淺析雙質(zhì)量飛輪減振器的設(shè)計(jì)

摘 要：雙質(zhì)量飛輪（Double Mass Flywheel，簡稱DMFW），是20世紀(jì)80年代末在汽車動(dòng)力傳動(dòng)系中應(yīng)用的新型結(jié)構(gòu)，可較為有效地隔離發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的扭振，有利于改善汽車的使用性能，因此雙質(zhì)量飛輪在減振器的應(yīng)用日益廣泛。

關(guān)鍵詞：雙質(zhì)量飛輪；減振器；扭振；離合器

為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的不均衡性而造成傳動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，傳統(tǒng)上在離合器中采用扭轉(zhuǎn)減振器來達(dá)到減振目的。雙質(zhì)量飛輪的次級(jí)質(zhì)量與變速器的分離和結(jié)合由一個(gè)不帶減振器的剛性離合器盤來完成，由于離合器沒有了減振器機(jī)構(gòu)，質(zhì)量明顯減小。減振器組裝在雙質(zhì)量飛輪系統(tǒng)中，并能在盤中滑動(dòng)，明顯改善同步性并使換檔容易。而雙質(zhì)量飛輪將質(zhì)量一分為二，其中的第二質(zhì)量（次級(jí)質(zhì)量）能在不增加飛輪的慣性矩的前提下提高傳動(dòng)系的慣性矩，而使共振轉(zhuǎn)速下降到怠速轉(zhuǎn)速以下。也就是說在任何情況下，出現(xiàn)共振轉(zhuǎn)速都在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍以外，只有在發(fā)動(dòng)機(jī)剛起動(dòng)和停機(jī)時(shí)才會(huì)越過共振轉(zhuǎn)速，這也是常見汽車發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和停機(jī)時(shí)振動(dòng)特別厲害的原因。

隨著對(duì)汽車乘坐舒適性要求的不斷提高，對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系性能要求也不斷提高。目前通用的離合器從動(dòng)盤式扭轉(zhuǎn)減振器在特性上存在一些局限性，主要表現(xiàn)在它不能使發(fā)動(dòng)機(jī)—變速器振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率降低到怠速轉(zhuǎn)速以下，因此不能避免傳動(dòng)系在怠速轉(zhuǎn)速時(shí)的共振。如圖1所示為簡化的兩自由度振動(dòng)模型和固有頻率曲線。

在發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速 1000～2000 r/min 范圍內(nèi)，難以通過降低減振彈簧剛度的辦法得到更大的減振效果。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的從動(dòng)盤結(jié)構(gòu)中，減振彈簧的位置半徑比較小，其轉(zhuǎn)角又受到最大轉(zhuǎn)角的限制而不能太大。如果降低彈簧剛度，在最大轉(zhuǎn)角一定的情況下就不能保證傳遞的最大扭矩。雙質(zhì)量飛輪式扭轉(zhuǎn)減振器基本上沿用了離合器從動(dòng)盤式扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)，但是其在動(dòng)力傳動(dòng)系中的位置發(fā)生了變化，簡單地說，是將扭轉(zhuǎn)減振器從離合器從動(dòng)盤中取出，然后將其布置到發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪中間，這樣在扭轉(zhuǎn)減振器兩端的慣量分配就發(fā)生了變化，通過合理確定減振彈簧的剛度而得到期望的系統(tǒng)固有頻率；同時(shí)由于增大了減振彈簧的位置半徑，可以增大極限轉(zhuǎn)角并降低彈簧剛度，克服了從動(dòng)盤式扭轉(zhuǎn)減振器不足。雙質(zhì)量飛輪式扭轉(zhuǎn)減振器的基本結(jié)構(gòu)有三大部分，即第一質(zhì)量（第一飛輪）、第二質(zhì)量（第二飛輪）和兩質(zhì)量之間的減振器。第一質(zhì)量與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出端法蘭盤相聯(lián)接，第二質(zhì)量通過一個(gè)軸承（一般為深溝球軸承）安裝在第一質(zhì)量上，第二質(zhì)量即可以與DCT 的動(dòng)力輸入件相聯(lián)接。第一、第二質(zhì)量之間可以有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，它們之間通過扭轉(zhuǎn)減振器相聯(lián)。圖2為離合器從動(dòng)盤式扭轉(zhuǎn)減振器與雙質(zhì)量飛輪式扭轉(zhuǎn)減振器結(jié)構(gòu)比較示意圖。

雙質(zhì)量飛輪的優(yōu)點(diǎn)主要有以下三點(diǎn)：

1）可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器系統(tǒng)的固有頻率以避免在怠速工況時(shí)的共振。

2）可以加大減振彈簧的位置半徑（例如沿圓周最大位置布置），降低彈簧的減振剛度，并允許增大極限轉(zhuǎn)角。

3）由于雙質(zhì)量飛輪的減振效果好，于是變速器中可以采用粘度較低的SAE80 號(hào)齒輪油而不致于產(chǎn)生齒輪沖擊噪聲，并可以改善冬季的換檔過程。而且由于在從動(dòng)盤上沒有減振器，也可以減小從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有利于換檔過程。

在上述基礎(chǔ)上我們還應(yīng)該考慮一下雙質(zhì)量飛輪減振器的參數(shù)選擇。扭轉(zhuǎn)減振器的參數(shù)可以分作兩類：一類是從減振器的性能出發(fā)的，其取值范圍對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)特性產(chǎn)生影響，它們決定減振器對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)扭振的衰減能力；另一類參數(shù)與振動(dòng)特性關(guān)系不大，主要是從結(jié)構(gòu)布置或其他方面的需要來定。雙質(zhì)量飛輪減振器在質(zhì)量、剛度和阻尼三方面實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭振的控制，因此，質(zhì)量、剛度、阻尼就是雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)減振器的三大參數(shù)。

1）質(zhì)量參數(shù)的選擇

雙質(zhì)量飛輪減振器和傳統(tǒng)的離合器從動(dòng)盤式減振器的最大不同是彈性元件兩端的質(zhì)量分配發(fā)生了很大變化。由于第二質(zhì)量的增加，使傳動(dòng)系一側(cè)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量增大，而發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量減小。由于作為扭振系統(tǒng)激勵(lì)源的發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的減小，使得激勵(lì)幅度加大，而激勵(lì)的總能量是不變的；傳動(dòng)系一側(cè)由于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的加大，使得響應(yīng)的幅度減小，再加上減振器的緩沖和衰減，那么，傳動(dòng)系的響應(yīng)會(huì)明顯降低。因此，如何選擇雙質(zhì)量飛輪減振器的第一質(zhì)量和第二質(zhì)量是設(shè)計(jì)中一個(gè)比較關(guān)鍵的問題。

2）剛度參數(shù)的選擇

極限轉(zhuǎn)矩減振器傳遞的極限轉(zhuǎn)矩為減振器消除了限位銷與從動(dòng)盤轂缺口之間的間隙時(shí)所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩，也就是極限轉(zhuǎn)角時(shí)的轉(zhuǎn)矩。如果剛度小，從動(dòng)盤轂會(huì)過早的碰到限位銷，減振器有可能會(huì)被破壞。極限轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩有關(guān)，在我們的設(shè)計(jì)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩為150 N ? m，則limT 取300 N ? m。

從動(dòng)盤相對(duì)于從動(dòng)盤轂的極限轉(zhuǎn)角lim?極限轉(zhuǎn)角一般取 3～12°，也有高達(dá)20°的，一般對(duì)汽車平順性要求高或者對(duì)于工作不均勻發(fā)動(dòng)機(jī)取較大的極限轉(zhuǎn)角。這里我們?nèi)O限轉(zhuǎn)角為16°。

減振器的扭轉(zhuǎn)剛度的選擇要考慮兩個(gè)主要因素：避免在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生共振和傳遞極限轉(zhuǎn)矩。為了避開共振的激勵(lì)頻率，減振器的剛度要求降低，但為了傳遞最大轉(zhuǎn)矩，又要求具有一定的剛度。這兩者是矛盾的，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，振動(dòng)現(xiàn)象是不可避免的。我們能做的是選擇合適的扭轉(zhuǎn)剛度，得到相對(duì)較好的傳動(dòng)系振動(dòng)特性。如前所述，雙質(zhì)量飛輪的一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)就是可以通過合理分配轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而降低怠速工況的固有頻率從而避免共振的發(fā)生。減振彈簧在安裝時(shí)都有一定的預(yù)緊，彈簧具有一定的預(yù)緊量是必要的，以防止由于彈簧的工作長度在使用一段時(shí)間之后縮短而引起剛度的變化，同時(shí)也防止由于間隙存在引起彈簧的振動(dòng)而增大雙質(zhì)量飛輪的噪聲。但預(yù)緊扭矩的值不應(yīng)大于摩擦轉(zhuǎn)矩 的值，否則在反向工作時(shí)，減振器將提前停止工作。

3）阻尼參數(shù)的選擇

雙質(zhì)量飛輪減振器中的阻尼通常有三種，即干摩擦式阻尼、橡膠、液力阻尼，本文只對(duì)干摩擦阻尼加以討論由于減振器的扭轉(zhuǎn)剛度受結(jié)構(gòu)要求以及轉(zhuǎn)矩的限制不可能降的很低，因

此振動(dòng)現(xiàn)象難以避免，通常在減振器中都布置阻尼裝置，以減少振動(dòng)振幅，盡快的衰減振動(dòng)。為了最有效的消振，必須合理選擇減振器阻尼裝置的摩擦阻尼轉(zhuǎn)矩。常用的方法有兩種，一種是令在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)做的功等于發(fā)動(dòng)機(jī)激振轉(zhuǎn)矩所作的功，那么系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振幅將是最小的；另一種方法是直接根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩初選，在設(shè)計(jì)時(shí)如何保證使用過程中的穩(wěn)定性也是一個(gè)重要的問題，在干摩擦式阻尼器中大多數(shù)采用具有自動(dòng)補(bǔ)償磨損量功能的碟形彈簧作為壓緊元件。

在扭轉(zhuǎn)減振器的參數(shù)選擇中，剛度的確定和轉(zhuǎn)角的分配是重點(diǎn)，也是對(duì)傳動(dòng)系的振動(dòng)特性影響最大的。從避免共振的角度考慮，我們希望在低剛度下工作的轉(zhuǎn)角比較大；但考慮到傳遞扭矩的能力和減振器的極限轉(zhuǎn)角，又必須增大剛度以在有限的轉(zhuǎn)角內(nèi)傳遞系統(tǒng)的載荷。這就必須對(duì)剛度和轉(zhuǎn)角進(jìn)行合理的分配，并通過仿真和試驗(yàn)來驗(yàn)證系統(tǒng)的振動(dòng)特性是否能夠滿足要求，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行修改。目前國外設(shè)計(jì)新車時(shí)對(duì)扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計(jì)多采用實(shí)驗(yàn)方法，根據(jù)已選定的發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤的其他部件，從離合器眾多已有產(chǎn)品中選擇一種裝到新車上做路試，將實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)根據(jù)對(duì)舒適性程度的量化分析，來判斷該離合器是否適用，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，最后確定離合器的型號(hào)。

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作者簡介

張凱娟（1986-），女，河南新鄉(xiāng)，新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，本科。