CN112389472A - 动力总成***公共构架及其设计方法、轨道车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动力总成***公共构架及其设计方法、轨道车辆，属于轨道车辆技术领域。动力总成***公共构架包括两个主梁和两个辅梁，其特征在于，所述主梁和所述辅梁均为中空结构，所述主梁和/或所述辅梁的空腔内设置有阻尼器，所述阻尼器包括固定设置于所述主梁或所述辅梁内的阻尼盒、以及填充于所述阻尼盒内的阻尼颗粒。本发明提供了一种动力总成***公共构架的设计方法及轨道车辆。本发明提供的动力总成***公共构架及其设计方法、轨道车辆，大幅提高了构架结构的阻尼，从而实现抑制构架结构本身振动、降低结构振动辐射噪声、降低车体振动的目的。

Description

动力总成***公共构架及其设计方法、轨道车辆

技术领域

本发明属于轨道车辆技术领域，更具体地说，是涉及一种动力总成***公共构架及其设计方法、轨道车辆。

背景技术

与电力动车相比，内燃动车具有投资和运营成本低、运行效率高、编组灵活等优点，是非电气化区段线路和中短途城市区间最佳的交通工具。内燃动车通常采用动力分散模式，以悬挂于车体下的动力总成为其主要动力源。内燃动力总成(动力包)主要包括公共构架、内燃机、发电机、联轴器等部件，由内燃机曲轴主动端输出扭矩，通过联轴器将扭矩传递至发电机，发电机提供牵引动力和辅助设备用电。内燃动力总成将动力***部件尽可能完全集成在公共构架上，实现与基础间的模块化。

公共构架需要在有限安装空间范围内，实现多个动力部件的承载安装及整体吊装，多个振动源激励，使公共构架受力条件非常复杂，较大的振动直接影响公共构架的疲劳强度和传递到车体上的力。

动力总成公共构架(动力包构架)主要由两个主梁和两个辅梁组成，主梁对柴油机和发电机进行承载，主梁上设有柴油机和发电机安装座，目前由振动源(柴油机、发电机)到动力包构架之间有弹性联接减振器，动力包构架与车体之间同样有弹性联接减振器，但动力包构架无任何阻尼处理方式，且承受多个振动源激励，振动环境相当恶劣，动力包***噪声偏大，动力包***对应车体地板处在启停机等工况下振动较大，车内需要增加车体刚度处理方案，例如对应动力包上方车内地板增加2mm厚度的钢板。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中存在至少如下问题：

(1)动力包振源较多，且振动幅值较大、振动频率较宽，容易引起构架共振，从而导致构架本身振动强度较高，进而影响结构的疲劳性能；

(2)较大的构架振动直接传递到车体上，影响乘客舒适性；

(3)现有动力包***中振源到构架之间设置有一级减振装置，构架到车体之间设置有二级减振装置，构架自身减振，且构架自身阻尼较小；

(4)动力包对应上方车体处振动较大，需增加钢板进行刚度加强。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种动力总成***公共构架及其设计方法、轨道车辆，旨在解决现有构架减振效果不佳的技术问题。

一方面，提供了一种动力总成***公共构架，包括两个主梁和两个辅梁，其特征在于，所述主梁和所述辅梁均为中空结构，所述主梁和/或所述辅梁的空腔内设置有阻尼器，所述阻尼器包括固定设置于所述主梁或所述辅梁内的阻尼盒、以及填充于所述阻尼盒内的阻尼颗粒。

进一步地，所述阻尼盒顶部设有进料口，所述进料口上设置有可拆卸的封盖；所述阻尼盒内所述阻尼颗粒的填充率为10％-100％。

进一步地，所述阻尼盒具有至少一个腔体，各个所述腔体内均设置有所述阻尼颗粒。

进一步地，所述阻尼器还包括用于包覆阻尼颗粒的柔性包袋。

进一步地，所述柔性包袋由软质高分子膜材制成，壁厚为0.1-2mm。

进一步地，所述阻尼盒可通过螺栓、铆接、焊接或粘接的方式与所述主梁或所述辅梁的内壁刚性连接。

进一步地，所述阻尼盒由铁合金、钛合金、铁合金、铜合金、镍合金、铅合金、锰合金、钴合金或钨合金中的一种或多种组合而成的二元或多元合金制成，壁厚为1-5mm。

进一步地，所述阻尼颗粒可由金属、非金属材料、高分子材料或复合材料制成，直径为0.05-10mm，所述阻尼颗粒表面摩擦因子为0.01-0.99，表面恢复系数为0.01-1，颗粒密度为0.1-30kg/cm³。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：与现有技术相比，在主梁或辅梁上加设了用于减振的阻尼器，大幅提高了构架结构的阻尼，从而实现抑制构架结构本身振动、降低结构振动辐射噪声、降低车体振动的目的。采用本发明实施例提供的动力总成***公共构架进行构架减振，只需将阻尼器刚性连接于主梁和/或辅梁上，对原有结构改动小，实施方便；可大幅提高结构本身的阻尼，从而降低结构本身振动，进而降低传递到车体上的振动，提高乘客舒适性；增加的重量轻，同时满足车辆重量要求。

另一方面，提供了一种轨道车辆，包括车体以及设置在所述车体上的所述的动力总成***公共构架，其中所述阻尼盒位于所述动力总成***公共构架与所述车体的振动传递路径上。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：与现有技术相比，采用了上述动力总成***公共构架，取得了基本相同的技术效果，在此不再赘述。

另一方面，提供了一种动力总成***公共构架的设计方法，包括以下步骤：

确定阻尼盒安装位置的可行区域；

按照模态阻尼的位置灵敏度函数计算出可行区域内各阶模态的位置灵敏度；

找出各阶灵敏度最大的位置；

根据找到的m个安装位置形成定位向量，进而根据目标函数形成系数矩阵T，然后求初始解；

利用Broyden方法从上一步得到的初始解开始迭代，直到收敛，得到阻尼器布局方式；

按照上述阻尼器布局方式将阻尼器安装至所述主梁和/或所述辅梁上。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：与现有技术相比，采用了上述动力总成***公共构架，取得了基本相同的技术效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的动力总成***公共构架的结构示意图；

图2为本发明实施例所采用的阻尼器的竖向剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的动力总成***公共构架的模态分析结构示意图。

图中：100、主梁；200、辅梁；300、阻尼器；310、阻尼盒；320、阻尼颗粒；330、进料口；340、封盖。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1及图2，现对本发明实施例提供的动力总成***公共构架进行说明。所述动力总成***公共构架，包括两个主梁100和两个辅梁200，其特征在于，主梁100和辅梁200均为中空结构，主梁100和/或辅梁200的空腔内设置有阻尼器300，阻尼器300包括固定设置于主梁100或辅梁200内的阻尼盒310、以及填充于阻尼盒310内的阻尼颗粒320。

组装时，可根据模拟分析出阻尼器300的安装位置及个数，之后根据分析结果将阻尼器300安装至主梁100和/或辅梁200上，当构架发生振动时，位于构架上的阻尼器300会借助阻尼颗粒320之间的摩擦、碰撞吸收振动能量。

本发明实施例提供的动力总成***公共构架，与现有技术相比，在主梁100或辅梁200上加设了用于减振的阻尼器300，大幅提高了构架结构的阻尼，从而实现抑制构架结构本身振动、降低结构振动辐射噪声、降低车体振动的目的。采用本发明实施例提供的动力总成***公共构架进行构架减振，只需将阻尼器300刚性连接于主梁100和/或辅梁200上，对原有结构改动小，实施方便；可大幅提高结构本身的阻尼，从而降低结构本身振动，进而降低传递到车体上的振动，提高乘客舒适性；增加的重量轻，同时满足车辆重量要求。

上述阻尼颗粒320可由金属、非金属材料、高分子材料或复合材料制成，直径为0.05-10mm，填充率为10％-100％，阻尼颗粒320表面摩擦因子为0.01-0.99，表面恢复系数为0.01-1，颗粒密度为0.1-30kg/cm³。

阻尼盒310可由铁合金、钛合金、铁合金、铜合金、镍合金、铅合金、锰合金、钴合金或钨合金中的一种或多种组合而成的二元或多元合金制成，壁厚为1-5mm。

上述阻尼盒310可为封闭盒体，也可为具有一个或多个开口的盒体。为便于阻尼颗粒320的安装或倒出，请参阅图2，作为本发明提供的动力总成***公共构架的一种具体实施方式，阻尼盒310顶部设有进料口330，进料口330上设置有可拆卸的封盖340；阻尼盒310内阻尼颗粒320的填充率为10％-100％。

本实施例中封盖340可通过螺纹连接、扣接、卡接等方式与进料口330可拆卸连接。

作为本发明提供的动力总成***公共构架的一种具体实施方式，阻尼盒310具有至少一个腔体，各个腔体内均设置有阻尼颗粒320。

阻尼盒310内部为均匀布置的单腔或依据粒子材料属性设置的多腔结构，具体根据使用需要设定。

作为本发明提供的动力总成***公共构架的一种具体实施方式，阻尼器300还包括用于包覆阻尼颗粒320的柔性包袋。

本实施例中柔性包袋可由软质高分子膜材、布、纤维等制成，具体可根据使用需要设定。

进一步地，柔性包袋的壁厚为0.1-2mm。这样既不影响阻尼颗粒320的放入量，又不影响阻尼器300的阻尼效果。

为保证阻尼器300的阻尼效果良好，阻尼器300需要与原始结构刚性连接，保证刚度嵌入，不能出现隔振或增加自由度的固定方式。作为本发明提供的动力总成***公共构架的一种具体实施方式，阻尼盒310可通过螺栓、铆接、焊接或粘接的方式与主梁100或辅梁200的内壁刚性连接。

本发明实施例还提供一种轨道车辆。轨道车辆包括车体以及设置在车体上的动力总成***公共构架，其中阻尼盒310位于动力总成***公共构架与车体的振动传递路径上。

本发明实施例提供的轨道车辆，采用了上述动力总成***公共构架，取得了基本相同的技术效果，在此不再赘述。

本发明实施例还提供一种动力总成***公共构架的设计方法。请参阅图1至图3，动力总成***公共构架的设计方法，包括以下步骤：

确定阻尼盒310安装位置的可行区域；

按照模态阻尼的位置灵敏度函数计算出可行区域内各阶模态的位置灵敏度；

找出各阶灵敏度最大的位置；

根据找到的m个安装位置形成定位向量，进而根据目标函数形成系数矩阵T，然后求初始解；

利用Broyden方法从上一步得到的初始解开始迭代，直到收敛，得到阻尼器300布局方式；

按照上述阻尼器300布局方式将阻尼器300安装至主梁100和/或辅梁200上。

本发明实施例提供的动力总成***公共构架的设计方法，采用了上述动力总成***公共构架，取得了基本相同的技术效果，在此不再赘述。

粒子阻尼器是一种高度非线性阻尼的阻尼设备，其阻尼效果与安装位置的振动剧烈程度存在一定的关系，安装位置的振动越剧烈，粒子之间的摩擦与碰撞越激烈，粒子阻尼器的阻尼效果就越明显。对于安装在结构振动转递路径上的粒子耗能阻尼器，在原始结构的振动下，粒子介质接触应力网络的解构、流变和重构，以耗散能量衰减振动。可见，粒子阻尼器300的阻尼效果与原始结构的特性有很大的关系。

为此，对粒子阻尼器300的研究可以采用基于模态阻尼比的优化步骤进行分析计算，具体的阻尼器300位置优化步骤如下：

确定安装位置的可行区域；

按照模态阻尼的位置灵敏度函数计算出可行区域内各阶模态的位置灵敏度；

找出各阶灵敏度最大的位置；

根据找到的m个安装位置形成定位向量，进而根据目标函数形成系数矩阵T，然后求初始解；

利用Broyden方法从上一步得到的初始解开始迭代，直到收敛。

在阻尼器300位置的选择过程中，需要考虑到产品的安装可行性，关注模态阶数等，需要针对具体结构设置相关约束条件，即阻尼器300位置选择原则，阻尼器300的选择需要遵循以下原则：

阻尼器300的个数需要多于需要关注的结构模态的阶数；

从宏观上来看，阻尼器300的位置需要集中在模态最灵敏处(模态最大位移处)；

阻尼器300位置需避开受剪切变形的位置，最好是布置在剪切变形区域的下侧；

阻尼器300需要与原始结构刚性连接，保证刚度嵌入，不能出现隔振或增加自由度的固定方式。

增加阻尼器300的过程，实际上就是引入外部集中阻尼的过程，结构的阻尼可以表示为：

其中，C₀为原始结构阻尼矩阵，满足Liang模型的形式，C_r表示内置阻尼器300的阻尼系数，e_r是定位向量，如果第r个内置阻尼器300连接第i和第j个自由度，则e_r的第i个元素为1，第j个元素为-1，其他元素为0。R₁是内置阻尼器300的个数，d_r为集中阻尼系数，i_r为定位向量，其中只有一个数值为1的1非元素，表示该位置上有一个阻尼器300。R₀表示集中阻尼器300的个数。而本发明所采用的阻尼器300均为内置阻尼器，为此，计算为：

其中V为定位向量，D为由阻尼系数组成的阻尼矩阵。

N自由度的一般阻尼结构的自由振动满足如下方程：

变换到状态空间后：

(λA+B)y＝0 (11)

其中，

计算得到第i阶特征值为：

λ_i＝-T_i+jU_i (12)

令C_i为第i阶的模态阻尼，则模态阻尼比为：

结合复模态理论，得到：

即：

其中Re表示对变量取实部，如果需要考虑前S阶频率，就需要同时考虑S阶模态阻尼比作为目标函数，设目标函数为：

设在k和l自由度之间连接一个系数为W_di的阻尼器300，目标函数位置灵敏度表达式为：

即s阶模态阻尼比平方和为目标函数时，对阻尼器300安装位置的灵敏度表达式，其中

可以由下面的公式计算得到：

Re表示去变量实部，h_ik、h_il为第i阶振型的第k、i个元素。k_i为结构的第i阶无阻尼固有频率。

下面结合如图3所示的动力包构架进行分析说明，根据实际模态测试结果，构架在靠近电机附件的区域1中，位移最大，该处为薄弱区域，在扭转模态中，同样表现为在振动输入端最为薄弱。而振动的输入点位右侧电机及左侧挂钩处，为此，可以考虑在振动输入源附近增加阻尼器300，以阻断振动传递路径，从而优化结构的阻尼效果。

从结构来看，在图3中1、2、3、4号区域均为可以安装阻尼的区域，为此，采用如下步骤进行计算：

(1)利用公式(18)得到该处的各个节点各阶模态阻尼的位置灵敏度，并找出各界灵敏度最大的位置。

(2)根据第一步找到的m个阻尼器300安装位置形成的定位向量V，进而根据公式

形成系数矩阵T，然后求初始解W_d＝T^-1W_ξ。

(3)用Broyden方法进行迭代计算，知道迭代收敛，得到最优的阻尼器300布局如图1所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.动力总成***公共构架，包括两个主梁和两个辅梁，其特征在于，所述主梁和所述辅梁均为中空结构，所述主梁和/或所述辅梁的空腔内设置有阻尼器，所述阻尼器包括固定设置于所述主梁或所述辅梁内的阻尼盒、以及填充于所述阻尼盒内的阻尼颗粒。

2.如权利要求1所述的动力总成***公共构架，其特征在于：所述阻尼盒顶部设有进料口，所述进料口上设置有可拆卸的封盖；所述阻尼盒内所述阻尼颗粒的填充率为10％-100％。

3.如权利要求1所述的动力总成***公共构架，其特征在于：所述阻尼盒具有至少一个腔体，各个所述腔体内均设置有所述阻尼颗粒。

4.如权利要求1所述的动力总成***公共构架，其特征在于：所述阻尼器还包括用于包覆阻尼颗粒的柔性包袋。

5.如权利要求4所述的动力总成***公共构架，其特征在于：所述柔性包袋由软质高分子膜材制成，壁厚为0.1-2mm。

6.如权利要求1所述的动力总成***公共构架，其特征在于：所述阻尼盒可通过螺栓、铆接、焊接或粘接的方式与所述主梁或所述辅梁的内壁刚性连接。

7.如权利要求1-6任一项所述的动力总成***公共构架，其特征在于：所述阻尼盒由铁合金、钛合金、铁合金、铜合金、镍合金、铅合金、锰合金、钴合金或钨合金中的一种或多种组合而成的二元或多元合金制成，壁厚为1-5mm。

8.如权利要求1-6任一项所述的动力总成***公共构架，其特征在于：所述阻尼颗粒可由金属、非金属材料、高分子材料或复合材料制成，直径为0.05-10mm，所述阻尼颗粒表面摩擦因子为0.01-0.99，表面恢复系数为0.01-1，颗粒密度为0.1-30kg/cm³。

9.轨道车辆，其特征在于，包括车体以及设置在所述车体上的权利要求1-8任一项所述的动力总成***公共构架，其中所述阻尼盒位于所述动力总成***公共构架与所述车体的振动传递路径上。

10.权利要求1-8任一项所述的动力总成***公共构架的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定阻尼盒安装位置的可行区域；

按照模态阻尼的位置灵敏度函数计算出可行区域内各阶模态的位置灵敏度；

找出各阶灵敏度最大的位置；

根据找到的m个安装位置形成定位向量，进而根据目标函数形成系数矩阵T，然后求初始解；

利用Broyden方法从上一步得到的初始解开始迭代，直到收敛，得到阻尼器布局方式；

按照上述阻尼器布局方式将阻尼器安装至所述主梁和/或所述辅梁上。

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