車輛振動學(xué)的思考（一）

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

作者:偶然

文章起緣

三月,春日的暖陽灑在河面上,金光閃閃,隨著河面的漣漪起伏跳動。河邊的柳樹枝上冒出點點綠,柳條隨著咋冷含暖的春風(fēng)輕輕飄舞。路邊的桃花、玉蘭花,爭相開放,粉的,白的,深紅的,五彩紛呈。泥土潤了,草兒們睜開了惺忪的眼睛,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,讓人沉醉。

此時此景,一如我從繁重的學(xué)業(yè)走出來的心境一樣,對未來充滿希望。經(jīng)歷過漫長冬季的蕭瑟與掙扎,面對新生時如同大夢初醒。我深深地知道,曾經(jīng)走過的路只是一段經(jīng)歷,而非結(jié)果。四季輪回中,終點,也是新的起點。任何的研究領(lǐng)域都具有無限的空間,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。他是一位虔誠的學(xué)者,所有的研究都是基于國家的需要。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,將恩師及同門對于車輛減振方面所做的研究結(jié)果進行整合,期望將來的某一日出版,不負他曾經(jīng)的期望。

因此,我想努力每周寫一篇文字,記錄自己對車輛振動學(xué)的思考。因為知識面、實踐水平、研究思路和文字表達的局限性,難免有疏漏與不足,歡迎在車輛振動相關(guān)行業(yè)的同仁共同交流,探索。

一車輛振動的概念

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

隨著機械技術(shù)的發(fā)展,人們對生活品質(zhì)要求的提高,車輛的減振與降噪越來越成為廠家關(guān)注熱點之一。激勵源的分析,振動與噪聲的測試,減振與降噪的實現(xiàn)手段(新型阻尼材料的選用,減振控制裝置的設(shè)計與研發(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)生問我:振動系統(tǒng)中的阻尼取多少比較好?有什么確定的值?我一時無法精確的回答。從他的問題里,反映出了大學(xué)生的思維:總是希望尋找一個最優(yōu)的答案,或者說確切的答案。而實際的研究中,任何一個系統(tǒng)選用的阻尼材料及阻尼機構(gòu),均是各種因素的折衷,這個需要根據(jù)實際情況進行分析,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,車輛的各項性能的對比。

二車輛振動學(xué)的研究內(nèi)容

理論力學(xué)中的動力學(xué)有兩個研究內(nèi)容:一、知道力,研究物體的運動;二、知道物體的運動,研究其受力。車輛振動學(xué)的研究與其相似,亦有兩個方向:一,知道振動特性,優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),設(shè)計阻尼元件或裝置,進行減振降噪;二是,研究不同元件及介質(zhì)的減振特性,對系統(tǒng)的振動性能影響規(guī)律。(這是個人理解,如有不同觀點或理解,歡迎交流)

在這兩個研究內(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,阻尼裝置的內(nèi)特性產(chǎn)生機理及外特性影響;阻尼控制機構(gòu)的機械部分及控制系統(tǒng)軟件硬的設(shè)計;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)對振動特性的影響規(guī)律的評價;剛度與阻尼的匹配在不同的激勵下的影響規(guī)律等等。

在機械制圖中,學(xué)習(xí)的順序為:點、線、面、體、零件、構(gòu)件、部件、到最終的裝配體,我們的研究從簡單走向復(fù)雜。那么,對于振動的研究,亦服從此規(guī)律。振動現(xiàn)象遍布于機械、建筑、醫(yī)療、航空航天等眾多領(lǐng)域。研究振動的機理,探索振動特性,設(shè)計經(jīng)濟合理的減振裝置,避免或減少系統(tǒng)振動的損害是振動學(xué)研究者努力的方向之一。

在振動的研究中,理論研究是基礎(chǔ),試驗是驗證手段,仿真是在理論及試驗驗證的基礎(chǔ)上,進一步拓展研究對象的內(nèi)部特性及外特性影響規(guī)律。我初步計劃,針對前人在車輛振動領(lǐng)域不同的理論研究、試驗和仿真的研究結(jié)果進行分期探討。

三車輛振動學(xué)的理論研究

數(shù)學(xué)本身是對客觀物理世界的抽象,借用數(shù)學(xué)的辦法,對振動系統(tǒng)進行理論分析。我們所研究的對象,都是復(fù)雜的系統(tǒng)。當(dāng)建立的模型越復(fù)雜,越接近實際情況,也越能進行逼真的模擬,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。建立的模型越簡單,分析越容易,但得到的結(jié)果與實際的符合程度存大較大的差異。在建立振動系統(tǒng)的力學(xué)模型時,總是在求得簡化表達和逼真模擬兩者之間進行折中。

1.簡化模型

當(dāng)研究車輛的基本振動特性時,可將車輛簡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,可以簡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時,將車輛簡化成二分之一車體兩自由度系統(tǒng)。

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

2、振動系統(tǒng)要素的組成分析

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

振動系統(tǒng)中的阻尼力來源有非常多的形式和結(jié)構(gòu)。例如,兩個物體之間的干摩擦力,有潤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。在阻尼的實現(xiàn)與控制上,工程上,不同的車輛工程師有不同的設(shè)計思路。

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