一种基于扭振计算匹配发动机减振器的方法及应用与流程

本发明涉及发动机设计，具体涉及一种基于扭振计算匹配发动机减振器的方法及应用。

背景技术：

1、多缸发动机轴系在爆振压力和活塞往复惯性力的作用下会发生扭振，而设计发动机时通常要求，主阶次扭振幅值不超过0.2°，准确的扭振分析计算是解决发动机振动问题的基础。

2、发明人在实现本发明的过程中发现：

3、解决扭振问题，需要求解以下方程，获得扭振幅值矩阵：

4、

5、其中，j是转动惯量矩阵，c是阻尼矩阵，k是刚度矩阵，t是输入扭矩矩阵；

6、求解该运动方程的常见方法有：有限元法、newmark-β算法（申请号201810638084.x、200910088780.9）、霍尔茨法（申请号201510325315.8、2019102520709）、能量法、放大系统法、龙格库塔法（申请号202210019416.2）、矩阵法（申请号201310464448.4）等，求解的常见工具有ansys（申请号201810638084.x）、excite designer（申请号201410380388.2）、amesim、matlab（申请号202011525336.1）等，这些方法中，矩阵法更适合编程计算，精度也较高，但难以进行非线性求解；而霍尔茨法、能量法较适合手工递推计算，但精度较低。

7、求解扭振方程后，需要优化轴系参数或为曲轴匹配合适的扭振减振器：目前，多采用试算法、手册法[1]、智能优化法优化轴系参数，这三种方法中，试算法在减振性能要求不高的场合经常使用，例如，上官文斌[2]通过矩阵法求解了发动机曲轴的振动幅值，并对比了装减振器前后发动机曲轴扭振幅值的改善；刘佳鑫[3]采用有限元法对比了橡胶减振器两种结构对减振效果的影响；手册法根据公式直接给出推荐的减振器参数，使用的较多，尚霞[4]采用有限元法分析了轴系的扭振，并对比了加装减振器后的效果。智能优化法由于计算复杂，有较高的编程门槛，使用的较少；田新伟[5]采用newmark-β法求解了轴系的扭振，使用遗传算法优化了减振器参数。基于智能优化法，刘芳[6]使用amesim分析了发动机的扭振，使用matlab遗传算法优化了飞轮惯量、离合器刚度等6个轴系参数，使扭振降低了23%。

8、发动机减振器（特别是硅油减振器）的主要参数是惯性环惯量、壳体惯量、减振器等效刚度、阻尼系数、壳体刚度，而影响这些参数的减振器材料和结构参数有：惯性环内外径、惯性环厚度、减振器四周间隙值、硅油粘度等，以上介绍的现有技术中，手册法可以初步选定硅油减振器的材料和结构参数，但是如果设计出的减振器不满足减振要求，进一步改进减振器将缺乏依据；徐翔[7]探讨了减振器材料和结构参数对减振器阻尼的影响，但未研究减振器等效刚度如何计算以及减振器如何选配；采用智能优化法的研究，如刘芳[6]的论文未对减振器材料和结构参数进行优化设计，而且[1] 田新伟[5]的论文中介绍了惯性环外径、宽度、径向间隙以及轴向间隙的匹配方法，但并未介绍这些参数如何影响减振器的刚度和阻尼，且未考虑硅油对减振性能的影响；而现有研究[7]表明，选配合适的硅油的粘度对改善减振性能非常重要；

9、综上所述，现有技术无法充分考虑减振器材料和结构参数、从而匹配合适的发动机减振器，使发动机振动问题无法快速有效地解决，需要一种能充分考虑减振器材料和结构参数的发动机减振器的匹配和优化设计方法，解决发动机减振器选配的问题。

10、参考文献：

11、[1]柴油机设计手册委员会. 柴油机设计手册[m]. 中国农业出版社, 1984；

12、[2]上官文斌,陈超,段小成,谌宝军.发动机曲轴系统扭转振动建模与实测分析[j].振动.测试与诊断,2012,32(04):560-567+686；

13、[3]刘佳鑫,顾灿松,袁兆成,杨征睿.结构与参数对曲轴扭振减振器减振效果影响研究[j].机械设计与制造,2020(12):282-288；

14、[4]尚霞,马利华,梁志礼.基于有限单元法发动机曲轴橡胶扭转减振器分析[j].机械设计与制造,2022(07):218-222+227；

15、[5]田新伟,林敬国,褚国良,张俊红.基于轴系动力学分析的全工况下减振器匹配优化设计[j].机械设计与制造,2022(01):56-61；

16、[6]刘芳,董效辰,张亚振,韩杰.基于amesim的汽车动力传动系统扭转振动分析及参数优化[j].机械强度,2022,44(03):509-516；

17、 [7]徐翔, 周瑞平, 汪萌生,徐逸然. (2011). 柴油机硅油减振器阻尼计算方法的研究. 2011年apc联合学术年会. 中国内燃机学会;湖北省内燃机学会;中国汽车工程学会。

技术实现思路

1、本专利提出了一种基于扭振计算匹配发动机减振器的方法及应用，建立起轴系扭振幅值与硅油减振器结构参数之间的关系，实现硅油减振器材料和结构参数的快速匹配，解决发动机振动控制的问题。

2、发明构思：建立起硅油减振器材料和结构参数与轴系参数的对应关系，采用矩阵法求解轴系运动方程获得扭振幅值，并采用寻优算法优化减振器材料和结构参数，自动匹配减振器。

3、为此本发明的技术方案为：一种基于扭振计算匹配发动机减振器的方法及应用，具体步骤为：

4、s1. 考虑减振器材料和结构参数对轴系参数的影响，建立起减振器材料和结构参数与减振器等效刚度、阻尼系数之间的函数关系式，减振器材料和结构参数包括惯性环内外径、惯性环厚度、减振器四周间隙值、硅油粘度，并通过有限元分析获得惯性环惯量、壳体惯量、壳体刚度；

5、s2. 对轴系进行简化，建立集中质量模型，确定轴系运动方程中的转动惯量矩阵j、阻尼矩阵c、刚度矩阵k，并依据爆压曲线确定输入扭矩矩阵t；

6、s3. 采用矩阵法求解轴系运动方程，获得不同转速下、不同质量块处各阶扭振幅值曲线；

7、s4. 通过寻优算法优化减振器材料和结构参数，获得主谐次下扭振幅值最小的减振器设计方案，自动匹配减振器。

8、有益效果：本发明通过采用自动寻优算法能快速获得最佳减振器的设计参数，方便、快捷、有效；与现有方法相比，扭振幅值的预测效果好，计算精度高，最大扭振幅值降低了15%。

技术特征：

1.一种基于扭振计算匹配发动机减振器的方法及应用，其特征在于，具体步骤为：

技术总结
本发明公开了一种基于扭振计算匹配发动机减振器的方法及应用，具体步骤为：S1.建立减振器材料和结构参数与减振器等效刚度、阻尼系数之间的函数关系式，并通过有限元分析获得惯性环惯量、壳体惯量、壳体刚度；S2.对轴系进行简化，建立集中质量模型，确定轴系运动方程中的转动惯量矩阵J、阻尼矩阵C、刚度矩阵K，并依据爆压曲线确定输入扭矩矩阵T；S3.采用矩阵法求解轴系运动方程，获得不同转速下、不同质量块处各阶扭振幅值曲线；S4.通过寻优算法优化减振器材料和结构参数，获得主谐次下扭振幅值最小的减振器设计方案，自动匹配减振器。本发明通过采用自动寻优算法方便、快捷、有效获得最佳减振器的设计参数，扭振幅值的预测效果好，计算精度高。

技术研发人员：伍长彬,陈荣创,甘新刚,邱泽旭,刘定邦
受保护的技术使用者：湖北广奥减振器制造有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14