本文關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)曲軸橡膠扭轉(zhuǎn)減振器動力學(xué)建模及性能匹配的研究

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【摘要】：扭轉(zhuǎn)振動是汽車發(fā)動機(jī)曲軸系統(tǒng)的固有特性。為降低曲軸軸系扭轉(zhuǎn)振動,常在曲軸前端安裝扭轉(zhuǎn)減振器。橡膠扭轉(zhuǎn)減振器由于成本較低、結(jié)構(gòu)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(jī)曲軸橡膠扭轉(zhuǎn)減振器為研究對象,按照“橡膠材料-扭轉(zhuǎn)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(shè)計和試驗分析等方法,對橡膠扭轉(zhuǎn)減振器動力學(xué)建模和性能匹配進(jìn)行研究。首先對橡膠扭轉(zhuǎn)減振器的橡膠材料非線性剪切力學(xué)特性進(jìn)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(guān)系。設(shè)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(xué)模型,建立了Kelvin-Voigt模型、Maxwell模型和分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)模型等3種橡膠試片的力學(xué)模型和對應(yīng)的橡膠材料本構(gòu)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(xué)模型中的有關(guān)參數(shù);推導(dǎo)得到不同橡膠硬度下橡膠材料本構(gòu)模型中的特性參數(shù)與橡膠試片壓縮比的函數(shù)關(guān)系。其次采用理論計算和有限元分析的方法預(yù)測了橡膠扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)減振器固有頻率的有效預(yù)測。在理論計算時根據(jù)3種橡膠扭轉(zhuǎn)減振器動力學(xué)模型從理論上推導(dǎo)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(guān)系以及橡膠圈的結(jié)構(gòu)尺寸計算橡膠減振器扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼,從而得到采用不同動力學(xué)模型理論計算時的橡膠扭轉(zhuǎn)減振器固有頻率預(yù)測值,并與測試結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)果表明分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)模型更能準(zhǔn)確地預(yù)測橡膠扭轉(zhuǎn)減振器的固有頻率;在有限元分析時,考慮到橡膠扭轉(zhuǎn)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(xué)行為,采用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型表征橡膠材料的超彈性,采用Prony級數(shù)本構(gòu)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(zhuǎn)減振器的固有頻率,與測試結(jié)果相比相對誤差較小,結(jié)果表明有限元分析方法預(yù)測固有頻率有效可行。最后對橡膠扭轉(zhuǎn)減振器進(jìn)行多目標(biāo)性能匹配及穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計。分別建立在曲軸前端沒有安裝和安裝橡膠扭轉(zhuǎn)減振器時的發(fā)動機(jī)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(zhuǎn)減振器分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)力學(xué)模型等效為“質(zhì)量-彈簧-阻尼”力學(xué)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(zhuǎn)振動微分方程,采用數(shù)值方法計算曲軸軸系扭轉(zhuǎn)振動特性;采用NSGA-Ⅱ遺傳算法對橡膠扭轉(zhuǎn)減振器進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化匹配,得到橡膠硬度、橡膠圈壓縮比和慣量環(huán)轉(zhuǎn)動慣量等設(shè)計參數(shù)的全局最優(yōu)解;采用Taguchi方法對橡膠扭轉(zhuǎn)減振器進(jìn)行穩(wěn)健性優(yōu)化匹配,并確定了設(shè)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(shè)計參數(shù)的橡膠扭轉(zhuǎn)減振器的曲軸軸系進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)振動測試,結(jié)果表明Taguchi穩(wěn)健性優(yōu)化方法得到的最終設(shè)計參數(shù)方案是合理的,提高了橡膠扭轉(zhuǎn)減振器性能匹配的穩(wěn)健性。本文的研究成果對橡膠扭轉(zhuǎn)減振器的開發(fā)設(shè)計以及發(fā)動機(jī)曲軸軸系的扭轉(zhuǎn)振動控制有一定的指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U464.133.3

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本文編號：1217647