基于磁流变液动力减振器的发动机隔振仿真与控制研究

蔡家明

摘要：提出了基于磁流变液动力减振器的发动机隔振振动模型，并结合实例对发动机整机隔振进行了仿真和控制分析研究。由仿真结果显示，所构建的磁流变液动力减振器模型及控制方法能较好地改善发动机整机隔振性能。相比传统动力减振器，磁流变液动力减振器及控制方法具有能根据发动机不同频率的实际振动状况，实时、精确地控制和改善发动机整机的宽频振动特性。

Abstract： A vibration isolation model of engine based on magnetorheological dynamic absorber is proposed， and the vibration isolation of engine is simulated and controlled with an example. The simulation results show that the magnetorheological dynamic absorber of model can improve the vibration isolation performance of the engine. Compared with the traditional dynamic absorber， the magnetorheological dynamic absorber can control and improve the broadband vibration characteristics of the engine in real time and accurately according to the actual vibration conditions of different frequencies of the engine.

关键词：磁流减振器;隔振;主动控制

Key words： magnetorheological absorber;vibration isolation;active control

中图分类号：TB535                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）13-0126-03

0  引言

发动机在工作时所产生的振动，不仅会对周围环境造成严重的噪声滋扰，同时还极大地降低车辆乘坐舒适性。动力减振器通过其弹性和阻尼元件所产生的力与外界激励力进行平衡，以达到降低发动机振动。由于发动机振动通常是多主频、宽频剧烈振动，采用固定参数的传统动力减振器无法对其所有频域振动进行减振。人工智能控制方法如模糊控制、神经网络控制、自适应控制及最优控制等广泛运用于发动机主动控制中[1-3]，能较好地改善了发动机宽频振动。近年来运用的磁流变液减振器不仅可获得连续可逆变化阻尼力，同时也具有能精确的实时控制以及低功耗、简洁的机电结构特点，可较好地改善发动机宽频振动特性[4-5]。本文基于所构建磁流变液动力减振器的发动机振动模型基础上，对发动机整机隔振进行了仿真和控制分析研究。

1  磁流变液动力减振器的发动机隔振控制模型

将实际发动机与磁流变液动力减振器简化为如图1所示的2自由度振动系统，其中m1为发动机质量，m2为动力减振器质量，k1和c1分别为发动机悬置刚度和阻尼，k2和c2分别为已有动力减振器刚度和阻尼， fd为磁流变液动力减振器输出的阻尼力，F0 sin？棕t为发动机激励力。由图示模型可建立该系统振动运动方程：

2  发动机隔振模型的激励力确定

考虑到发动机在稳定工况下其外部平衡性能主要是由往复惯性力、离心惯性力和往复惯性力矩、离心惯性力惯性力矩对机座的作用。对于直立n缸发动机，其往复惯性合力P和往复惯性合成力矩M可表示为

上式中的kp为比例系数，ki和kd分别为积分系数和微分系数。若设置kp过大，虽能使加快系统响应，但会形成超调;而设置过小又会使系统响应缓慢，延迟调节时间。对于积分系数，ki增大会加快消除净差，提高系统无差度，而增大kd能减少超调量，但会使降低其抑制干扰能力。实际控制时，只能根据系统响应状况，通过反复对kp、ki和kd调试完成其整定。

4  实例仿真分析研究

运用以上发动机磁流动力减振器模型及控制方法，并由MATLAB软件中的SIMULINK构建仿真模块，对一个转速为780～5800r/min转速范围的4缸汽油机整机振动进行控制。表1为该汽油发动机隔振模型的具体输入参数。由图1和表1的无磁流动力减振器系统的相关参数，经分析计算可知，该汽油机与传统动力减振器组成的振动系统放大系数，在频率为2.2Hz以及10.8Hz有较大的共振振幅，其共振转速为132r/min以及648r/min。虽然这二者转速不在汽油机实际转速范围，但在发动机怠速工况时仍有较大的振动。为进一步降低发动机系统振动，改善其运行状况，对该发动机在整个转速范围内进行动态实时控制。

图3、图4分别为该汽油发动机在780r/min怠速工況和2400r/min转速工况下的加速度仿真结果。由图3的在发动机转速为780r/min下，带传统动力减振器与磁流动力减振器加速度仿真响应对比分析图可知，该汽油机在带有传统动力减振器时其最大正加速度响应达到3.6m/s2，负向加速度也达到3.3m/s2，而使用磁流动力减振器，发动机正加速度响应最大为1.62m/s2，负向加速度响应为1.66m/s2。图4的发动机转速为2400r/min时，也表现出类似的振动响应特性，说明磁流动力减振器相比于传统动力减振器，能根据发动机不同频率实际振动状况，改变励磁电流和励磁磁强，实现对磁流变液动力减振器输出阻尼力的精确控制，从而使发动机整机隔振响应有明显的改善。

5  结论

基于所构建磁流变液动力减振器的发动机隔振模型和发动机激励力分析基础上，结合实例及运用MATLAB中SIMULINK所构建的仿真模型及控制方法，对发动机整机隔振控制进行了仿真分析研究，由仿真结果和分析可得出以下结论：①运用所提出的基于磁流变液动力减振器的发动机隔振模型及控制方法，能较好地对发动机整机振动响应进行有效隔振。②与基于传统动力减振器的发动机整机隔振效果相比，所构建的磁流变液动力减振器模型及控制方法，能根据各频率的发动机实际振动，实时精确地控制阻尼力，以改善发动机宽频振动特性。

参考文献：

[1]王曦，朱建新，张德庆，等.神经网络在内燃机整机振动主动控制中的应用研究[J].车用发动机，2003（1）：44-45.

[2]王永达，许沧粟.发动机振动模糊半主动控制的研究[J].汽车工程，2006，28（7）：663-664.

[3]史文库，孙国春，田彦涛.汽车发动机主动隔振系统最优控制[J].车辆与动力技术，2004（2）：2-3.

[4]S.R.Hong，S.B.Choi，Vibration Control of a Structural  System  Using Magneto-Rheological  Fluid  Mount[J] .Journal of Intelligent Material System and Structures，2005，16（111-12）：931-936.

[5]陈世嵬.基于磁流变悬置的发动机主动隔振研究[D].重庆：重庆大学，2012.