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前言 动力吸振器是一种在汽车，建筑，航天等很多行业经常用到的减振机构。英文中，动力吸振器一般有两种称法：dynamic vibration absorber 和 tuned mass damper(TMD, or mass damper,也有称tuned dynamic absorber)。部分文献对这两类称法有所区分，但是也有文献将其归为一类。个人认为由于原理类似，很难做到精准区分, 可以认为dynamic vibration absorber 和 TMD是一回事。 2 基本原理 汽车NVH中，存在着不少窄频带的NVH问题。而由于工程条件限制，很多情况下我们无法直接更改结构，这时候动力吸振器（以下简称吸振器）就是一种很好的选择。其作用的手段可以粗略地分为两类：一是对问题频率施加阻尼(有分类称之为damper)；二是偏移问题频率(有分类称之为absorber)。其实两者最终都是通过调节附加在主结构上的吸振器参数来实现的，只不过吸振器和主结构的耦合方式不同。下面我们就具体来看一下。 首先来看对问题频率施加阻尼，我们以高大上的F1赛车为例来了解一下。F1赛车在跑道上行驶的时候，由于路沿石及路面不平整，车体会发生上下振动。这种振动导致车体的离地间隙发生变化，由于车速极快，车体的空气动力效率会受到很大影响。为此雷诺工程师Rob Marshall发明了一种吸振器并在雷诺车型R25和R26上成功的进行了应用。该吸振器位于车体前段鼻锥内，其作用就是对振动施加阻尼，降低垂直振动水平。根据不同赛道的特点，工程师可以对吸振器内部的结构进行调整，调谐其工作频率。总体来说，这种减振器的作用就是使车体在过弯道，路面变化等工况下保持比较平稳的车体状态，提高空气动力效率。不过在06赛季后半段，该结构被FIA禁止使用，雷诺声称这使他们的R26一圈损失了0.3秒，结果法拉利车队赢得了余下7站中的5站。但雷诺车队仍凭借前期积累的积分优势获得2006年F1车队总冠军，雷诺车手Fernando Alonso获得车手总冠军。   我们再来看一下偏移问题频率。如果简化成模型，吸振器可以视为附加在主结构上的质量弹簧系统。更简化一些，就是原来的单自由度系统变成了两自由度系统，系统由一阶模态变为了两阶模态。如果主结构和吸振器的频率相同，那么新系统的两阶模态频率和原主结构频率都不同，也即实现了频率偏移。为了具体了解一下细节，我用软件简单地做了一个单自由度和两自由度模型(质量比8:1)。通过谐响应仿真结果我们可以看到，第一，吸振器实现了问题频率的偏移，新系统的两个固有频率位于原固有频率的两侧；第二，两个新频率下的幅值响应均小于原频率的幅值响应；第三，新系统在主结构固有频率处近似实现了“隔山打牛”的效果，也即此频率下的大部分振动能量转移到了吸振器上。   从上面两图可以清楚地看出，如果选定的吸振器的频率刚好与部件的某一阶模态频率相同，那么结构的动力学特征将发生显著改变，二者之间有明显的动力学耦合行为。然而，如果吸振器的频率没有选择正确（如下图所示），那么，在附加的吸振器系统和结构之间没有明显动力学耦合。下图表明，增加的吸振器系统对结构原始模态的影响非常小。  3 工程应用 在汽车工程中，吸振器的应用多集中在“偏移问题频率”方面。吸振器面对的NVH问题频率（如行李箱后盖板振动和车内声腔耦合造成的轰鸣声，方向盘的怠速抖动等）往往不是特别高，也即结构模态或声腔模态的前面几阶。模态阶次较低的振型相对来说简单，我们可以将其近似为一个单自由度系统，而吸振器我们也可以近似认为是一个单自由度系统。这样主结构和吸振器就组成了一个两自由度的新系统，也即我们前面讲到的仿真模型。如果我们调节吸振器的频率使其和主结构一致，那么新系统就实现了频率偏移，从而改变了主结构的动力特性。吸振器并不直接改变原结构，而且质量并不大，一般对原系统的功能也没有太大影响，这是其优势所在。但新系统会产生新的固有频率，要考虑新的固有频率对NVH的影响。  几乎所有的乘用车都会有至少一个吸振器，有的甚至会有10个以上。吸振器的应用要注意以下几点。第一，吸振器通常适用于窄频带NVH问题，当然特殊应用情况下也可以适用于宽频带问题，比如离心摆式吸振器在改善动力总成扭振中的应用；第二，吸振器的质量和刚度等参数应根据需要调节，使其工作频率和问题频率一致，同时吸振器的参数也会影响到新产生的频率；第三，在空间可能的情况下，吸振器应安装在振幅较大的位置；第四，很重要的一点，吸振器的工作振型应和主结构简化后的单自由度振型是同一自由度，在实施吸振器措施前，有必要通过ODS或模态试验确定主结构的振型。 关于质量和刚度对吸振器的影响，还有频率偏差造成的影响，将在下一篇中进行介绍。 参考文献 1.庞剑,《汽车车身噪声与振动控制》. 2.http://www.acs./drussell/Demos/absorber/DynamicAbsorber.html 3.http://www./renr26.htm 作者简介 |
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