專利名稱：一種固有頻率可調(diào)的吸振裝置及具有該吸振裝置的發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工程與機械結(jié)構(gòu)減振、消振技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種固有頻 率可調(diào)的吸振裝置及具有該吸振裝置的發(fā)動機。
工程與機械結(jié)構(gòu)的振動常常伴隨著噪聲、工況劣化及材料疲勞，嚴(yán)重時 甚至可能造成結(jié)構(gòu)的損壞，因此減振技術(shù)的研究具有重要的工程意義。動力 吸振是一種常用的減振技術(shù)，它通過附加一個動力吸振裝置吸收主振結(jié)構(gòu)的 振動能量，從而達到降低主振結(jié)構(gòu)振動等級的目的。動力吸振裝置的原理如 圖1所示。主振結(jié)構(gòu)由質(zhì)量塊歷,、彈簧h組成，構(gòu)成無阻尼單自由度系統(tǒng)。 在簡諧激振力/sin(W)的作用下，主振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生受迫振動，其位移為A。在主 振結(jié)構(gòu)上附加由質(zhì)量塊^、彈簧么組成的動力吸振裝置后，由于運動的耦合 作用，動力吸振裝置也會發(fā)生振動，設(shè)其位移為h。由振動力學(xué)理論研究可 知，圖l所示的主振結(jié)構(gòu)一動力吸振裝置系統(tǒng)的運動方程為
背景技術(shù)：
求解可得主振結(jié)構(gòu)的振動幅值為:
由(2)式，當(dāng)^- 2附2 =0,即"=j^ (3)
附2
時，A=0。由于動力吸振裝置的固有頻率為A-J^，所以(3)式說明，
V柳2
當(dāng)動力吸振器的固有頻率必2等于激振力頻率"時，主振結(jié)構(gòu)振幅為零，即可 以完全消除主振結(jié)構(gòu)的振動。
上述分析表明，當(dāng)動力吸振裝置固有頻率與激振力頻率相等時，可以非 常高效地吸收主振結(jié)構(gòu)的振動，減小主振結(jié)構(gòu)P動幅值。但是，這種吸振器 只在很窄的頻率范圍內(nèi)起作用。當(dāng)激振力頻率偏離吸振裝置固有頻率時，吸 振裝置吸振效果會迅速下降，導(dǎo)致主振結(jié)構(gòu)振動增大。例如，將這種吸振裝 置用于汽車發(fā)動機振動吸收時，由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨著路況及駕駛員意愿經(jīng)常 變化，吸振效果很差。因此，動力吸振器的實際應(yīng)用受到很大限制，特別在 激振力頻率頻繁變化的場合。

發(fā)明內(nèi)容
針對當(dāng)前動力吸振裝置存在的問題，本發(fā)明的一個目的在于提供一種固 有頻率可調(diào)的吸振裝置，能夠根據(jù)外界激振力頻率的變化，自適應(yīng)地調(diào)整自 身固有頻率，從而最大限度地吸收主振結(jié)構(gòu)的振動，起到降低主振結(jié)構(gòu)振動 的目的。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種具有該吸振裝置的發(fā)動機，能夠根據(jù) 發(fā)動機振動頻率的變化，動態(tài)調(diào)整吸振裝置的固有頻率，從而最大限度地吸 收發(fā)動機的振動，起到降低發(fā)動機振動的目的。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。技術(shù)方案l: 一種固有頻率可調(diào)的吸振裝置，其特征在于，包括儲液箱、 液體泵，吸振彈簧，設(shè)置在吸振彈簧上端的吸振質(zhì)量塊，固定在吸振質(zhì)量塊 上的附加液體箱；所述附加液體箱通過活塞分為空氣上腔和液體下腔，所述
液體下腔、液體泵、儲液箱依次通過軟管連接。
上述技術(shù)方案的進一步改進在于
(1) 還包括計算機控制單元，檢測主振結(jié)構(gòu)振動頻率的加速度傳感器， 測量液體泵流量的流量傳感器；所述計算機控制單元接收加速度傳感器的加 速度信號，經(jīng)傅立葉變換獲取主振結(jié)構(gòu)的振動頻率，計算并控制液體泵向附 加液體箱泵入或泵出的液體質(zhì)量。
(2) 所述附加液體箱的空氣上腔中設(shè)置有螺旋彈簧，螺旋彈簧的一端固 定在活塞上，另一端固定在空氣上腔的頂壁。.
技術(shù)方案2: —種具有上述固有頻率可調(diào)的吸振裝置的發(fā)動機，其特征在 于，在發(fā)動機的安裝座上固定有豎筒，豎筒內(nèi)依次固定吸振彈簧、吸振質(zhì)量 塊、附加液體箱，所述吸振質(zhì)量塊的外周設(shè)置有沿豎筒滾動的滾輪。
上述技術(shù)方案的進一步改進在于
(1) 還包括計算機控制單元，檢測發(fā)動機振動頻率的加速度傳感器，測 量液體泵流量的流量傳感器；所述計算機控制單元接收加速度傳感器的加速 度信號，經(jīng)傅立葉變換獲取發(fā)動機的振動頻率，計算并控制液體泵向附加液 體箱泵入或泵出的液體質(zhì)量。
(2) 所述附加液體箱的空氣上腔中設(shè)置有螺旋彈簧，螺旋彈簧的一端固 定在活塞上，另一端固定在空氣上腔的頂壁本發(fā)明的固有頻率可調(diào)的吸振裝置，包括儲液箱、液體泵，吸振彈簧， 設(shè)置在吸振彈簧上端的吸振質(zhì)量塊，固定在吸振質(zhì)量塊上的附加液體箱；所 述附加液體箱通過活塞分為空氣上腔和液體下腔，所述液體下腔、液體泵、 儲液箱依次通過軟管連接。通過附加液體箱的質(zhì)量變化動態(tài)調(diào)整吸振裝置的 固有頻率，當(dāng)吸振裝置的固有頻率與激振力頻率相等時，可以非常高效地吸 收主振結(jié)構(gòu)的振動，減小主振結(jié)構(gòu)振動幅值。同理，該固有頻率可調(diào)的吸振 裝置安裝在發(fā)動機上時，可以根據(jù)發(fā)動機振動頻率的變化，通過動態(tài)地調(diào)整 吸振裝置的固有頻率，從而最大限度地吸收發(fā)動機的振動，起到降低發(fā)動機
振動的目的。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步詳細說明,
圖1為傳統(tǒng)的動力吸振裝置原理圖2為本發(fā)明的固有頻率可調(diào)的吸振裝置原理圖3為附加液體箱的結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明的具有吸振裝置的發(fā)動機的結(jié)構(gòu)示意圖中1.吸振彈簧 3.附加液體箱 5.流量傳感器 7.加速度傳感器 9.儲液箱 11.滾輪
2.吸振質(zhì)量塊 4.軟管
6.計算機控制單元 8.電機 10.液體泵 12.豎筒200910023651. 1
13.螺旋彈簧 14.活塞
15.空氣上腔 16.液體下腔
具體實施例方式
參照圖2，為一種固有頻率可調(diào)的吸振裝置，主要包括計算機控制單元6， 檢測主振結(jié)構(gòu)加速度的加速度傳感器7，測量液體泵10流量的流量傳感器5; 儲液箱9、液體泵10，吸振彈簧1，設(shè)置在吸振彈簧1上端的吸振質(zhì)量塊2, 固定在吸振質(zhì)量塊2上的附加液體箱3;附加液體箱3通過活塞14分為空氣 上腔15和液體下腔16,液體下腔16、液體泵10、儲液箱9依次通過軟管連 接。計算機控制單元6接收加速度傳感器的加速度信號，經(jīng)傅立葉變換獲取 主振結(jié)構(gòu)的振動頻率，計算并控制液體泵10向附加液體箱3泵入或泵出液體 的質(zhì)量。
更具體的連接為彈簧A和質(zhì)量塊^組成主振結(jié)構(gòu)，吸振彈簧l的一端 固定在主振結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊^上，另一端固定在吸振質(zhì)量塊2上。吸振質(zhì)量塊 2與附加液體箱3與固定連接在一起，附加液體箱3通過軟管4依次與液體泵 10、儲液箱9相連通，液體泵10由電機8帶動。計算機控制單元6、流量傳 感器5、加速度傳感器7以及電機8、液體泵10組成本裝置的控制部分。其 中加速度傳感器7安裝在主振結(jié)構(gòu)質(zhì)量塊w上，用來采集質(zhì)量塊^的振動加 速度信號。流量傳感器5采集經(jīng)軟管4流入或流出附加液體箱3的液體流量。 計算機控制單元6對采集到的加速度信號進行分析并發(fā)出控制指令。
本發(fā)明的基本思路是在吸振裝置中利用流體介質(zhì)設(shè)置一個可變的附加質(zhì) 量(附加液體箱)，然后根據(jù)要求改變附加質(zhì)量(即流體質(zhì)量)的大小，從而改變吸振裝置自身的固有頻率，其工作原理簡述如下。
當(dāng)作用在主振結(jié)構(gòu)上的激振力頻率發(fā)生變化時，吸振裝置當(dāng)前固有頻率 與激振力頻率相偏離，吸振裝置的吸振效果下降，主振結(jié)構(gòu)振動增大。此時，
由安裝在主振結(jié)構(gòu)質(zhì)量塊^上的加速度傳感器7采集質(zhì)量塊肌的加速度信號， 并傳輸給計算機控制單元6，計算機控制單元6對信號進行分析，通過傅立葉 變換求得主振結(jié)構(gòu)振動頻率，亦即外界激振力頻率《_?？梢韵胂螅藭r若將 吸振裝置的固有頻率也調(diào)整使之等于w，，則吸振裝置吸收主振結(jié)構(gòu)振動的能 力會大大增強。因此，依據(jù)-
由計算機控制單元6計算出吸振裝置固有頻率變?yōu)閣^時所應(yīng)具有的新質(zhì)量 m_ 。然后控制單元6發(fā)出指令使電機8帶動液體泵10向附加液體箱3中注 入或抽出相應(yīng)量的液體，使吸振質(zhì)量塊2與附加液體箱3的總質(zhì)量等于附_ ， 即附2+%，=附，，從而使吸振裝置固有頻率調(diào)整至需要的值。泵液過程中， 計算機控制單元6通過流量傳感器5監(jiān)測實際注入或抽出附加液體箱3的液 體量，當(dāng)注入或抽出的液體達到要求值時，控制電機8停轉(zhuǎn)。儲液箱9用來 存儲一定的液體量。
當(dāng)附加液體箱3質(zhì)量為零(無液體)時，本吸振裝置取得最大固有頻率
(4)
取吸振質(zhì)量塊的質(zhì)量m,為很小的值，貝U氣^可以很大。當(dāng)附加液體箱3注滿 時，本吸振裝置取得最小固有頻率其中m3為附加液體箱3充滿液體時的質(zhì)量。
當(dāng)所選液體的密度為A，則附加液體箱3的體積為
r3=^ (6)
為了使附加液體箱體積盡量小，通常應(yīng)選用密度較大的液體(例如蒸餾水) 作為工作介質(zhì)。根據(jù)具體應(yīng)用場合及要求，其他液體如液壓油等也可以充當(dāng) 工作介質(zhì)。
可見，本發(fā)明的固有頻率可調(diào)的吸振裝置，其固有頻率能夠在w^與^M之 間連續(xù)變化，其有效吸振頻率范圍很寬，特別是質(zhì)量附2取很小值而質(zhì)量附3取
很大值時。這樣，就有效地克服了傳統(tǒng)動力吸振裝置的不足。
參照圖3，附加液體箱通過活塞分為空氣上腔15和液體下腔16，附加液 體箱3的空氣上腔15中設(shè)置有螺旋彈簧13，螺旋彈簧13的一端固定在活塞 14上，另一端固定在空氣上腔15的頂壁。附加液體箱3未被充滿時，為防止 液體在其中激烈震蕩，引起系統(tǒng)振動不穩(wěn)定，附加液體箱3采用螺旋彈簧一 活塞結(jié)構(gòu)，將附加液體箱3分為空氣上腔15和液體下腔16;由軟管4注入的 液體進入液體下腔16。當(dāng)液體下腔16中液體量逐漸增加時，活塞14向上移 動，螺旋彈簧13被壓縮。當(dāng)液體下腔16中液體量逐漸減少時，螺旋彈簧13 張開，活塞14下移，液體下腔16中的液體總是處于封閉的空間中，防止其 激烈震蕩。
參照圖4，為一種具有上述固有頻率可調(diào)的吸振裝置的發(fā)動機，固有頻可調(diào)的吸振裝置固定在發(fā)動機安裝座上。具體為在發(fā)動機的安裝座上固定
有豎筒12，豎筒12內(nèi)依次固定吸振彈簧1、吸振質(zhì)量塊2、附加液體箱3， 吸振質(zhì)量塊2的外周設(shè)置有沿豎筒12滾動的滾輪11。其機械部分主要包括 豎筒12，固定在豎筒12底部的吸振彈簧1 (剛度為^)，吸振質(zhì)量塊2 (質(zhì) 量為^)，附加液體箱3和若干個滾輪11?？刂撇糠种饕ㄓ嬎銠C控制 單元6，流量傳感器5，安裝在發(fā)動機安裝座附近的加速度傳感器7、電機8、 液體泵10，以及依次連通儲液箱9、液體泵10、附加液體箱3的軟管4。滾 輪11安裝在吸振質(zhì)量塊2上，作用是在吸振質(zhì)量塊2上下運動時進行導(dǎo)向， 防止其左右晃動。
本發(fā)明中，吸振裝置的質(zhì)量一彈簧部分由吸振彈簧1、吸振質(zhì)量塊2和附 加液體箱3共同組成，主振結(jié)構(gòu)為發(fā)動機。其工作原理為當(dāng)吸振裝置固有 頻率與發(fā)動機激振力(主要為活塞運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的激振力)頻率相一致時，吸 振裝置能夠高效率地吸收振動，減小發(fā)動機振動幅值。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速發(fā)生變 化時，固有頻率偏離激振力頻率，吸振裝置的吸振效果下降，導(dǎo)致發(fā)動機振 動增大。此時，由安裝在發(fā)動機上的加速度傳感器7采集發(fā)動機振動加速度 信號，并傳輸給計算機控制單元6，控制單元6對加速度信號進行分析，通過
傅立葉變換求得主振結(jié)構(gòu)的振動頻率，亦即新的激振力頻率w,。此時若將動 力吸振裝置固有頻率也調(diào)整使之等于"，，則吸振裝置吸收主振結(jié)構(gòu)振動的能 力會大大增強。依據(jù) 由計算機控制單元6計算出吸振裝置固有頻率變?yōu)閊,所應(yīng)具有的新質(zhì)量 w,。然后控制單元6控制電機8工作，帶動液體泵10向附加液體箱3中注 入或抽出相應(yīng)量的液體，使吸振質(zhì)量塊2與附加液體箱3的總質(zhì)量等于^,， 即^+^,=^,，從而使吸振裝置固有頻率調(diào)整至需要的值。泵液過程中， 計算機控制單元6通過流量傳感器5監(jiān)測實際注入或抽出附加液體箱3的液 體量，當(dāng)注入或抽出的液體達到要求值時，控制電機8停轉(zhuǎn)，調(diào)整過程完成。 以下說明本發(fā)明中，計算機控制單元6如何根據(jù)發(fā)動機激振力頻率的變 化，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)吸振裝置固有頻率，使之與激振力頻率一致。假設(shè)前一時 刻發(fā)動機上激振力頻率為 d,當(dāng)前時刻激振力頻率為w，，則有前一時刻附 加液體箱3中液體的質(zhì)量m^為 .
附3oW-"^~_附2 (7)
而當(dāng)前時刻附加液體箱3中液體的質(zhì)量附3_應(yīng)該為
附3股w-"^~~ —柳2 (8)
^恥w
假設(shè)液體變化量= m3， - m3。w ，當(dāng)Am 〉0時，計算機控制單元6應(yīng)控制液體 泵10向附加液體箱3注入質(zhì)量為IAml的液體。當(dāng)Aw〈0時，液體泵10應(yīng)從附 加液體箱3中抽出質(zhì)量為IA附I的液體量。通過這種方法，可以使吸振裝置固 有頻率調(diào)整為w,，，從而高效地吸收發(fā)動機的振動。當(dāng)發(fā)動機的振動小于某一 設(shè)定值時，計算機控制單元6停止對附加液體箱3中的液體量進行調(diào)整。如 果發(fā)動機受到多頻率激振力的作用，則需要多個如圖4中所示的吸振裝置， 分別對應(yīng)每一個頻率的激振力作用進行吸振。
權(quán)利要求
1、一種固有頻率可調(diào)的吸振裝置，其特征在于，包括儲液箱、液體泵，吸振彈簧，設(shè)置在吸振彈簧上端的吸振質(zhì)量塊，固定在吸振質(zhì)量塊上的附加液體箱；所述附加液體箱通過活塞分為空氣上腔和液體下腔，所述液體下腔、液體泵、儲液箱依次通過軟管連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種固有頻率可調(diào)的吸振裝置，其特征在于， 還包括計算機控制單元，檢測主振結(jié)構(gòu)振動頻率的加速度傳感器，測量液體 泵流量的流量傳感器；所述計算機控制單元接收加速度傳感器的加速度信號， 經(jīng)傅立葉變換獲取主振結(jié)構(gòu)的振動頻率，計算并控制液體泵向附加液體箱泵 入或泵出的液體質(zhì)量。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種固有頻率可調(diào)的吸振裝置，其特征在于， 所述附加液體箱的空氣上腔中設(shè)置有螺旋彈簧，螺旋彈簧的一端固定在活塞 上，另一端固定在空氣上腔的頂壁。
4、 一種具有權(quán)利要求1所述固有頻率可調(diào)的吸振裝置的發(fā)動機，其特征 在于，在發(fā)動機的安裝座上固定有豎筒，豎筒內(nèi)依次固定吸振彈簧、吸振質(zhì) 量塊、附加液體箱，所述吸振質(zhì)量塊的外周設(shè)置有沿豎筒滾動的滾輪。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種固有頻率可調(diào)的吸振裝置的發(fā)動機，其特征在于，還包括計算機控制單元，檢測發(fā)動機振動頻率的加速度傳感器，測 量液體泵流量的流量傳感器；所述計算機控制單元接收加速度傳感器的加速 度信號，經(jīng)傅立葉變換獲取發(fā)動機的振動頻率；計算并控制液體泵向附加液體箱泵入或泵出的液體質(zhì)量。
6、根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種固有頻率可調(diào)的吸振裝置的發(fā)動機，其特征在于，所述附加液體箱的空氣上腔中設(shè)置有螺旋彈簧，螺旋彈簧的一端固定在活塞上，另一端固定在空氣上腔的頂壁。
全文摘要
本發(fā)明屬于工程結(jié)構(gòu)和機械結(jié)構(gòu)減振與消振技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種固有頻率可調(diào)的吸振裝置及具有該吸振裝置的發(fā)動機。其中，固有頻率可調(diào)的吸振裝置，其特征在于，包括儲液箱、液體泵，吸振彈簧，設(shè)置在吸振彈簧上端的吸振質(zhì)量塊，固定在吸振質(zhì)量塊上的附加液體箱；所述附加液體箱通過活塞分為空氣上腔和液體下腔，所述液體下腔、液體泵、儲液箱依次通過軟管連接；發(fā)動機的安裝座上設(shè)置固有頻率可調(diào)的吸振裝置，通過動態(tài)地調(diào)整吸振裝置的固有頻率，從而最大限度地吸收發(fā)動機的振動，起到降低發(fā)動機振動的目的。
文檔編號F16F15/023GK101639109SQ20091002365
公開日2010年2月3日 申請日期2009年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月20日
發(fā)明者林廣宇, 王婉秦, 郭金剛, 強 高 申請人:長安大學(xué)