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　　发动机是一种被广泛使用的热能动力机械,其运行时产生的振动是运载器,汽车、船舶、飞机等,的主要振源之一。发动机运行时会产生宽频、多振源和多主频的振动,这不但会影响机载设备的正常工作,而且会降低乘坐舒适性,对周围的环境造成滋扰,严重时还会造成人员财产的损害。采用悬置系统能够有效地降低发动机振动能量向运载器的传播, 目前发动机一般采用橡胶悬置或液压悬置,难以满足宽频隔振的要求,基于磁流变液的半主动悬置得到了广泛的研究。本文以某四缸直列柴油发动机为研究对象,探讨了挤压模式磁流变液悬置的力学特性及磁路设计,对发动机隔振系统进行了仿真,研究基于PID和仿人智能控制方法,并在发动机振动台架上进行试验,具体如下,

　　①针对发动机振动位移较小的特点,设计制造了挤压模式的发动机磁流变液悬置,推导出挤压下的径向速度分布、压力分布和剪切应力,确定了牛顿流动区和宾汉流动区的分界面,计算了随着外加电流变化的圆盘挤压力的数学表达式。利用MTS8701电液伺服激振控制台进行了测试,得出的试验阻尼力与理论阻尼力基本相符合。

　　②对四缸直列柴油发动机激振力及其力矩进行了分析,得出引起发动机振动的主要激振是二阶惯性力和倾覆力矩,并对激励力的大小进行了估算。根据拉格朗日方程建立了发动机磁流变液悬置隔振系统的二自由度动力学模型,分析了频率比和阻尼比对力传递率的影响,并估算了系统刚度的范围。

　　③仿人智能控制的主导思想就是在对人的控制结构宏观规模的基础上进一步研究人的控制行为功能并加以模拟。考虑到发动机在运行过程中产生的垂直方向振动和绕输出轴的倾覆力矩设计了PID控制方法和仿人智能控制方法,并进行了仿真,仿真表明了仿人智能控制有较好的隔振效果。

　　④利用重庆交通大学的发动机测试平台搭建了基于磁流变液悬置的发动机振动隔离测试及控制系统,利用NI的CompactRIO(紧凑型可重配置的输入输出)嵌入式实时控制器,设计了发动机振动控制的数据采集和实时控制程序。在不同工况下,对发动机进行整机试验。对基于磁流变悬置仿人智能控制后的数据进行了处理和分析,并和被动的橡胶悬置和PID控制的试验结果进行了对比分析,在低频和高频部分,仿人智能控制有着较好的隔振性能。

　　发动机作为一种广泛使用的热能动力机械,为汽车、船舶、飞机等提供主要的动力源。然而随着道路条件的改善和人们对乘坐舒适性要求的提高,发动机振动对汽车的影响越来越突出[1]。发动机的振动是船舶动力机械中最主要的噪声源之

　　一,可以通过各种途径引起船壳板的振动, 向水中辐射噪声,在军事中容易暴露目标,在民用船只中会影响船体结构的稳定、设备的正常工作及人员的安全[2]。航空发动机是飞机的心脏,是一种高速旋转的动力机械,其运行中的振动问题十分突出,不仅会损坏飞机精密电子仪器,严重时还会影响到飞机行驶安全[3]。

　　既然发动机的振动有这样那样的负面影响,对发动机及发动机的振动进行科学的处理是十分必要的。鉴于发动机在现代生活中是不可替代的, 目前解决发动机振动的方法主要有两种,一种是对发动机的结构和制造工艺进行优化,这种优化可以在一定程度上减小传动构件的摩擦,但是对于连杆曲柄机构的往复惯性力仍然无法消除或减弱。

　　从国内外相关文献和当今对发动机振动解决的方法中可以看出,解决发动机振动问题最有效的办法是在发动机与运载器,汽车、船舶、飞机等,之间安装悬置,悬置的特点是吸收发动机的振动能量,阻止发动机自身产生的激励向机体传递,并且要能够支撑发动机静止重量[4]。

　　悬置需要具有一定的刚度,用以支撑发动机的静止重量,同时要具有一定的阻尼,用来耗散发动机的振动能量。通常情况下,在发动机的四个支点处安装悬置,由于发动机的质量分布不均匀, 四个悬置所受的静载力和在发动机激励下所受到的力的大小是不相同的, 四个悬置处的振动幅值和支点处的位移相应也是不相同的。发动机的振动主要是由于曲柄连杆机构的往复运动所引起的, 因此在发动机转速较低, 即曲柄连杆机构往复运动频率较小时,发动机四个支点处的振动幅值较大,为了迅速地降低振动位移响应,通常要求悬置具有较大阻尼和较大刚度的特性,而当发动机的转速较高, 即曲柄连杆机构往复运动频率较大时,发动机四个支点处的振动幅值较小而激励力幅值较大,为了降低力传递率,通常要求悬置具有较小阻尼和较小刚度的特性。

　　发动机悬置从最初的柔性材料到橡胶悬置、钢丝绳悬置等被动悬置到如今广泛研究的各种主动半主动悬置, 已经有了近百年的历史,取得了众多的研究成果,有的研究技术十分成熟,广泛应用于各种运载器之中。随着控制理论的发展,主动半主动悬置的控制方法也日渐成熟,各种智能控制方法的应用,使得发动机悬

　　置变刚度和变阻尼的要求得到了很好的满足。近年来各国的研究学者和专家主要研究的悬置的种类和各种控制方法如下面两小节所描述。

　　蒸汽机的发明是历史进步的一个十分重要的标志,伴随着蒸汽机的改进和优化,发动机和汽轮机逐渐发展起来,最后取代了蒸汽机。在发动机的发展历程中,其振动问题一直是研究者关注的,最初发动机和运载器机体或者工作基座是直接刚性连接的,这样振动能量直接传递到了机体或基座[5] 。到了19世纪初期,研究者和制造商们试着采用各种柔性材料比如皮革、布垫等,然而效果并不理想。

　　橡胶的发现是发动机悬置甚至其他工业发展的一个重要里程碑,将橡胶用来制造发动机悬置要追溯到1930年, 由于一般的硫化橡胶具有较大的弹性,在激励下会产生较大的复原力,所以作为发动机悬置不但不能消耗振动能量,甚至还会引起发动机更大幅值的跳动。于是研究者们将橡胶硫化到金属上,形成了发动机橡胶悬置[6]。荷兰的Loggers公司研究了一种可实现三向变形的球形橡胶悬置,该悬置用于荷兰海军舰艇,经过试验测试该橡胶悬置的最大变形量为可达到75 mm

　　[7]。 目前橡胶悬置被广泛使用,但是由于橡胶在大约几百赫兹频率激励时会有较大的动刚度,并有较小甚至为零的阻尼,这严重影响了橡胶悬置的隔振效果。而且橡胶这种材料耐温、耐油性能较差[8]。

　　针对橡胶悬置出现的问题,一些研究者提出了钢丝来支承发动机。钢丝绳作为减振元件具有低频大阻尼和高频低刚度的变参数性能, 因而能有效降低机体的振动,与传统的橡胶类相比具有抗油、抗腐蚀、抗温差、抗高温、耐老化以及体积小等优点。美国MILTOPE公司生产的加固型磁盘驱动器RDS4502/1602就采用了钢丝绳减振器,整个HAD的两端通过钢丝绳减振器支持在框架上, 隔离冲击与振动,效果明显[9]。

　　液压悬置除了橡胶主簧以外,还在内部灌充了特殊液体,一般为乙二醇,,通过流道板、解耦片、皮碗等零件以一定结构组成。 20世纪40年代,美国的研究者就提出将液压减振和橡胶悬置组成一体[10]。 1979年,德国的大众公司第一次将液压悬置应用到了实车[11]。 1984年,德国的Escan公司在其生产的六缸发动机上安装了解偶式液压悬置,车内振动噪声大大降低[12]。

　　国内研究被动液压悬置的主要有北京理工大学、清华大学和浙江骆氏企业玉环塑胶机械厂。 2003年,浙江骆氏企业玉环塑胶机械厂开发出一款汽车发动机被动液压悬置,该悬置申请了国家专利,拥有自主知识产权[13]。经过各国研究学者和专家的研究,被动液压悬置得到了不断的发展和完善。当今普遍应用的主要有简单节流孔式、惯性通道式、惯性通道-解偶膜式等几种, 2006年,清华大学的范让林、 吕振华等学者研究了这三种液压悬置的特性对比[14]。

　　被动液压悬置能够在低频范围内有效抑制发动机的振动,但其在高频下易发生动态硬化的现象,这限制了被动液压悬置的进一步应用。既然被动的橡胶悬置、钢丝绳悬置和液压悬置都不能很好地解决发动机振动传递的问题,就需要对主动半主动的发动机悬置进行研究。半主动悬置主要有半主动液压悬置、基于智能材料,主要指电流变液、磁流变液和磁流变液弹性体,的半主动悬置等。

　　半主动液压悬置的原理如图1.1。其基本原理是通过改变半流进和流出悬置的液体质量来达到调节阻尼力的目的。 1983年,三菱公司在其自产的豪华轿车上安装了电控节流阀开度的液压悬置,有良好的隔振降噪效果[15]。

　　电流变液(Electrorheological Fluids,简称ERF)是一种悬浮液,在电场的作用下可发生液体固体之间的相互转变。当外加电场强度低于某个临界值时, 电流变液呈液态, 当电场强度高于这个临界值时,它就变成固态, 当电场强度在临界值附近,其粘滞性随电场强度的增加而变大。 由于它具有屈服应力、弹性模量随着所施加的电场的变化而变化的特性,于是可以用来开发各种应用阻尼器件。在1988年,Metzeler公司开发出第一款电流变液半主动悬置[16]。 Petek利用电流变液的自由流动和塑性变形设计了一种电流变液悬置[17]。北京理工大学张少华等从理论角度分析电流变液悬置的隔振性能并进行了动态仿线]。吉林大学的史文库、姜波

　　磁流变液,Magnetorheological Fluid ,简称MRF,类似于电流变液,在磁场的控制下可以改变其形态,从而达到改变阻尼的特点。其在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性,而在高磁场作用下,呈现出高粘度、低流动性的Bing-ha n流体流动特性。由于磁流变液在磁场作用下的流变特性的改变是瞬间的、可逆的,而且其剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系, 因此可以用来设计各种应用器件。 目前研究的较多的是将磁流变液用来制作减振器,基于磁流变液的减振器有精确的实时控制、连续可逆变化的较大范围的阻尼力、低功耗、简洁的机电结构等特点[20][21]。

　　从磁流变效应发现之初到现在,各国的研究机构对磁流变液做了大量的研究工作。美国的Lord公司和德国的BASF公司对磁流变液在车辆悬架上的应用进行了大量的研究工作取得了很大的科研成果[22]。

　　2002年, 由Lord公司和Delphi公司一起制作的磁流变液减振器MagneRide 被用于Cadillac系列轿车悬架控制系统,由此带来的平顺性和舒适性赢得了业内人士的普遍赞扬。美国智能自动控制公司研究了一种基于磁流变液舰载飞机发动机悬置,使用这种悬置能使飞机飞行时的振动幅值减小78%,着陆时振动位移量减小21%[23]。韩国Inha大学与现代汽车公司合作,对高档客车发动机采取磁流变液悬置,对其振动抑制取得了很好的效果[24]。上海交通大学的陈大跃等把磁流变液悬置用于发动机台架进行了试验研究[25]。重庆大学的李锐、刘会兵等对磁流变液悬置的特性及其在发动机隔振方面的应用进行了理论分析[26]。

　　磁流变弹性体,Magnetorheological Elastomer,简称MRE,最近研究的较多的一种智能材料,其也是基于磁流变效应,它由橡胶基体和铁磁性颗粒组成,在外加磁场的作用下,其弹性特性发生变化[27]。利用磁流变弹性体的刚度受控可变,用它来代替传统的橡胶对发动机振动进行隔离有一定的前景。美国Ford公司针对汽车振动问题,提出了利用磁流变弹性体来解决的思路[28]。

　　半主动悬置可以根据振动的强弱,智能调节悬置系统的阻尼或刚度,能够有效隔离发动机振动,但其对系统结构比较敏感,在低频下的隔振效果较好,高频下的隔振能力有待进一步研究。

　　主动悬置是由力发生器产生主动能量来抵消发动机的振动能量。典型的主动悬置结构包括用来支承发动机的静载被动悬置、力发生器、采集振动信号的传感器和控制器。力发生器是主动悬置的关键部件,应具有较好的动力特性,能够很

　　快地响应控制信号。按照力发生器的原理不同可以将主动悬置分为电磁式主动悬置、压电式主动悬置和电致伸缩式主动悬置等几种。

　　1988年, Freudenberg公司在四缸柴油发动机上应用了主动液压悬置[29]。 1994年,德国人Michael Muller等研究了基于电磁作动器的主动液压悬置并进行了试验研究[30]。 1995年, 日本的研究学者Toshiyuki Shibayama等采用逆压电效应制作了发动机主动悬置[31]。

　　[32]。 2005年,史文库等又研制了一种利用电磁作动器为主动控制元件的发动机悬置并进行了仿线年华中科技大学的李维嘉和华东交通大学的曹青松研制了一种采用压电原件的主动弹性隔振系统,将压电原件粘贴于一定形状的弹性原件上, 以压电原件作为作动器,用来施加主动控制力,通过仿真在理论上取得了不错的效果[34]。

　　发动机主动、半主动悬置中的控制器是对采集的信号进行分析,输出控制信号的部件,其控制方法直接影响到隔振效果。 目前国内外的学者提出多种控制方法,其中比较常用的有模糊控制、神经网络控制、 自适应控制、最优控制等。

　　天棚控制(S ky-hook)是Karnopp在1974年提出的, 因为它原理简单,控制有效,得到了广泛的应用[35]。其基本设计思想是根据悬置处的速度进行控制。 T.Ush -ijima和S.B.Choi等先后设计了单自由度的天棚控制器对发动机电流变液悬置进行了控制[36]。

　　自适应控制系统主要用于受控对象及参数存在较严重不确定性的振动系统,将测量值与期望指标进行比较,做出相应的控制, 以保证系统运行在某种最优状态下。 S.J.Elli ottt等提出了用自适应算法设计发动机主动悬置的控制器并进行了仿线]。Y.W.Lee等设计了滤波自适应控制器,试验表明该种控制方法能有有效降低力传递率[38]。哈尔滨工程大学的刘志刚对柴油发动机隔振时采取自适应控制控制[39]。

　　最优控制的核心思想是在满足一定约束条件下,寻求最优控制策略,使得性能指标取极大值或极小值。在发动机主动悬置的控制方法中,各国学者研究的较多的是线性最优控制、 ∞最优控制和最优预见控制[40]。韩国学者S.B.Choi等研究了混合模式电流变液发动机悬置的 ∞控制方法[41]。天津大学的郝志勇等人研究了发动机振动的全状态最优控制和部分状态次优控制[42]。

　　模糊控制不需要有精确的数学模型,在工程领域有着广泛的应用。 19世纪90年代开始,模糊控制方法被应用在发动机隔振中[43]。 日本德岛大学芳村敏夫教授

　　在研究汽车悬架半主动和主动控制系统时,采用模糊推理过程对车身的垂直振动和俯仰振动进行了隔振仿真,其结果证实了采用模糊控制方法的有效性。江苏大学的王曦等人设计了主动隔振悬置的垂向振动模糊控制器[44]。

　　神经网络方法具有很强的非线性映射能力,鲁棒性和自适应性都较强,适用于描述复杂非线]。 J.D.Fadly等设计了主动隔振的神经网络控制器[46]。江苏大学的王曦,朱建新等人设计了BP神经网络控制器,并对真机振动控制进行了仿线]。 同济大学的华春雷等设计了发动机垂向振动的神经网络自适应控制器,并进行了台架试验[48]。

　　仿人智能控制是由重庆大学周其鉴教授提出的,经过李祖枢教授和他的学生经过20多年的努力进一步完善,其主导思想就是在对人的控制结构宏观规模的基础上进一步研究人的控制行为功能并加以模拟。重庆大学的董小闵在汽车悬架控制系统中采用这种控制算法,相比较于天棚地棚算法、最优控制、模糊控制,其综合控制效果最好[49]。

　　由于发动机振动隔离系统的复杂性,且没有精确的数学模型,要进行控制需要根据不同的工况采用较优越的控制方法。单一的控制方法难以满足发动机宽频隔振的要求,采取多种控制方法相结合,综合各种控制方法的优点对发动机悬置进行控制将会有较好的隔振效果,在今后的研究中有一定的前景。

　　国内外学者已经研究了多种发动机悬置及多种控制方法,然而由于发动机悬置的非线性及发动机振动的复杂性, 隔振效果还没有达到最理想的状态,本文希望通过挤压模式的磁流变液悬置结合仿人智能控制方法和PID控制方法来探讨发动机振动的隔离。

　　本文采用磁流变液悬置对发动机的振动进行隔离, 以485柴油发动机为研究背景, 以国家自然科学基金项目为依托。具体研究内容如下,

　　①针对发动机的振动位移较小的特点,选用挤压模式的磁流变液悬置,对发动机磁流变液悬置进行磁路分析,得出发动机磁流变液悬置所需要的线圈匝数,对挤压模式磁流变液悬置进行力学特性研究,得出磁流变液在挤压模式的径向速度分布及压力梯度,推导施加的电流与挤压力的关系。