基于正负刚度并联的汽车传动系统半主动扭振控制研究

Torsional vibration control of vehicle transmission is the key common technology in the design of transmission, and the torsional damper is the most widely used as the effecitve torsional vibration control component. In order to overcome the disadvantage of the traditional passive damper of the inherent contradiction between torque capacity and elastic element stiffness, and further enhance the effect of vibration reduction, the applicant presents a semi-active torsional damper based on the parallel positive and negative stiffness. The research contents for this new torsional damper system are as followings：1）The nonlinear vibration model of this damper will be built and solved using analytic solution or semi-analytic solution to verify the effectiveness on vibration suppress and to reveal the mechanism of vibration reduction by analyzing quantitatively nonlinear vibration response characteristics.2）The non-smooth characteristic of the stiffness for the parallel machanism and the stiffness smooth control method will be studied and further the system semi-active control mechanism will be obtained.3)The combined simulition model including the hysteresis factors, nonlinear rigid - flexible coulpling multi-body dynamic model and control model will be proposed, and the influence law of design parameters on vibration suppress performance and stabality, the stabality design law and the optimization method of the design parameters will be put forward to. 4)The semi-active damper prototype will be developed and related tests will be accomplished in order to verify the torsional vibrton control mechnism, the damping performance and non-linear stiffness charactristcs.The design theory for semi-active damper based on the parallel of positive and negative stiffness will be obtained. The study above can lay the theoretical foundation and provide the key technical supports for the practical application of semi-active torsional vibration damper based on the parallel of positive and negative stiffness.

扭转振动控制是汽车传动系统设计中一项共性关键核心技术，扭转减振器是目前应用最为广泛的扭振控制元件。为了克服传统被动式减振器存在的承载能力与弹性元件刚度之间的固有矛盾，提升减振效果，申请者提出一种基于正负刚度并联的半主动控制扭振减振器，拟对其基础理论问题开展研究：1）建立正负刚度机构并联的半主动扭转减振器非线性振动模型，通过定量分析方法获取系统振动特性和刚度特性，研究减振效能，揭示减振机理；2）研究过渡过程下并联机构刚度的非光滑特征，提出刚度平滑控制方法，揭示扭转减振器半主动控制机理；3）建立含迟滞环节的非线性刚柔耦合动力学和控制策略联合仿真模型，研究主要参数对减振性能和稳定性的影响规律，提出半扭转减振器的参数优化方法；4）研制半主动减振器样机，并验证减振机理、减振性能和非线性刚度特性。最终形成正负刚度并联式扭转减振器的设计理论，为半主动扭转减振器的实际应用奠定理论基础和提供关键技术支撑。

为解决车辆传动系统低频扭转振动，克服传统被动式减振器存在的承载能力与弹性元件刚度之间的固有矛盾，提高车辆运行品质，创新提出了一种基于正负刚度并联的半主动控制型扭转减振器，其具有高静刚度、低动刚度特性，通过液压作动机构可实现在承载不同转矩时具有良好的减振效果。.研究了正负刚度并联半主动扭转减振器的减振机理及减振特性，建立了正负刚度并联机构非线性回复力矩模型，揭示了其非线性刚度特性。建立了正负刚度并联扭转减振器的非线性动力学模型，应用半解析法获取了幅频特性和振动传递特性，揭示了其低频减振机理，并研究了在车用工况下的减振性能，结果表明具有良好的减振和承载特性。研究了正负刚度并联机构在周期扰动下的非线性振动行为。基于分岔和混沌分析，研究了该扭转减振器系统的动力学稳定性问题，分析了波动转矩幅值、激励频率和阻尼比对系统复杂动力学行为的影响规律，得到了系统具有动力学稳定性的参数范围，提出了扭转减振器稳定性的设计准则。.建立了正负刚度并联半主动扭转减振器机械-液压-控制联合仿真模型，模型考虑了系统迟滞非线性以及柔性元件的影响。应用滑模变结构控制理论，建立了一种轨迹跟踪控制器模型。针对滑模变结构控制算法切换过程中的抖振问题，提出了一种模糊变结构控制策略，改善了抖振现象，提高了负刚度机构运动稳定性。通过硬件在环仿真实验和电液伺服系统实验研究，验证了控制策略的有效性。.设计并加工了正负刚度并联半主动扭转减振器原理样机，构建了台架性能实验测试系统。对电液伺服系统性能和半主动扭转减振器进行了台架实验研究，实验结果验证了正负刚度并联半主动扭转减振器的减振机理和减振效果。结合课题理论及试验研究成果，总结形成了半主动扭转减振器设计理论。.本课题的研究对正负刚度并联半主动扭转减振器在车辆上的应用具有开创性指导意义，且为解决诸多机械设备中普遍存在的低频扭转振动问题提供了新的思路。