发动机曲轴橡胶扭转减振器动力学建模及性能匹配的研究

发布时间：2017-11-23 07:18

  本文关键词：发动机曲轴橡胶扭转减振器动力学建模及性能匹配的研究

  更多相关文章： 橡胶扭转减振器 分数导数模型 非线性剪切特性 固有频率预测 多目标性能匹配与稳健性设计

【摘要】：扭转振动是汽车发动机曲轴系统的固有特性。为降低曲轴轴系扭转振动,常在曲轴前端安装扭转减振器。橡胶扭转减振器由于成本较低、结构简单以及可靠性较高而得到广泛采用。本文以某4缸汽油发动机曲轴橡胶扭转减振器为研究对象,按照“橡胶材料-扭转减振器部件-曲轴系统”3个不同层次,通过理论计算、优化设计和试验分析等方法,对橡胶扭转减振器动力学建模和性能匹配进行研究。首先对橡胶扭转减振器的橡胶材料非线性剪切力学特性进行研究,揭示了橡胶材料特性与橡胶圈硬度、橡胶圈压缩比的关系。设计了双剪切型橡胶试片及其试验工装,得到不同橡胶硬度、不同压缩比时橡胶试片的剪切特性试验数据;参照橡胶隔振器动力学模型,建立了Kelvin-Voigt模型、Maxwell模型和分数导数模型等3种橡胶试片的力学模型和对应的橡胶材料本构模型,根据橡胶试片剪切试验数据采用非线性最小二乘法识别出橡胶试片力学模型中的有关参数;推导得到不同橡胶硬度下橡胶材料本构模型中的特性参数与橡胶试片压缩比的函数关系。其次采用理论计算和有限元分析的方法预测了橡胶扭转减振器的固有频率,实现了在实物产品出来之前对橡胶扭转减振器固有频率的有效预测。在理论计算时根据3种橡胶扭转减振器动力学模型从理论上推导固有频率的计算方法,根据橡胶材料特性和橡胶圈硬度、橡胶圈压缩比的函数关系以及橡胶圈的结构尺寸计算橡胶减振器扭转刚度和阻尼,从而得到采用不同动力学模型理论计算时的橡胶扭转减振器固有频率预测值,并与测试结果进行了比较,结果表明分数导数模型更能准确地预测橡胶扭转减振器的固有频率;在有限元分析时,考虑到橡胶扭转减振器橡胶圈的小变形特点,只考虑橡胶材料的超弹性和黏弹性力学行为,采用Mooney-Rivlin本构模型表征橡胶材料的超弹性,采用Prony级数本构模型表征橡胶材料的黏弹性,运用ABAQUS软件计算不同橡胶圈硬度、不同橡胶圈压缩比时橡胶扭转减振器的固有频率,与测试结果相比相对误差较小,结果表明有限元分析方法预测固有频率有效可行。最后对橡胶扭转减振器进行多目标性能匹配及稳健性优化设计。分别建立在曲轴前端没有安装和安装橡胶扭转减振器时的发动机曲轴轴系集总参数模型;根据能量消耗等效原则,将橡胶扭转减振器分数导数力学模型等效为“质量-弹簧-阻尼”力学模型,并将该等效模型引入到曲轴轴系集总参数模型中,建立曲轴轴系扭转振动微分方程,采用数值方法计算曲轴轴系扭转振动特性;采用NSGA-Ⅱ遗传算法对橡胶扭转减振器进行多目标优化匹配,得到橡胶硬度、橡胶圈压缩比和惯量环转动惯量等设计参数的全局最优解;采用Taguchi方法对橡胶扭转减振器进行稳健性优化匹配,并确定了设计参数的最佳水平(局部最优解),与NSGA-Ⅱ全局优化相比,Taguchi稳健优化效果比较满意;对安装有不同设计参数的橡胶扭转减振器的曲轴轴系进行了扭转振动测试,结果表明Taguchi稳健性优化方法得到的最终设计参数方案是合理的,提高了橡胶扭转减振器性能匹配的稳健性。本文的研究成果对橡胶扭转减振器的开发设计以及发动机曲轴轴系的扭转振动控制有一定的指导意义。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U464.133.3

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本文编号：1217647