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發(fā)動機主動控制原理與應用

2021-12-22 22:14:48·  來源：汽車科技  
　
摘要：發(fā)動機主動控制懸置是解決提高環(huán)保性能、減低燃耗要求與降低汽車振動噪聲，滿足發(fā)動機高水平振動控制的要求之間沖突的重要途徑。本文主要就發(fā)動機主動控制
摘要：發(fā)動機主動控制懸置是解決提高環(huán)保性能、減低燃耗要求與降低汽車振動噪聲，滿足發(fā)動機高水平振動控制的要求之間沖突的重要途徑。本文主要就發(fā)動機主動控制的基本理論依據(jù)以及常用的主動控制懸置技術進行論述，并指出發(fā)動機主動控制懸置是未來發(fā)動機懸置的主要研究方向。
關鍵詞：發(fā)動機；主動控制；懸置
輕量化車身、稀薄燃燒技術發(fā)動機發(fā)動機怠速時缺缸點火等先進技術從一定程度上解決了日益嚴格的車輛燃油經(jīng)濟性和環(huán)境排放的問題,但在滿足提高環(huán)保性能、降低燃耗的同時也直接或間接地與降低汽車振動噪聲的要求產(chǎn)生了沖突,在很大程度上惡化了車輛振動特性,嚴重影響了車輛的乘坐舒適性。大量理論研究和實驗表明,發(fā)動機的振動噪聲已成為車內(nèi)振動噪聲的主要成份,其特點是多振源、寬頻帶、形態(tài)復雜。降低發(fā)動機振動的傳遞是解決這一矛盾最有效的辦法。車輛的振動和噪聲控制逐漸成為汽車設計人員需要解決的首要問題,因而對隔離發(fā)動機的振動噪聲向車內(nèi)傳遞的關鍵部件——發(fā)動機懸架(支承)的設計要求也越來越高。主動控制是滿足發(fā)動機高水平振動控制的重要研究方向,成為減少車內(nèi)的振動和噪聲以及減少汽車噪聲對環(huán)境的污染的重要項目.
1主動控制懸置的基本理論依據(jù)
往復活塞內(nèi)燃機結(jié)構復雜,氣缸工作不連續(xù),往復慣性力和氣體作用力都具有寬頻帶周期激勵特性,而且內(nèi)燃機振動具有激勵源多、頻帶寬的特點,按振動形式分為整機激勵、軸系激勵和結(jié)構激勵類型。另外內(nèi)燃機中還有許多板殼類結(jié)構和懸臂安裝部件,這些結(jié)構固定安裝在內(nèi)燃杯的外部承載結(jié)構上,工作中受到機構振動的激勵,當激勵頻率與這些零件的固有頻率一致時,產(chǎn)生局部共振,增大內(nèi)燃機的噪聲水平。這些振動會損壞設備的性能,降低可靠性和使用壽命;對環(huán)境造成噪聲污染,破壞其他設備的工作,惡化操作人員的工作條件,降低工作效率,嚴重影響系統(tǒng)的總體性能。
發(fā)動機振動的控制方法很多,但隨著對車輛舒適性及降噪要求的提高,振動主動控制成為主要研究方向。主動控制又稱有源控制,是利用外界供給的能量作為控制振動或抵消振動影響的重要手段,主動控制技術是振動理論與控制論的結(jié)合,以計算機、測試技術等為手段實現(xiàn)對發(fā)動機振動主動控制的。
評價發(fā)動機隔振裝置的隔振效果的參數(shù)主要使用力傳遞效率,即隔振裝置傳給基礎的傳遞力幅值FT與傳給隔振裝置的力F0的比值TA,如公式(1)

式中：ξ為相對阻尼系數(shù)；ξ=c/cn,cn為臨界的粘性阻尼系數(shù)，cc=2mωn;ω為激勵頻率，rad/s;ωn為系統(tǒng)的固有頻率，

從公式（1）可以看出，力傳遞效率是頻率比及相對阻尼系數(shù)的函數(shù)，其曲線見圖1

分析力傳遞效率曲線可得出如下結(jié)論:當ω/ωn<
,隨著阻尼系數(shù)的增大,力傳遞效率TF下降; ω/ωn≥√2,隨著阻尼系數(shù)的增大,力傳遞效率TA增大。因此,可以通過主動改變阻尼系數(shù)的大小來控制力傳遞效率TA,從而為主動控制懸置提供了理論依據(jù)。
2 主動控制懸置的結(jié)構特點與發(fā)展過程
主動懸置通過作動器直接產(chǎn)生動態(tài)力以抵消發(fā)動機傳遞到車身和由于路面不平度傳遞到發(fā)動機的振動力,理論上可使振動響應達到零,從而獲得最佳隔振效果。
在主動控制懸置出現(xiàn)以前有一種性能優(yōu)越于被動懸架的半主動控制懸置,但幾乎所有的半主動懸置的動力學響應對系統(tǒng)的結(jié)構參數(shù)都很敏感,需要嚴格的設計要求和制造工藝來保障,并且半主動懸置一般都用于改善低頻時車輛的減振性能,不能滿足車輛多工況的減振降嗓要。為了提高車輛的乘坐舒適性,主動懸置逐漸成為汽車設計人員研究的熱點。
主動懸置一般由被動式液壓懸置、作動器、傳感器和控制機構組成。被動式液壓懸置用于在低頻作動器失效時支撐發(fā)動機,高頻時作動器對控制信號作出快速反應,提供主動力用于衰減高頻振動。因此,主動懸置系統(tǒng)低頻時具有較高的剛度和較大的阻尼,能快速消除發(fā)動機的大幅振動:高頻時具有較低的剛度和較小的阻尼,用以隔絕高頻噪聲,能夠有效地提高車輛的乘坐舒適性。
Freudenberg公司在全輪驅(qū)動汽車的4缸發(fā)動機上應用了主動控制式液壓懸置,取得了令人滿意的效果。1988年, Peter L. Graf等人設計了一種采用液壓作動器的主動懸置。該懸置利用液壓泵的壓力,驅(qū)動液體在懸置的上、下液室之間流動,使作用在上液室的支反力與施加在其上的發(fā)動機不平衡擾動力相疊消。實驗表明,使用該懸置后,汽車動力總成系統(tǒng)的振動噪聲比被動式懸置降低了5-10dB。
德國的 Michael Muller等人于1994年研究了帶有電磁作動器的主動液壓懸置,研究試驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以降低駕駛員耳處的聲壓至少10dB。1995年,日本的 Toshi yukiShibayama等人發(fā)表文章,介紹他們應用壓電陶瓷作動器的發(fā)動機主動懸置,他們應用的是壓電陶瓷的逆壓電效應,在電壓的作用下產(chǎn)生位移。但是,壓電作動器輸出的位移很小,只適用于發(fā)動機的高速區(qū)段,低頻率的振動和噪聲問題仍然解決不了。
豐田公司在其 Lexus300轎車上批量采用了主動控制式液壓懸置系統(tǒng)。2002年,韓國的Y-W-ee把電磁作動器與液壓懸置的解耦盤連接,形成個作動的活塞,直接驅(qū)動液壓懸置內(nèi)的液體,從而改變懸置的動剛度,降低振動的幅值。在直列4缸發(fā)動機怠速時(25Hz頻率下),試驗測試的傳遞力可以衰減到接近于零。
加拿大 M.S. Foumani2002年利用形狀記憶合金的形狀記憶效應設計了一種形狀記憶金屬式主動懸置,該懸置是利用形狀記憶金屬的特性來改變液壓懸置的主簧剛度,從而提高懸置的隔振特性。
日本五十鈴公司采用了電磁作動器與液壓懸置結(jié)合,對重型柴油機的振動實施主動控制,結(jié)果表明,在20~30Hz范圍內(nèi),可以衰減傳遞力25-46dB。
吉林大學鄭瑞清等人提出了一種電致伸縮作動器液壓懸置,該研究的主動懸置是在原有的被動懸置的基礎上改逃的。其原理是在被動懸置上串聯(lián)個電致伸縮陶瓷疊堆作為主動控制作動器,隔離發(fā)動機激勵產(chǎn)生的簡諧振動。同時原有的被動液壓懸置主要用來隔離發(fā)動機瞬態(tài)工況產(chǎn)生的低頻振動和路面不平度激勵引起的振動2。
3 發(fā)動機主動懸置的作動器主要形式與原理
發(fā)動機主動懸置的作動器是核心部件,是主動控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。作動器對控制信號作出快速反應,提供主動力用于衰減高頻振動,低頻時具有較高的剛度和較大的阻尼,能快速消除發(fā)動機的大幅振動:高頻時具有較低的剛度和較小的阻尼,用以隔絕高頻噪聲,能夠有效地提高車輛的乘坐舒適性。根據(jù)目前比較成熟的作動器的開發(fā)與應用來看,作動器主要有電磁式、壓電式和電致伸縮式等幾種形式。
3.1 壓電陶瓷作動器
該類型作動器應用最為廣泛。壓電式作動器是利用壓電材料的逆壓電效應,通過施加外部電場,將電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置。壓電陶瓷作動器響應快,適應的頻率范圍廣,對溫度變化不敏感。但它位移量較小,約為幾個微米;要求的驅(qū)動電壓較高,約100~300V。壓電陶瓷作動器有兩種類型,種是薄膜型,另一種是疊堆型。前者粘接在結(jié)構表面,產(chǎn)生彎矩,控制結(jié)構振動;后者對結(jié)構提供控制力來控制振動。壓電陶瓷作動器產(chǎn)生的位移、外加電壓和作用力三者間的關系為:

式中:△L為位移,mm;U為外加電壓,V;F為作用力,N:Ks,和ds分別是壓電堆的等效力學剛度和等效壓電系數(shù)。
3.2 電致伸縮陶瓷微作動器
電致伸縮陶瓷微作動器是利用陶瓷的電致伸縮效應工作的。電致伸縮效應是指電介質(zhì)在電場的作用下由于感應極化作用引起應變,且應變與電場方向無關,應變的大小與電場的平方成正比。上述效應可用公式表達為

式中:M為電致伸縮系數(shù),m2/V2;E為電場強度,Vm;S為應變。
3.3 形狀記憶合金作動器
形狀記憶合金就是具有形狀記憶功能的材料,所謂形狀記憶效應即合金在經(jīng)受大的變形(一般最大可達到6%-7%)以后,施加一定的溫度使其超過相變溫度,則變形消失,合金又可以恢復到初始形狀。SAM的變形量與其形狀和預變形有關,在允許的變形范圍內(nèi),預變形越大,變形量就越大,但因sAM受熱傳導的限制,溫度是逐漸上升的,所以響應慢。
3.4 磁致伸縮材料作動器
磁致伸締材料屬于機敏材料的一種,它與常用的壓電材料、形狀記憶合金相比,具有響應速度快、應變大、使用頻帶寬、驅(qū)動電壓低等優(yōu)點。
磁致伸縮材料在外加磁場的作用下,尺寸、體積等會發(fā)生改變,具有較好的抗沖擊性,能提高較大的控制力,并且在低電流產(chǎn)生的磁場中具有很好的線性度和對電場變化的響應能力。磁致伸縮材料作動器位移約為幾十微米。磁致伸縮材料作動器既能承載,又能產(chǎn)生驅(qū)動作用;既可作智能隔振器,又可作智能吸振器。
電流變液體(簡稱ERF)指的是在絕緣的連續(xù)向液體介質(zhì)中加入精細的固體顆粒而形成的懸濁液。該液體在電場的作用下,會顯示明顯的固態(tài)特性,當電場解除后液體又恢復到原來所具有的特性。
電流變液體的流阻可隨施加電場的電壓的改變而改變,因而能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、可逆的控制。再加上它對控制信號的高度可靠性及快速響應性,從而使電流變液體在工程領域中可以解決許多難題。雖然在3-5ms內(nèi)可以使流體由不動狀態(tài)變換為活動狀態(tài),但反向轉(zhuǎn)換需要的時間卻要長一些,這嚴重限制了這類阻尼器的有用頻率范圍,是阻礙這種流體在振動主動控制中廣泛應用的主要因素。
3.5 液壓作動器
液壓作動器由一個液壓缸和一個伺服閥組成。它能夠在相對較小的結(jié)構尺寸下產(chǎn)生較大的位移和較大的作用力。但它需要專門的液壓系統(tǒng),因而容易產(chǎn)生噪聲;并在伺服閥輸入電壓和作動器的力或位移輸出之間產(chǎn)生非線性。另一個特別需要注意的問題是伺服閥要盡可能地靠近作動器安裝,以最大限度地減小性能下降,尤其是頻率在20H以上的情況下。液壓作動器在車輛主動懸掛和直升飛機機艙的振動主動控制中已得到很好的應用。
3.6 氣動作動器
氣動作動器的工作原理與液壓作動器的一樣,只是氣動作動器的工作介質(zhì)是空氣。氣動作動器的優(yōu)點在于它們可與使用相同空氣源的被動空氣彈簧控制并聯(lián)使用。但由于空氣的可壓縮性使得氣動作動器的帶寬較低(<10Hz)。氣動作動器在鐵路車輛主動懸掛中得到了廣泛的應用。
3.7 幾種主動控制作動器性能比較
通過對上述幾種常見發(fā)動機主動懸置的介紹各種類型的作動器的原理各不相同,且在實際使用中的特點也有較大差別,現(xiàn)將其總結(jié)如下,見表1

4 結(jié)束語
發(fā)動機主動懸置技術的研究還不很成熟,成本較高,其性能和可靠性有待于進一步提高,但隨著控制技術水平和加工工藝的提高,主動懸置必將成為新一代懸置系統(tǒng)的發(fā)展方向。
作者：于恩中，應繼來
作者單位：河南農(nóng)業(yè)大學
來源：汽車科技
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