混合控制器2数据采集/输出(I/O)端口与压电元件3相连接形成车身结构压电主被动混合抑振系统。其工作原理是压电元件3按照计算优化的位置分布在汽车车身薄壁结构表面各个区域内，压电元件3反馈车身结构I的振动特征信号，通过内置于混合控制器2中的算法和硬件电路对压电元件进行驱动，实现车身振动控制。混合控制器2中预置的混合抑振算法针对不同工况的振动特点，对应不同的工作模式，实现车身结构混合振动控制。参照图2，压电陶瓷(PZT)元件5粘贴于车身结构4表面，结构(a)为单层PZT压电元件，结构(b)为双层PZT压电元件，结构(c)为多层PZT压电元件；压电聚合物(PVDF)元件6粘贴于车身结构表面，结构(d)为单层PVDF压电元件，结构(e)为双层PVDF压电元件，结构⑴为多层PVDF压电元件；压电宏纤维复合材料(MFC)元件7粘贴于车身结构表面，结构(g)为单层MFC压电元件，结构(h)为双层MFC压电元件，结构⑴为多层PVDF压电元件；结构(j)为PZT压电元件和PVDF压电元件两种压电材料组成的压电抑振元件，结构(k)为双层PZT压电元件和单层PVDF压电元件组成的多层压电抑振元件，结构⑴为MFC压电元件、PZT压电元件和PVDF压电元件组成的多层压电抑振元件。其工作原理是压电元件可以通过适当增加压电层厚度来提高驱动控制力，但厚度越大需要的驱动电压越高，不利于电源设计和实际应用，结构(b)、(e)和(h)分别为压电元件5、6和7对应的双层结构，结构(c)、(f)和⑴分别为压电元件5、6和7对应的多层结构，采用该多层结构可以在不增加驱动电压的前提下，提高压电元件的振动控制力。针对不同压电材料的性质和特点，结构(j)中PZT压电元件8作为驱动层、PVDF压电元件9作为传感层，结构(k)中PZT压电元件组成双层结构作为驱动层、PVDF压电元件作为传感层结构，结构⑴中MFC压电元件与PZT压电元件组成双层结构作为驱动层、PVDF压电元件作为传感层，将不同材料压电元件分别用作驱动层与传感层，可以提高抑振元件的抑振能力，实现车身振动的有效抑制。参照图3，压电元件12置于车身板材10与复合基材11之间，形成内置压电元件的埋入式复合材料结构。其工作原理是压电元件12作为振动控制主动控制元件和反馈传感元件，与混合控制器相连接，即可形成混合抑振系统。埋入方式与粘贴方式相比，其优势在于适合批量生
产，一致性好。参照图4，将整个车身结构划分为多个抑振区域，区域13为发动机罩控制区，区域14为车身顶棚控制区，区域15为车门控制区，区域16为地板控制区，区域17为翼子板控制区。其工作原理是车身结构易于引起振动的区域主要分布于车身的薄壁结构部分，特别是车身覆盖件。对应不同工况，不同区域具有不同的振动特征，混合抑振系统中不同的工作模式可以有选择的启用各个控制区域，以对应不同工况的振动控制要求。参照图5，压电元件18分布于车身结构的振动控制区域19内，形成该区域的压电抑振元件网络。其工作原理是压电元件个数n、几何尺寸及粘贴位置由仿真计算确定。各个压电元件相互独立，在主动振动控制模式下，每个元件即可作为驱动器进行振动控制，又可作为传感器检测对应位置的振动信号；在被动振动控制模式下，压电元件将振动机械能转换为电场能，通过外围能量耗散电路或者储能电路进行能量耗散与转化，实现振动控制。参照图6，混合控制器为整个抑振系统的电控单元，包括中央控制器20、输入/输出(I/O)电路21和传感/驱动(S/A)电路22三个组成部分。中央控制器20包括被动控制单元、混合控制单元、主动控制单元以及工作模式识别单元；1/0电路21包括数/模(D/A)转换单元和模/数(A/D)转换单元；S/A电路22包括驱动电路、耗散电路、储能电路和传感电路。
权利要求
1.一种汽车车身结构压电主被动混合抑振方法，其特征在于该方法利用压电材料的正逆压电效应，通过单个或多个分布于车身结构表面的压电元件，对车身结构的振动进行主动控制与被动控制相结合的混合控制，其中主动控制是利用压电元件的逆压电效应，压电元件充当执行器对车身壁板的振动变形施加反向作用力，实现车身结构的主动抑振；被动控制利用压电元件的正压电效应，车身结构振动机械能引起压电元件的变形，进而使压电元件产生介电能，利用压电分流支路方法将产生的电能存储或耗散掉，可实现车身结构的被动抑振，根据具体工况及车身结构振动情况，结合主被动混合抑振算法，实现车身结构振动的主被动混合控制。
2.根据权利要求1所述的汽车车身结构压电主被动混合抑振方法，其特征在于压电材料为压电陶瓷(PZT )、压电聚合物(PVDF )或者压电宏纤维复合材料(MFC )。
3.根据权利要求2所述的汽车车身结构压电主被动混合抑振方法，其特征在于压电材料为其中的一种或多种材料的组合，根据实际控制需要可进行多层叠加。
4.根据权利要求1所述的汽车车身结构压电主被动混合抑振方法，其特征在于压电元件与车身表面的结合方式为粘接方式或埋入方式。
5.根据权利要求1所述的汽车车身结构压电主被动混合抑振方法，其特征在于所述的汽车车身结构通常为易于引起振动的车身壁板和车身梁结构。
6.根据权利要求1所述的汽车车身结构压电主被动混合抑振方法，其特征在于被动控制可采用电能存储方式将压电元件产生的介电能进行收集，所存储的电能可用于主动控制时的能量输入、控制器的供电或者车辆用电设备。
全文摘要
本发明涉及一种汽车车身结构振动主被动混合抑振方法，属于结构振动控制方法。该方法利用压电材料的正逆压电效应，通过单个或多个分布于车身壁板表面压的电元件，对车身壁板的振动进行感知和控制，结合控制算法实现车身结构振动的主被动混合控制。该方法综合利用主动振动控制技术附加质量小、频带宽、可控性好以及被动阻尼控制技术可靠性、稳定性、鲁棒性好和能量消耗少等特点，以较小的系统附加质量和较少能量输入实现车身结构振动的有效抑制。
文档编号B60L11/00GK103042940SQ20131002300
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者沈传亮, 韩也, 宋学伟, 王大学, 安孝文, 朱宁欣, 姚浩峰 申请人:吉林大学