車輛振動(dòng)學(xué)的思考（一）

2017-02-15 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

作者:偶然

文章起緣

三月,春日的暖陽(yáng)灑在河面上,金光閃閃,隨著河面的漣漪起伏跳動(dòng)。河邊的柳樹(shù)枝上冒出點(diǎn)點(diǎn)綠,柳條隨著咋冷含暖的春風(fēng)輕輕飄舞。路邊的桃花、玉蘭花,爭(zhēng)相開(kāi)放,粉的,白的,深紅的,五彩紛呈。泥土潤(rùn)了,草兒們睜開(kāi)了惺忪的眼睛,拼命地鉆出地面,露出了尖尖的小腦袋,用嫩綠色的容顏給花兒做著衣裳,襯出它們的嬌艷與多彩,泥土的清香夾雜著花的幽香撲面而來(lái),讓人沉醉。

此時(shí)此景,一如我從繁重的學(xué)業(yè)走出來(lái)的心境一樣,對(duì)未來(lái)充滿希望。經(jīng)歷過(guò)漫長(zhǎng)冬季的蕭瑟與掙扎,面對(duì)新生時(shí)如同大夢(mèng)初醒。我深深地知道,曾經(jīng)走過(guò)的路只是一段經(jīng)歷,而非結(jié)果。四季輪回中,終點(diǎn),也是新的起點(diǎn)。任何的研究領(lǐng)域都具有無(wú)限的空間,我們還需不斷的努力。

恩師生前為車輛減振研究做出了數(shù)年的努力和積累。他是一位虔誠(chéng)的學(xué)者,所有的研究都是基于國(guó)家的需要。他的精神,如同白白的玉蘭花,素裝淡裹,晶瑩皎潔,具有出污泥而不染的高尚情懷。我很想窮盡自己的后半生,將恩師及同門對(duì)于車輛減振方面所做的研究結(jié)果進(jìn)行整合,期望將來(lái)的某一日出版,不負(fù)他曾經(jīng)的期望。

因此,我想努力每周寫(xiě)一篇文字,記錄自己對(duì)車輛振動(dòng)學(xué)的思考。因?yàn)橹R(shí)面、實(shí)踐水平、研究思路和文字表達(dá)的局限性,難免有疏漏與不足,歡迎在車輛振動(dòng)相關(guān)行業(yè)的同仁共同交流,探索。

一車輛振動(dòng)的概念

車輛是由多個(gè)系統(tǒng)組成的復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng),有發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)、制動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)、車身和車架系統(tǒng)的振動(dòng)以及懸架系統(tǒng)的振動(dòng)。路況的變化和操縱需求的變化亦對(duì)車輛振動(dòng)特性的存在影響。

隨著機(jī)械技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)生活品質(zhì)要求的提高,車輛的減振與降噪越來(lái)越成為廠家關(guān)注熱點(diǎn)之一。激勵(lì)源的分析,振動(dòng)與噪聲的測(cè)試,減振與降噪的實(shí)現(xiàn)手段(新型阻尼材料的選用,減振控制裝置的設(shè)計(jì)與研發(fā)等),減振裝置中剛度與阻尼的不同匹配性能,減振裝置性能與成本之間的折衷,車輛輕型化與系統(tǒng)穩(wěn)定性都對(duì)研究者提出了更高的要求,努力需要繼續(xù)。隨著系統(tǒng)的技術(shù)性能的提高,系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本也隨之提高。

記得有一位大學(xué)生問(wèn)我:振動(dòng)系統(tǒng)中的阻尼取多少比較好?有什么確定的值?我一時(shí)無(wú)法精確的回答。從他的問(wèn)題里,反映出了大學(xué)生的思維:總是希望尋找一個(gè)最優(yōu)的答案,或者說(shuō)確切的答案。而實(shí)際的研究中,任何一個(gè)系統(tǒng)選用的阻尼材料及阻尼機(jī)構(gòu),均是各種因素的折衷,這個(gè)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析,如下圖中為車輛采用行車高度控制懸架、空氣懸架、和油氣懸架時(shí),車輛的各項(xiàng)性能的對(duì)比。

二車輛振動(dòng)學(xué)的研究?jī)?nèi)容

理論力學(xué)中的動(dòng)力學(xué)有兩個(gè)研究?jī)?nèi)容:一、知道力,研究物體的運(yùn)動(dòng);二、知道物體的運(yùn)動(dòng),研究其受力。車輛振動(dòng)學(xué)的研究與其相似,亦有兩個(gè)方向:一,知道振動(dòng)特性,優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)阻尼元件或裝置,進(jìn)行減振降噪;二是,研究不同元件及介質(zhì)的減振特性,對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)性能影響規(guī)律。(這是個(gè)人理解,如有不同觀點(diǎn)或理解,歡迎交流)

在這兩個(gè)研究?jī)?nèi)容中,有著許多的研究分支:阻尼材料的特性、尺寸的影響,阻尼裝置的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì),阻尼裝置的內(nèi)特性產(chǎn)生機(jī)理及外特性影響;阻尼控制機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分及控制系統(tǒng)軟件硬的設(shè)計(jì);阻尼理論模型的建立及仿真手段的研究;每一種阻尼系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)特性的影響規(guī)律的評(píng)價(jià);剛度與阻尼的匹配在不同的激勵(lì)下的影響規(guī)律等等。

在機(jī)械制圖中,學(xué)習(xí)的順序?yàn)?點(diǎn)、線、面、體、零件、構(gòu)件、部件、到最終的裝配體,我們的研究從簡(jiǎn)單走向復(fù)雜。那么,對(duì)于振動(dòng)的研究,亦服從此規(guī)律。振動(dòng)現(xiàn)象遍布于機(jī)械、建筑、醫(yī)療、航空航天等眾多領(lǐng)域。研究振動(dòng)的機(jī)理,探索振動(dòng)特性,設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的減振裝置,避免或減少系統(tǒng)振動(dòng)的損害是振動(dòng)學(xué)研究者努力的方向之一。

在振動(dòng)的研究中,理論研究是基礎(chǔ),試驗(yàn)是驗(yàn)證手段,仿真是在理論及試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步拓展研究對(duì)象的內(nèi)部特性及外特性影響規(guī)律。我初步計(jì)劃,針對(duì)前人在車輛振動(dòng)領(lǐng)域不同的理論研究、試驗(yàn)和仿真的研究結(jié)果進(jìn)行分期探討。

三車輛振動(dòng)學(xué)的理論研究

數(shù)學(xué)本身是對(duì)客觀物理世界的抽象,借用數(shù)學(xué)的辦法,對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析。我們所研究的對(duì)象,都是復(fù)雜的系統(tǒng)。當(dāng)建立的模型越復(fù)雜,越接近實(shí)際情況,也越能進(jìn)行逼真的模擬,但是參數(shù)獲取的難度增加,求解的難度更高,分析困難程度越高。建立的模型越簡(jiǎn)單,分析越容易,但得到的結(jié)果與實(shí)際的符合程度存大較大的差異。在建立振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型時(shí),總是在求得簡(jiǎn)化表達(dá)和逼真模擬兩者之間進(jìn)行折中。

1.簡(jiǎn)化模型

當(dāng)研究車輛的基本振動(dòng)特性時(shí),可將車輛簡(jiǎn)化為四分之一車體單自由度模型。

當(dāng)考慮車輪質(zhì)量的影響時(shí),可以簡(jiǎn)化為四分之一車體二自由度模型。

當(dāng)研究車輛的俯仰振動(dòng)時(shí),將車輛簡(jiǎn)化成二分之一車體兩自由度系統(tǒng)。

當(dāng)研究車輛更復(fù)雜的振動(dòng)特性時(shí),將車輛簡(jiǎn)化成更多自由度的系統(tǒng)。

2、振動(dòng)系統(tǒng)要素的組成分析

由前所述,振動(dòng)系統(tǒng)的的組成要素有:激勵(lì),質(zhì)量,剛度和阻尼。車輛在激勵(lì)的作用下,產(chǎn)生振動(dòng),其中質(zhì)量和剛度決定了系統(tǒng)振動(dòng)的固有頻率,而阻尼的大小和特性決定了振動(dòng)衰減的狀況。

振動(dòng)系統(tǒng)中的阻尼力來(lái)源有非常多的形式和結(jié)構(gòu)。例如,兩個(gè)物體之間的干摩擦力,有潤(rùn)滑的兩表面之間的摩擦力,有空氣,惰性氣體以及液體等介質(zhì)的阻尼,電磁阻尼以及材料的內(nèi)部阻力等。在阻尼的實(shí)現(xiàn)與控制上,工程上,不同的車輛工程師有不同的設(shè)計(jì)思路。

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