新一代動力總成減振利器-鐘擺pendulum
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讓我們先從台灣人民的驕傲和台北地標– 台北101大樓說起，該樓在2010年以前是世界第一高樓，樓高了，問題就來了。
由於，台灣為熱帶季風氣候，每年夏天都有颱風光顧。因此，防風成了一大難題。另外，台灣處於地震帶上，為了抗震，該建築整體剛度較小。因此，微風都有可能吹的101樓東倒西歪。怎麼辦？
放心，台北101大樓是世界第一座防震阻尼器（Tuned Mass Damper）外露於整體設計的大樓，其在88至92樓掛置一個重達660噸的巨大鋼球，其直徑達到了5.5米。見下圖。在85、86、與88樓用餐可以看到這個帶有裝飾且外型像大圓球的阻尼器，據台北101告示牌所言，這也是全世界唯一開放遊客觀賞的巨型阻尼器，更是全球最大之阻尼器。
你可以邊吃飯，邊看看這個大傢伙。那麼它是怎麼工作的呢？
在物理上，其實101大樓阻尼器就是動力阻尼減振器，同時也是重力擺的一種。
那麼什麼是動力阻尼減振器呢？
為了便於大家理解，讓我們先看下圖最簡單的單自由度的彈簧阻尼質量系統。如果我們給質量m1一個激勵，質量m1就會在剛度k1和阻尼C1的共同作用下，左右來回做振幅越來越小的振動，由於阻尼消耗掉了激勵的能量，所以，最終質量m1 停止振動。
那我們有沒有辦法減小質量m1的振動，讓它很快停下來，甚至消除m1的振動呢，讓它根本不動呢？
當然有，動力減振器就是其中的一種。
見下圖。聰明的工程師們發現，如果在質量m1之後，用彈簧剛度k2再連接一個小質量m2。當合理的設計剛度k2以及質量m2，如果此時再給m1一個激勵的時候，人們驚喜的發現，質量m2成為了完美的「熊孩子」，熊孩子就是你讓他向東，他偏向西的傢伙。同理，載入在質量m1上的向左的激勵，會被質量m2向右的響應抵消，最後，質量m2在振動，而質量m1可以紋絲不動。哈哈，質量m1的振動被消除了。好了，台北101大樓本身是質量m1，鋼球是質量m2，風是激勵，有了鋼球之後，大樓本身不抖了。
動力減震器在汽車行業的應用
其實，在汽車行業也有類似的運用。眾所周知，現代往複活塞式內燃機都是四衝程的工作循環，即在發動機旋轉兩圈的情況下，完成吸氣-壓縮-燃燒-排氣四衝程。發現問題沒有？ 四衝程中只有燃燒做功這個衝程是推動活塞，帶動曲軸旋轉，其他的三個衝程都是扯閑淡。。。結果就是看起來平穩轉動的發動機實際上是忽快忽慢地旋轉的，這也就是發動機扭振的主要原因。
上文提到動力減振器在汽車行業動力總成的扭轉減振中也有應用，這也就是當前十分熱門的鐘擺減振器 Pendulum Damper。
鐘擺的歷史
然而說到鐘擺的歷史，我們還得從一位大家十分熟悉的義大利老爺爺-伽利略說起，話說，伽利略在教堂里看到一盞掛在神像前的銅燈在擺動著，擺動的幅度會慢慢變小，但擺動一次所用的時間卻沒有變化，當時還沒有準確的計時裝置，好在他是一位略通醫術的人，他就以自己脈搏的跳動次來測算，終於肯定了吊燈擺動的周期與擺動的幅度無關這個單擺的等時性規律，後來，伽利略根據這個規律用一根適當長的細線，下面掛著一個小球，也就是單擺模型。其後，惠更斯老爺爺又做了進一步的研究，確定了單擺振動的周期與擺長的平方根成正比的關係，並於1656年發明了世界上第一個用擺的振動來計時的時鐘。單擺的原理示意圖和頻率計算公式見下圖。
從公式可知，上述的伽利略單擺受由重力加速度g影響，它的旋轉中心是固定的, 通常我們管這種單擺叫做重力擺。
而汽車行業需要減振的是扭轉振動，也就是旋轉的振動。單擺是無法直接使用的。於是，腦洞大開的汽車行業工程師們乾脆直接把整個單擺直接繞著某個旋轉中心轉起來。
這個時候就像上文中所描述的那樣，單擺就會像額外添加的m2那樣，起到了神奇的減振作用。下圖是鐘擺減振器和常見的動力阻尼減振器的比較圖，讓我們想想，如果發動機忽快忽慢的以轉速n旋轉（扭振振動！），如果我們在半徑為R的位置掛上我們喜愛的單擺，單擺自身的作用半徑為L，在旋轉的慣性和扭振的作用下，我們可以肯定單擺一定會左右擺動，擺動就可以消耗能量，如果我們精心的選擇相關參數，單擺就可以扮演「熊孩子」的角色—腦洞大開的結果就是我們得到了鐘擺減振器pendulum damper了。
為了更好的認識單擺的基本特性，讓我們繼續。眾所周知，重力擺的頻率受到重力加速度g的影響。當我們把單擺放到一個旋轉慣性系中，單擺就會受到離心力的影響，而簡單的物理知識告訴我們，離心力F等於其質量、作用半徑乘以旋轉速度的平方，即F=m*R*n2。而在重力擺的情況下，其在重力加速度作用下它的受力為質量乘以加速度，也就是F=m*g。如果我們把重力擺的頻率公式中的重力加速度g換成Rn2， 那我們就得到了鐘擺減振器的最基本的頻率公式了，那就是。
從上述公式可以知道，鐘擺減振器的頻率不是一成不變的，而是隨著轉速的變化而變化的，這是一個非常優良的品質。這是因為發動機是振源，它的振動主要來源是其點火燃燒，因此它一個最重要的激勵頻率就是所謂的點火頻率，通常我們用階次來形容它，比如，我們說四缸發動機的點火頻率為2階，3缸發動機的點火頻率是1.5階。（什麼？不知道什麼是階次？請參見本人文章，《什麼是發動機的階次？》）。為了簡單理解，只需要知道發動機的點火頻率是隨著發動機轉速變化的。你看，鐘擺減振器的頻率是隨著轉速變化，而發動機的扭振激勵頻率也是隨著轉速變化。好了，再次腦洞大開，前文提到鐘擺減振器是個「熊孩子」，可以減振，現在又知道經過精心設計，它「熊」的節奏完全和激勵同步，即可以按照激勵頻率來減振。完美！見下圖的解釋。
你以為就這樣結束了嗎？當然還沒有！
※電池模組作為產品帶來的一些變化
※禁售燃油車又如何？我要給發動機同仁吃一顆「定心丸」
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