本文關鍵詞：發(fā)動機曲軸橡膠扭轉減振器動力學建模及性能匹配的研究

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【摘要】：扭轉振動是汽車發(fā)動機曲軸系統(tǒng)的固有特性。為降低曲軸軸系扭轉振動,常在曲軸前端安裝扭轉減振器。橡膠扭轉減振器由于成本較低、結構簡單以及可靠性較高而得到廣泛采用。本文以某4缸汽油發(fā)動機曲軸橡膠扭轉減振器為研究對象,按照“橡膠材料-扭轉減振器部件-曲軸系統(tǒng)”3個不同層次,通過理論計算、優(yōu)化設計和試驗分析等方法,對橡膠扭轉減振器動力學建模和性能匹配進行研究。首先對橡膠扭轉減振器的橡膠材料非線性剪切力學特性進行研究,揭示了橡膠材料特性與橡膠圈硬度、橡膠圈壓縮比的關系。設計了雙剪切型橡膠試片及其試驗工裝,得到不同橡膠硬度、不同壓縮比時橡膠試片的剪切特性試驗數(shù)據(jù);參照橡膠隔振器動力學模型,建立了Kelvin-Voigt模型、Maxwell模型和分數(shù)導數(shù)模型等3種橡膠試片的力學模型和對應的橡膠材料本構模型,根據(jù)橡膠試片剪切試驗數(shù)據(jù)采用非線性最小二乘法識別出橡膠試片力學模型中的有關參數(shù);推導得到不同橡膠硬度下橡膠材料本構模型中的特性參數(shù)與橡膠試片壓縮比的函數(shù)關系。其次采用理論計算和有限元分析的方法預測了橡膠扭轉減振器的固有頻率,實現(xiàn)了在實物產(chǎn)品出來之前對橡膠扭轉減振器固有頻率的有效預測。在理論計算時根據(jù)3種橡膠扭轉減振器動力學模型從理論上推導固有頻率的計算方法,根據(jù)橡膠材料特性和橡膠圈硬度、橡膠圈壓縮比的函數(shù)關系以及橡膠圈的結構尺寸計算橡膠減振器扭轉剛度和阻尼,從而得到采用不同動力學模型理論計算時的橡膠扭轉減振器固有頻率預測值,并與測試結果進行了比較,結果表明分數(shù)導數(shù)模型更能準確地預測橡膠扭轉減振器的固有頻率;在有限元分析時,考慮到橡膠扭轉減振器橡膠圈的小變形特點,只考慮橡膠材料的超彈性和黏彈性力學行為,采用Mooney-Rivlin本構模型表征橡膠材料的超彈性,采用Prony級數(shù)本構模型表征橡膠材料的黏彈性,運用ABAQUS軟件計算不同橡膠圈硬度、不同橡膠圈壓縮比時橡膠扭轉減振器的固有頻率,與測試結果相比相對誤差較小,結果表明有限元分析方法預測固有頻率有效可行。最后對橡膠扭轉減振器進行多目標性能匹配及穩(wěn)健性優(yōu)化設計。分別建立在曲軸前端沒有安裝和安裝橡膠扭轉減振器時的發(fā)動機曲軸軸系集總參數(shù)模型;根據(jù)能量消耗等效原則,將橡膠扭轉減振器分數(shù)導數(shù)力學模型等效為“質量-彈簧-阻尼”力學模型,并將該等效模型引入到曲軸軸系集總參數(shù)模型中,建立曲軸軸系扭轉振動微分方程,采用數(shù)值方法計算曲軸軸系扭轉振動特性;采用NSGA-Ⅱ遺傳算法對橡膠扭轉減振器進行多目標優(yōu)化匹配,得到橡膠硬度、橡膠圈壓縮比和慣量環(huán)轉動慣量等設計參數(shù)的全局最優(yōu)解;采用Taguchi方法對橡膠扭轉減振器進行穩(wěn)健性優(yōu)化匹配,并確定了設計參數(shù)的最佳水平(局部最優(yōu)解),與NSGA-Ⅱ全局優(yōu)化相比,Taguchi穩(wěn)健優(yōu)化效果比較滿意;對安裝有不同設計參數(shù)的橡膠扭轉減振器的曲軸軸系進行了扭轉振動測試,結果表明Taguchi穩(wěn)健性優(yōu)化方法得到的最終設計參數(shù)方案是合理的,提高了橡膠扭轉減振器性能匹配的穩(wěn)健性。本文的研究成果對橡膠扭轉減振器的開發(fā)設計以及發(fā)動機曲軸軸系的扭轉振動控制有一定的指導意義。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U464.133.3

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本文編號：1217647