一种共振频率自适应快速可调的动力吸振结构及方法
阅读说明：本技术 一种共振频率自适应快速可调的动力吸振结构及方法 (Dynamic vibration absorption structure and method with self-adaptive and fast-adjustable resonance frequency ) 是由 李星 田鑫 尹磊磊 姚璐 杨航 于 2021-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种共振频率自适应快速可调的动力吸振结构及方法。该动力吸振结构发动机侧悬置支架、动力吸振器弹性单元、动力吸振器质量块,动力吸振器质量块的外侧设置有施力装置,施力装置可以对动力吸振器质量块施加沿其振动方向的大小和方向均可调的电磁力,发动机侧悬置支架的主体上设置有加速度传感器,加速度传感器电连接有控制器。通过控制器控制施力装置实时调节作用在动力吸振器质量块上的电磁力,进而改变动力吸振器的共振频率,使其与机械系统瞬时的振动频率相同,从而实现动力吸振器共振频率的实时、快速调整,并与机械系统振动频率的迅速匹配,达到更好的吸振效果,且满足发动机工作频率快速连续变化时的吸振要求,适用范围广。(The invention discloses a dynamic vibration absorption structure with self-adaptive and fast adjustable resonance frequency and a method. The dynamic vibration absorbing structure comprises an engine side suspension support, a dynamic vibration absorber elastic unit and a dynamic vibration absorber mass block, wherein a force application device is arranged on the outer side of the dynamic vibration absorber mass block, the force application device can apply electromagnetic force with adjustable vibration direction and adjustable vibration direction to the dynamic vibration absorber mass block, an acceleration sensor is arranged on a main body of the engine side suspension support, and the acceleration sensor is electrically connected with a controller. The controller controls the force application device to adjust the electromagnetic force acting on the mass block of the dynamic vibration absorber in real time, so that the resonance frequency of the dynamic vibration absorber is changed to be the same as the instantaneous vibration frequency of a mechanical system, the real-time and quick adjustment of the resonance frequency of the dynamic vibration absorber is realized, the dynamic vibration absorber is quickly matched with the vibration frequency of the mechanical system, a better vibration absorption effect is achieved, the vibration absorption requirement when the working frequency of an engine is changed quickly and continuously is met, and the application range is wide.)
技术领域
本发明涉及动力吸振器领域，具体涉及一种共振频率自适应快速可调的动力吸振结构及方法。
背景技术
动力吸振器是利用共振系统吸收物体的振动能量以减小物体振动的设备，如图1所示，其原理是在振动的机械系统上附加质量块弹性体共振系统，这种附加系统在共振时产生的反作用力可使振动物体的振动减小。当激发力以单频为主，或频率很低，不宜采用一般隔振器时，动力吸振器特别有用。如附加一系列的这种吸振器，还可以抵销不同频率的振动。
现有的动力吸振器，主要用于汽车发动机悬置支架等领域。如图2和图3所示，动力吸振器大部分都只针对单一共振频率进行吸振，当出现多个共振频率峰值时，现有的动力吸振器很难满足其吸振要求；此时，频率可调式动力吸振器则更能适应发动机的各种复杂工况。
现有的频率可调式动力吸振器的共振频率调节方式主要包括机械式刚度调节法、人工式质量调节法、流体式质量调节法等，存在调节速度慢、无法满足共振频率连续快速变化工况的要求等问题。
例如公开号的CN103267085A的中国发明专利，就公开了旋转机械转子液力多频动力吸振器，该动力吸振器通过质量的实时连续调节，使得调谐质量阻尼器(TMD)子系统的频率始终与转子主系统频率保持一致。该动力吸振器设计了特有的流体质量结构，通过改变流体的质量从而改变动力吸振器的质量，从而满足旋转机械转子对多种频率成分振动形成连续实时吸振的要求。通过改变流体的质量，可以连续改变动力吸振器的共振频率；但该技术方案中动力吸振器质量的改变需要较长的时间完成，由于质量改变的时间过长，该动力吸振器工作频率无法匹配主系统共振频率改变的节奏，导致该吸振器无法实现较好的吸振效果，其应用范围将受到大幅限制。
公开号为CN103206474A的中国发明专利，公开了一种可快速调节共振频率的动力吸振器，该发明通过将质量块和橡胶弹性体装入一端可活动调节的连杆中，通过移动或旋转质量块，改变实际起作用的橡胶弹性体尺寸，从而改变动力吸振器的刚度值；质量块可作为一个整体或多个质量块通过螺纹螺栓连接为一体，可改变动力吸振器的质量；通过以上两种调节方式，最终完成动力吸振器共振频率的调节。该发明通过机械方式改变刚度，或通过人工方式改变质量，可以连续改变动力吸振器的共振频率；但该发明中动力吸振器刚度和质量的改变需要消耗较长的时间，同时质量的调节需要系统停止工作，动力吸振器共振频率调节的效率低和速度慢，同样难以满足主系统共振频率连续快速变化的工况，难以取得较好的吸振效果，其应用范围将受到大幅限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种共振频率自适应快速可调的动力吸振结构及方法，能够快速完成动力吸振器共振频率的调整，及时自适应匹配机械系统的振动频率，具有更好的吸振效果。
为了解决上述技术问题，本发明一种共振频率自适应快速可调的动力吸振结构，包括发动机侧悬置支架、动力吸振器弹性单元、动力吸振器质量块，所述发动机侧悬置支架与所述动力吸振器质量块之间通过所述动力吸振器弹性单元弹性连接，所述动力吸振器质量块的外侧设置有施力装置，所述施力装置可以对所述动力吸振器质量块施加沿其振动方向的大小和方向均可调的电磁力，所述发动机侧悬置支架的主体上设置有加速度传感器，所述加速度传感器电连接有控制器，所述控制器的输出端与所述施力装置电连接。
在上述共振频率自适应快速可调的动力吸振结构中，通过安装在发动机侧悬置支架上的加速度传感器测量其振动时的瞬时加速度，并计算得到发动机侧悬置支架的实时振动频率，再通过控制器控制施力装置实时调节作用在动力吸振器质量块上的电磁力，改变动力吸振器的共振频率，使其与机械系统当时的振动频率相同，从而实现动力吸振器共振频率的实时、快速调整，并使动力吸振器与机械系统振动频率迅速匹配，达到更好的吸振效果，且满足发动机工作频率快速连续变化时的吸振要求，适用范围广。
作为本发明共振频率自适应快速可调的动力吸振结构的改进，所述施力装置包括电磁线圈保持架和电磁线圈，所述电磁线圈保持架的内侧面设置有电磁线圈，所述动力吸振器质量块伸入所述电磁线圈的内部，且可以自由振动。通过电磁线圈产生电磁力，再由控制器根据需要调节电磁线圈电流大小，实现电磁力的实时、快速可调，进而实现动力吸振器共振频率的实时、快速可调，自适应匹配发动机侧悬置支架的实时振动频率。
为了解决上述技术问题，本发明一种共振频率自适应快速可调的动力吸振方法，包括如下步骤：
获取机械系统的振动加速度信号；
根据所述机械系统的振动加速度信号计算机械系统的振动频率；
计算使动力吸振器的共振频率与所述机械系统的振动频率相同时，对动力吸振器质量块所需施加的电磁力大小和方向；
调节作用在动力吸振器质量块上的电磁力达到所述电磁力大小和方向，改变动力吸振器的共振频率与所述机械系统的振动频率相同。
在上述共振频率自适应快速可调的动力吸振方法中，通过实时监测机械系统的振动加速度，计算机械系统的振动频率，以及需要作用在动力吸振器质量块上的电磁力，从而调节电磁力的大小，快速改变动力吸振器的共振频率，快速实现自适应匹配机械系统振动频率，达到更好的吸振效果，也能够适用机械系统的振动频率快速连续变化时的较佳吸振要求。
作为本发明共振频率自适应快速可调的动力吸振方法的改进，计算使动力吸振器的共振频率与所述机械系统的振动频率相同时，对动力吸振器质量块所需施加的电磁力大小和方向包括：获取动力吸振器弹性单元的刚度和动力吸振器质量块的质量；获取机械系统的激振力幅值大小；根据所述机械系统的振动频率和所述激振力幅值大小，以及所述动力吸振器弹性单元的刚度和所述动力吸振器质量块的质量，计算动力吸振器的共振频率与所述机械系统的振动频率相同时，对动力吸振器质量块所需施加的电磁力。通过机械系统的实时振动频率和其激振力幅值大小，以及动力吸振器的刚度和动力吸振器质量块质量，推到计算得到所需的电磁力大小。
综上所述，采用上述共振频率自适应快速可调的动力吸振结构及方法，通过控制作用在动力吸振器质量块上的电磁力，实现动力吸振器共振频率的实时自适应调整，可以有效解决机械系统振动频率快速连续变化工况下的吸振问题，并无需人力干预，较好地解决了现有技术存在的动力吸振器共振频率调节效率低和速度慢的问题，极大扩展了动力吸振器的应用范围。
附图说明
在附图中：
图1为动力吸振器结构原理图。
图2为现有发动机悬置支架的动力吸振器结构图。
图3为现有发动机悬置支架的动力吸振器拆分结构图。
图4为本发明的吸振结构示意图。
图5为本发明的吸振结构拆分示意图。
图中：1、发动机侧悬置支架；2、动力吸振器弹性单元；21、支撑销；22、弹性体；3、动力吸振器质量块；31、中央槽孔；4、电磁线圈保持架；5、电磁线圈；6、加速度传感器；7、控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
图4和图5示出了本发明的一种共振频率自适应快速可调的动力吸振结构。如图4和图5所示，该动力吸振结构包括发动机侧悬置支架1、动力吸振器弹性单元2、动力吸振器质量块3，发动机侧悬置支架1与动力吸振器质量块3之间通过动力吸振器弹性单元2弹性连接，动力吸振器质量块3的外侧设置有施力装置，施力装置可以对动力吸振器质量块3施加沿其振动方向的大小和方向均可调的电磁力，发动机侧悬置支架1的主体上设置有加速度传感器6，加速度传感器6电连接有控制器7，控制器7的输出端与施力装置电连接。
使用时，发动机侧悬置支架1受到来自发动机的振动激励产生振动，振动通过动力吸振器弹性单元2传递到动力吸振器质量块3上，带动其一起振动，从而形成共振吸振系统，吸收发动机侧悬置支架1的振动。发动机侧悬置支架1的瞬时振动频率与自身的加速度变化频率相同，可以通过加速度传感器6测得发动机侧悬置支架1在振动方向的加速度信息，再计算出振动频率。由于发动机的振动激励频率并非固定的，可能出现快速、连续变化的情况，发动机侧悬置支架1也随之变化，此时，通过控制器7控制调节施力装置，使其作用在动力吸振器质量块3上的电磁力改变，动力吸振器的共振频率(固有频率)随之发生变化，直到其与发动机侧悬置支架1瞬时的振动频率相同，这样动力吸振器质量块3具有更大的振幅，吸收更多的振动能量，起到最佳的吸振作用，也满足发动机工作频率快速连续变化时的吸振要求。
可选的，施力装置包括圆柱型的电磁线圈保持架4和电磁线圈5，电磁线圈保持架4的内侧面设置有电磁线圈5，动力吸振器质量块3也为圆柱型，伸入电磁线圈5的内部，与电磁线圈保持架4同轴布置，且可以在其内部自由振动，不会干涉。通过线圈结构产生电磁力，进而通过控制流过电磁线圈5的电流即可控制电磁力的大小和方向，结构简单，响应迅速。
可选的，动力吸振器弹性单元2包括支撑销21和弹性体22，支撑销21的底端固定于发动机侧悬置支架1的顶面，弹性体22套设在支撑销21的外侧，动力吸振器质量块3套设在弹性体22的外侧。弹性体22呈圆筒状，采用橡胶材料制成，动力吸振器质量块3的中部设置有贯通的圆柱型中央槽孔31，通过硫化方法使弹性体22与动力吸振器质量块3和支撑销21固定连接，生产制造容易，且各个件之间为面与面的连接，连接强度较好。
在上述的动力吸振结构中，控制器7用于接收加速度传感器6输出的发动机侧悬置支架1的振动加速度信号，再计算使动力吸振器质量块3的共振频率与发动机侧悬置支架1的振动频率相同时，对动力吸振器质量块3所需施加的电磁力大小和方向，并发出控制施力装置调节作用在动力吸振器质量块3上的电磁力达到所需电磁力大小和方向的指令。控制器是整个系统的控制大脑，首先根据发动机侧悬置支架1的实时振动加速度，计算发动机侧悬置支架1的瞬时振动频率；然后再计算出使动力吸振器质量块3的共振频率与发动机侧悬置支架1的振动频率相同时，对动力吸振器质量块3所需施加的电磁力大小和方向；接着发出指令控制施力装置动作，将作用在动力吸振器质量块3上的电磁力达到所需电磁力大小和方向，达到自适应调节动力吸振器共振频率的目的，实时匹配发动机侧悬置支架1的振动频率。
本发明一种利用上述装置的共振频率自适应快速可调的动力吸振方法，包括如下步骤：
步骤一：获取机械系统的振动加速度信号。
用加速度传感器测量机械系统在振动方向的加速度信号，在振动过程中，加速度型号不断改变，其频率与机械系统的振动频率相同。
步骤二：根据机械系统的振动加速度信号计算机械系统的振动频率。
步骤三：计算使动力吸振器的共振频率与机械系统的振动频率相同时，对动力吸振器质量块所需施加的电磁力大小和方向；
在图1中，设m1、m2为机械系统、动力吸振器质量块的质量；k1为机械系统与刚性底座之间的隔振器刚度，k2为动力吸振器与机械系统之间的连接刚度；x1、x2为机械系统、吸振器质量块的运动位移；F1、F2为作用在机械系统、吸振器质量块上的力的振幅。
则m1和m2的运动微分方程为：
通过假设如下形式的谐波解：
x1(t)＝X1 sin(ωt),x2(t)＝X2 sin(ωt) (2)
可以得到m1和m2的稳态运动的振幅为：
为使得原机械系统m1的振幅为零，将上式(3)中的x1的分子部分等于零，于是有：
若机械系统在使用动力吸振器之前在接近共振的条件下运行，则有ω2＝k1/m1。在动力吸振器设计时，使得动力吸振器共振频率满足以下条件：
则当机械系统安装该动力吸振器后，机械系统在原始共振频率下运行时，其振幅将为零。
由以上两自由度系统运动分析可知，图1中的动力吸振器在受到作用力F1的条件下，其共振频率与F1/F0有关。由于作用在机械系统m1上的力可以通过传感器测量得到，而由k2、m2两个参数决定，若F1可实现快速连续可调，则上式(5)中的动力吸振器共振频率可实现快速连续可调，从而满足机械系统m1工作频率快速连续变化时的吸振要求。
因此，所需电磁力的具体计算过程可以为：获取动力吸振器弹性单元的刚度和动力吸振器质量块的质量；获取机械系统的激振力幅值大小；根据机械系统的振动频率和激振力幅值大小，以及动力吸振器弹性单元的刚度和动力吸振器质量块的质量，计算动力吸振器的共振频率与机械系统的振动频率相同时，对动力吸振器质量块所需施加的电磁力。
步骤四：调节作用在动力吸振器质量块上的电磁力达到电磁力大小和方向，改变动力吸振器的共振频率与机械系统的振动频率相同；
调节作用在动力吸振器质量块上的电磁力的具体方式为改变产生磁场的电流大小及方向。调节迅速，高效，且可以连续变化。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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