專利名稱：一種汽車車身結(jié)構(gòu)壓電主被動混合抑振方法
技術領域：
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對汽車車身結(jié)構(gòu)進行主動抑振與被動抑振相結(jié)合的主被動混合抑振方法。
背景技術：
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、實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保最為直接的方法，然而輕量化帶來的問題就是車身用料不足，導致車身剛度降低，車內(nèi)噪聲環(huán)境惡化，嚴重影響汽車的乘坐舒適性。目前結(jié)構(gòu)振動控制方法中，多采用較大阻尼比的材料，利用隔聲、隔振技術，或者重新進行結(jié)構(gòu)設計來控制噪聲，結(jié)果往往與汽車輕量化的目標相矛盾。壓電材料具有響應速度快、能量密度高、頻帶寬、無電磁干擾等特點，在振動與噪聲控制領域中得到了廣泛的應用，現(xiàn)有技術主要集中在單純的主動抑振或被動抑振。單純的主動控制存在魯棒性差的問題，一旦出現(xiàn)突發(fā)情況，如系統(tǒng)掉電或強磁干擾時，主動抑振系統(tǒng)會完全失效，甚至產(chǎn)生系統(tǒng)失穩(wěn)，起到相反的作用效果；單純的被動控制可控性差，產(chǎn)生的抑振效果有限，無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用于汽車車身振動控制領域的新型主被動混合抑振方法，以解決目前單純主動控制魯棒性差以及單純被動控制抑振效果不明顯等問題。本發(fā)明采取的技術方案是n個壓電器件按照計算優(yōu)化的位置分布在汽車車身結(jié)構(gòu)表面各個區(qū)域內(nèi)，與控制器數(shù)據(jù)采集/輸出端口相連，通過編制混合抑振算法實現(xiàn)不同工作模式下的振動控制?；旌弦终袼惴ㄉ婕爸鲃涌刂扑惴?、被動控制算法和主被動混合算法。主動控制算法是通過采集各個壓電元件的實時振動狀態(tài)，根據(jù)內(nèi)置的計算模型計算出施加到各個壓電元件的電壓，使得各個壓電元件產(chǎn)生抑制車身振動的作用力，實現(xiàn)車身振動的快速抑制；被動控制算法是通過各個壓電元件的實時振動狀態(tài)，根據(jù)內(nèi)置的計算模型計算出各個壓電元件的分流耗散電路的電學控制參數(shù)，通過耗散電路與壓電元件振動狀態(tài)的電學參量匹配進行振動能量的有效耗散，實現(xiàn)車身振動的有效抑制；主被動混合算法是通過識別車輛工況，確定所處工作模式，針對車身結(jié)構(gòu)表面不同振動控制區(qū)域，進行主動控制和被動控制的選擇與切換，實現(xiàn)主被動混合控制。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MFC壓電宏纖維復合材料。并可以通過一種或幾種的組合進行車身結(jié)構(gòu)抑振。本發(fā)明中壓電器件可采用單層壓電材料進行車身結(jié)構(gòu)振動控制。為了提高振動控制效果，可以通過多層疊加的方式提高壓電器件的輸出力，進而提高抑振效果。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)表面通過粘接或者埋入的方式實現(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仿真計算獲得；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行復合加工，形成帶有分布壓電元件的預制復合板材，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)車輛振動的特點可將車身結(jié)構(gòu)振動區(qū)域劃分為車門區(qū)域、發(fā)動機罩區(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)明中被動控制利用壓電元件將振動能量轉(zhuǎn)化為電能，通過耗散電路或者電能回收電路將壓電元件產(chǎn)生的電能進行能量耗散或回收。利用并聯(lián)或串聯(lián)的電阻-電感電路將壓電元件由振動而產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換為焦耳熱的方式進行能量耗散，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)抑振；利用電能回收電路將壓電元件由振動而產(chǎn)生的電能進行存儲，利用回收存儲的電能對抑振系統(tǒng)的控制器、主動控制壓電元件或者車載電路器件進行供電，實現(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的強弱分為被動工作模式、主動工作模式、混合工作模式、掉電工作模式。本發(fā)明綜合主動控制和被動控制各自的優(yōu)點、彌補各自缺點，具有可控性強、魯棒性強、控制效果好等特點，以較小的附加質(zhì)量實現(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)明埋入式車身復合板材構(gòu)成原理 圖4本發(fā)明車身結(jié)構(gòu)振動控制區(qū)域示意 圖5本發(fā)明控制器信號傳遞框 圖6本發(fā)明壓電抑振元件分布圖。
具體實施例方式參照圖1，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)壓電主被動混合抑振系統(tǒng)。其工作原理是壓電元件3按照計算優(yōu)化的位置分布在汽車車身薄壁結(jié)構(gòu)表面各個區(qū)域內(nèi)，壓電元件3反饋車身結(jié)構(gòu)I的振動特征信號，通過內(nèi)置于混合控制器2中的算法和硬件電路對壓電元件進行驅(qū)動，實現(xiàn)車身振動控制?；旌峡刂破?中預置的混合抑振算法針對不同工況的振動特點，對應不同的工作模式，實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)混合振動控制。參照圖2，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適當增加壓電層厚度來提高驅(qū)動控制力，但厚度越大需要的驅(qū)動電壓越高，不利于電源設計和實際應用，結(jié)構(gòu)(b)、(e)和(h)分別為壓電元件5、6和7對應的雙層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)(c)、(f)和⑴分別為壓電元件5、6和7對應的多層結(jié)構(gòu)，采用該多層結(jié)構(gòu)可以在不增加驅(qū)動電壓的前提下，提高壓電元件的振動控制力。針對不同壓電材料的性質(zhì)和特點，結(jié)構(gòu)(j)中PZT壓電元件8作為驅(qū)動層、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)動層與傳感層，可以提高抑振元件的抑振能力，實現(xiàn)車身振動的有效抑制。參照圖3，壓電元件12置于車身板材10與復合基材11之間，形成內(nèi)置壓電元件的埋入式復合材料結(jié)構(gòu)。其工作原理是壓電元件12作為振動控制主動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)勢在于適合批量生
產(chǎn)，一致性好。參照圖4，將整個車身結(jié)構(gòu)劃分為多個抑振區(qū)域，區(qū)域13為發(fā)動機罩控制區(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。對應不同工況，不同區(qū)域具有不同的振動特征，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控制區(qū)域，以對應不同工況的振動控制要求。參照圖5，壓電元件18分布于車身結(jié)構(gòu)的振動控制區(qū)域19內(nèi)，形成該區(qū)域的壓電抑振元件網(wǎng)絡。其工作原理是壓電元件個數(shù)n、幾何尺寸及粘貼位置由仿真計算確定。各個壓電元件相互獨立，在主動振動控制模式下，每個元件即可作為驅(qū)動器進行振動控制，又可作為傳感器檢測對應位置的振動信號；在被動振動控制模式下，壓電元件將振動機械能轉(zhuǎn)換為電場能，通過外圍能量耗散電路或者儲能電路進行能量耗散與轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)振動控制。參照圖6，混合控制器為整個抑振系統(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(S/A)電路22三個組成部分。中央控制器20包括被動控制單元、混合控制單元、主動控制單元以及工作模式識別單元；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)動電路、耗散電路、儲能電路和傳感電路。
權利要求
1.一種汽車車身結(jié)構(gòu)壓電主被動混合抑振方法，其特征在于該方法利用壓電材料的正逆壓電效應，通過單個或多個分布于車身結(jié)構(gòu)表面的壓電元件，對車身結(jié)構(gòu)的振動進行主動控制與被動控制相結(jié)合的混合控制，其中主動控制是利用壓電元件的逆壓電效應，壓電元件充當執(zhí)行器對車身壁板的振動變形施加反向作用力，實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的主動抑振；被動控制利用壓電元件的正壓電效應，車身結(jié)構(gòu)振動機械能引起壓電元件的變形，進而使壓電元件產(chǎn)生介電能，利用壓電分流支路方法將產(chǎn)生的電能存儲或耗散掉，可實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的被動抑振，根據(jù)具體工況及車身結(jié)構(gòu)振動情況，結(jié)合主被動混合抑振算法，實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)振動的主被動混合控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的汽車車身結(jié)構(gòu)壓電主被動混合抑振方法，其特征在于壓電材料為壓電陶瓷(PZT )、壓電聚合物(PVDF )或者壓電宏纖維復合材料(MFC )。
3.根據(jù)權利要求2所述的汽車車身結(jié)構(gòu)壓電主被動混合抑振方法，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)實際控制需要可進行多層疊加。
4.根據(jù)權利要求1所述的汽車車身結(jié)構(gòu)壓電主被動混合抑振方法，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)權利要求1所述的汽車車身結(jié)構(gòu)壓電主被動混合抑振方法，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的車身壁板和車身梁結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權利要求1所述的汽車車身結(jié)構(gòu)壓電主被動混合抑振方法，其特征在于被動控制可采用電能存儲方式將壓電元件產(chǎn)生的介電能進行收集，所存儲的電能可用于主動控制時的能量輸入、控制器的供電或者車輛用電設備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種汽車車身結(jié)構(gòu)振動主被動混合抑振方法，屬于結(jié)構(gòu)振動控制方法。該方法利用壓電材料的正逆壓電效應，通過單個或多個分布于車身壁板表面壓的電元件，對車身壁板的振動進行感知和控制，結(jié)合控制算法實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)振動的主被動混合控制。該方法綜合利用主動振動控制技術附加質(zhì)量小、頻帶寬、可控性好以及被動阻尼控制技術可靠性、穩(wěn)定性、魯棒性好和能量消耗少等特點，以較小的系統(tǒng)附加質(zhì)量和較少能量輸入實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)振動的有效抑制。
文檔編號B60L11/00GK103042940SQ20131002300
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月22日 優(yōu)先權日2013年1月22日
發(fā)明者沈傳亮, 韓也, 宋學偉, 王大學, 安孝文, 朱寧欣, 姚浩峰 申請人:吉林大學