專利名稱：一種汽車車身結(jié)構(gòu)壓電主被動(dòng)混合抑振方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種汽車車身結(jié)構(gòu)抑振方法，尤其涉及一種利用壓電材料正逆壓電效應(yīng)對(duì)汽車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)抑振與被動(dòng)抑振相結(jié)合的主被動(dòng)混合抑振方法。
背景技術(shù)：
能源和環(huán)境正在成為影響世界汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的兩大決定性因素，提高汽車的節(jié)能環(huán)保水平是目前國(guó)內(nèi)外各大汽車廠商面臨的重要課題。汽車輕量化是減少燃油消耗、實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保最為直接的方法，然而輕量化帶來(lái)的問(wèn)題就是車身用料不足，導(dǎo)致車身剛度降低，車內(nèi)噪聲環(huán)境惡化，嚴(yán)重影響汽車的乘坐舒適性。目前結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方法中，多采用較大阻尼比的材料，利用隔聲、隔振技術(shù)，或者重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)控制噪聲，結(jié)果往往與汽車輕量化的目標(biāo)相矛盾。壓電材料具有響應(yīng)速度快、能量密度高、頻帶寬、無(wú)電磁干擾等特點(diǎn)，在振動(dòng)與噪聲控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)有技術(shù)主要集中在單純的主動(dòng)抑振或被動(dòng)抑振。單純的主動(dòng)控制存在魯棒性差的問(wèn)題，一旦出現(xiàn)突發(fā)情況，如系統(tǒng)掉電或強(qiáng)磁干擾時(shí)，主動(dòng)抑振系統(tǒng)會(huì)完全失效，甚至產(chǎn)生系統(tǒng)失穩(wěn)，起到相反的作用效果；單純的被動(dòng)控制可控性差，產(chǎn)生的抑振效果有限，無(wú)法滿足日益提高的抑振效果要求
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種應(yīng)用于汽車車身振動(dòng)控制領(lǐng)域的新型主被動(dòng)混合抑振方法，以解決目前單純主動(dòng)控制魯棒性差以及單純被動(dòng)控制抑振效果不明顯等問(wèn)題。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是n個(gè)壓電器件按照計(jì)算優(yōu)化的位置分布在汽車車身結(jié)構(gòu)表面各個(gè)區(qū)域內(nèi)，與控制器數(shù)據(jù)采集/輸出端口相連，通過(guò)編制混合抑振算法實(shí)現(xiàn)不同工作模式下的振動(dòng)控制。混合抑振算法涉及主動(dòng)控制算法、被動(dòng)控制算法和主被動(dòng)混合算法。主動(dòng)控制算法是通過(guò)采集各個(gè)壓電元件的實(shí)時(shí)振動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)內(nèi)置的計(jì)算模型計(jì)算出施加到各個(gè)壓電元件的電壓，使得各個(gè)壓電元件產(chǎn)生抑制車身振動(dòng)的作用力，實(shí)現(xiàn)車身振動(dòng)的快速抑制；被動(dòng)控制算法是通過(guò)各個(gè)壓電元件的實(shí)時(shí)振動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)內(nèi)置的計(jì)算模型計(jì)算出各個(gè)壓電元件的分流耗散電路的電學(xué)控制參數(shù)，通過(guò)耗散電路與壓電元件振動(dòng)狀態(tài)的電學(xué)參量匹配進(jìn)行振動(dòng)能量的有效耗散，實(shí)現(xiàn)車身振動(dòng)的有效抑制；主被動(dòng)混合算法是通過(guò)識(shí)別車輛工況，確定所處工作模式，針對(duì)車身結(jié)構(gòu)表面不同振動(dòng)控制區(qū)域，進(jìn)行主動(dòng)控制和被動(dòng)控制的選擇與切換，實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)混合控制。本發(fā)明中的壓電材料可為PZT壓電陶瓷材料、PVDF壓電聚合物薄膜材料，或者M(jìn)FC壓電宏纖維復(fù)合材料。并可以通過(guò)一種或幾種的組合進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)抑振。本發(fā)明中壓電器件可采用單層壓電材料進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制。為了提高振動(dòng)控制效果，可以通過(guò)多層疊加的方式提高壓電器件的輸出力，進(jìn)而提高抑振效果。多層疊加結(jié)構(gòu)在不增加控制電壓的前提下提高壓電器件的輸出力。本發(fā)明中壓電器件與車身結(jié)構(gòu)表面通過(guò)粘接或者埋入的方式實(shí)現(xiàn)二者的結(jié)合。粘接方式采用專用粘結(jié)劑將壓電元件貼于車身結(jié)構(gòu)表面，其大小形狀和粘貼位置通過(guò)仿真計(jì)算獲得；埋入方式是在車身板材制造階段，將壓電材料與車身板材進(jìn)行復(fù)合加工，形成帶有分布?jí)弘娫念A(yù)制復(fù)合板材，適合于批量生產(chǎn)。本發(fā)明中的汽車車身結(jié)構(gòu)為薄壁結(jié)構(gòu)和車身梁結(jié)構(gòu)。根據(jù)車輛振動(dòng)的特點(diǎn)可將車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)區(qū)域劃分為車門(mén)區(qū)域、發(fā)動(dòng)機(jī)罩區(qū)域、車頂棚區(qū)域、行李艙蓋區(qū)域、翼子板區(qū)域、地板區(qū)域、前縱梁區(qū)域、后縱梁區(qū)域、邊梁區(qū)域。本發(fā)明中被動(dòng)控制利用壓電元件將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)耗散電路或者電能回收電路將壓電元件產(chǎn)生的電能進(jìn)行能量耗散或回收。利用并聯(lián)或串聯(lián)的電阻-電感電路將壓電元件由振動(dòng)而產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換為焦耳熱的方式進(jìn)行能量耗散，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抑振；利用電能回收電路將壓電元件由振動(dòng)而產(chǎn)生的電能進(jìn)行存儲(chǔ)，利用回收存儲(chǔ)的電能對(duì)抑振系統(tǒng)的控制器、主動(dòng)控制壓電元件或者車載電路器件進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)能量回收利用。本發(fā)明中車輛工作模式根據(jù)車輛所處工況引起車身振動(dòng)的強(qiáng)弱分為被動(dòng)工作模式、主動(dòng)工作模式、混合工作模式、掉電工作模式。本發(fā)明綜合主動(dòng)控制和被動(dòng)控制各自的優(yōu)點(diǎn)、彌補(bǔ)各自缺點(diǎn)，具有可控性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)、控制效果好等特點(diǎn)，以較小的附加質(zhì)量實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的抑振效果。


圖1本發(fā)明抑振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意 圖2本發(fā)明粘接式壓電元件的材料與結(jié)構(gòu)配置示意 圖3本發(fā)明埋入式車身復(fù)合板材構(gòu)成原理 圖4本發(fā)明車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制區(qū)域示意 圖5本發(fā)明控制器信號(hào)傳遞框 圖6本發(fā)明壓電抑振元件分布圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，壓電元件3附于車身結(jié)構(gòu)I表面(通常為內(nèi)表面)，混合控制器2數(shù)據(jù)采集/輸出(I/O)端口與壓電元件3相連接形成車身結(jié)構(gòu)壓電主被動(dòng)混合抑振系統(tǒng)。其工作原理是壓電元件3按照計(jì)算優(yōu)化的位置分布在汽車車身薄壁結(jié)構(gòu)表面各個(gè)區(qū)域內(nèi)，壓電元件3反饋車身結(jié)構(gòu)I的振動(dòng)特征信號(hào)，通過(guò)內(nèi)置于混合控制器2中的算法和硬件電路對(duì)壓電元件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車身振動(dòng)控制。混合控制器2中預(yù)置的混合抑振算法針對(duì)不同工況的振動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)不同的工作模式，實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)混合振動(dòng)控制。參照?qǐng)D2，壓電陶瓷(PZT)元件5粘貼于車身結(jié)構(gòu)4表面，結(jié)構(gòu)(a)為單層PZT壓電元件，結(jié)構(gòu)(b)為雙層PZT壓電元件，結(jié)構(gòu)(c)為多層PZT壓電元件；壓電聚合物(PVDF)元件6粘貼于車身結(jié)構(gòu)表面，結(jié)構(gòu)(d)為單層PVDF壓電元件，結(jié)構(gòu)(e)為雙層PVDF壓電元件，結(jié)構(gòu)⑴為多層PVDF壓電元件；壓電宏纖維復(fù)合材料(MFC)元件7粘貼于車身結(jié)構(gòu)表面，結(jié)構(gòu)(g)為單層MFC壓電元件，結(jié)構(gòu)(h)為雙層MFC壓電元件，結(jié)構(gòu)⑴為多層PVDF壓電元件；結(jié)構(gòu)(j)為PZT壓電元件和PVDF壓電元件兩種壓電材料組成的壓電抑振元件，結(jié)構(gòu)(k)為雙層PZT壓電元件和單層PVDF壓電元件組成的多層壓電抑振元件，結(jié)構(gòu)⑴為MFC壓電元件、PZT壓電元件和PVDF壓電元件組成的多層壓電抑振元件。其工作原理是壓電元件可以通過(guò)適當(dāng)增加壓電層厚度來(lái)提高驅(qū)動(dòng)控制力，但厚度越大需要的驅(qū)動(dòng)電壓越高，不利于電源設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用，結(jié)構(gòu)(b)、(e)和(h)分別為壓電元件5、6和7對(duì)應(yīng)的雙層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)(c)、(f)和⑴分別為壓電元件5、6和7對(duì)應(yīng)的多層結(jié)構(gòu)，采用該多層結(jié)構(gòu)可以在不增加驅(qū)動(dòng)電壓的前提下，提高壓電元件的振動(dòng)控制力。針對(duì)不同壓電材料的性質(zhì)和特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)(j)中PZT壓電元件8作為驅(qū)動(dòng)層、PVDF壓電元件9作為傳感層，結(jié)構(gòu)(k)中PZT壓電元件組成雙層結(jié)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)層、PVDF壓電元件作為傳感層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)⑴中MFC壓電元件與PZT壓電元件組成雙層結(jié)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)層、PVDF壓電元件作為傳感層，將不同材料壓電元件分別用作驅(qū)動(dòng)層與傳感層，可以提高抑振元件的抑振能力，實(shí)現(xiàn)車身振動(dòng)的有效抑制。參照?qǐng)D3，壓電元件12置于車身板材10與復(fù)合基材11之間，形成內(nèi)置壓電元件的埋入式復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。其工作原理是壓電元件12作為振動(dòng)控制主動(dòng)控制元件和反饋傳感元件，與混合控制器相連接，即可形成混合抑振系統(tǒng)。埋入方式與粘貼方式相比，其優(yōu)勢(shì)在于適合批量生
產(chǎn)，一致性好。參照?qǐng)D4，將整個(gè)車身結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)抑振區(qū)域，區(qū)域13為發(fā)動(dòng)機(jī)罩控制區(qū)，區(qū)域14為車身頂棚控制區(qū)，區(qū)域15為車門(mén)控制區(qū)，區(qū)域16為地板控制區(qū)，區(qū)域17為翼子板控制區(qū)。其工作原理是車身結(jié)構(gòu)易于引起振動(dòng)的區(qū)域主要分布于車身的薄壁結(jié)構(gòu)部分，特別是車身覆蓋件。對(duì)應(yīng)不同工況，不同區(qū)域具有不同的振動(dòng)特征，混合抑振系統(tǒng)中不同的工作模式可以有選擇的啟用各個(gè)控制區(qū)域，以對(duì)應(yīng)不同工況的振動(dòng)控制要求。參照?qǐng)D5，壓電元件18分布于車身結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制區(qū)域19內(nèi)，形成該區(qū)域的壓電抑振元件網(wǎng)絡(luò)。其工作原理是壓電元件個(gè)數(shù)n、幾何尺寸及粘貼位置由仿真計(jì)算確定。各個(gè)壓電元件相互獨(dú)立，在主動(dòng)振動(dòng)控制模式下，每個(gè)元件即可作為驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行振動(dòng)控制，又可作為傳感器檢測(cè)對(duì)應(yīng)位置的振動(dòng)信號(hào)；在被動(dòng)振動(dòng)控制模式下，壓電元件將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能，通過(guò)外圍能量耗散電路或者儲(chǔ)能電路進(jìn)行能量耗散與轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制。參照?qǐng)D6，混合控制器為整個(gè)抑振系統(tǒng)的電控單元，包括中央控制器20、輸入/輸出(I/O)電路21和傳感/驅(qū)動(dòng)(S/A)電路22三個(gè)組成部分。中央控制器20包括被動(dòng)控制單元、混合控制單元、主動(dòng)控制單元以及工作模式識(shí)別單元；1/0電路21包括數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換單元和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換單元；S/A電路22包括驅(qū)動(dòng)電路、耗散電路、儲(chǔ)能電路和傳感電路。
權(quán)利要求
1.一種汽車車身結(jié)構(gòu)壓電主被動(dòng)混合抑振方法，其特征在于該方法利用壓電材料的正逆壓電效應(yīng)，通過(guò)單個(gè)或多個(gè)分布于車身結(jié)構(gòu)表面的壓電元件，對(duì)車身結(jié)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制與被動(dòng)控制相結(jié)合的混合控制，其中主動(dòng)控制是利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，壓電元件充當(dāng)執(zhí)行器對(duì)車身壁板的振動(dòng)變形施加反向作用力，實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的主動(dòng)抑振；被動(dòng)控制利用壓電元件的正壓電效應(yīng)，車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)機(jī)械能引起壓電元件的變形，進(jìn)而使壓電元件產(chǎn)生介電能，利用壓電分流支路方法將產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)或耗散掉，可實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的被動(dòng)抑振，根據(jù)具體工況及車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況，結(jié)合主被動(dòng)混合抑振算法，實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主被動(dòng)混合控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車車身結(jié)構(gòu)壓電主被動(dòng)混合抑振方法，其特征在于壓電材料為壓電陶瓷(PZT )、壓電聚合物(PVDF )或者壓電宏纖維復(fù)合材料(MFC )。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的汽車車身結(jié)構(gòu)壓電主被動(dòng)混合抑振方法，其特征在于壓電材料為其中的一種或多種材料的組合，根據(jù)實(shí)際控制需要可進(jìn)行多層疊加。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車車身結(jié)構(gòu)壓電主被動(dòng)混合抑振方法，其特征在于壓電元件與車身表面的結(jié)合方式為粘接方式或埋入方式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車車身結(jié)構(gòu)壓電主被動(dòng)混合抑振方法，其特征在于所述的汽車車身結(jié)構(gòu)通常為易于引起振動(dòng)的車身壁板和車身梁結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車車身結(jié)構(gòu)壓電主被動(dòng)混合抑振方法，其特征在于被動(dòng)控制可采用電能存儲(chǔ)方式將壓電元件產(chǎn)生的介電能進(jìn)行收集，所存儲(chǔ)的電能可用于主動(dòng)控制時(shí)的能量輸入、控制器的供電或者車輛用電設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種汽車車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)主被動(dòng)混合抑振方法，屬于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方法。該方法利用壓電材料的正逆壓電效應(yīng)，通過(guò)單個(gè)或多個(gè)分布于車身壁板表面壓的電元件，對(duì)車身壁板的振動(dòng)進(jìn)行感知和控制，結(jié)合控制算法實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主被動(dòng)混合控制。該方法綜合利用主動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)附加質(zhì)量小、頻帶寬、可控性好以及被動(dòng)阻尼控制技術(shù)可靠性、穩(wěn)定性、魯棒性好和能量消耗少等特點(diǎn)，以較小的系統(tǒng)附加質(zhì)量和較少能量輸入實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)的有效抑制。
文檔編號(hào)B60L11/00GK103042940SQ20131002300
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者沈傳亮, 韓也, 宋學(xué)偉, 王大學(xué), 安孝文, 朱寧欣, 姚浩峰 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)