弧形彈簧減振飛輪總成關鍵技術的創新與應用

韓天宇 胡江平

（1.南京航空航天大學，江蘇 南京 210001；2.湖北三環離合器有限公司，湖北 黃石 435000）

一、項目背景

隨著CVT（機械式無極變速器）和DCT（濕式雙離合器變速器）技術的應用，傳統離合器總成已經無法滿足越來越高的減振降噪要求。能夠有效減振降噪的飛輪減振技術應運而生，但是在國內這種技術還是空白。為了突破國外技術壟斷，打造自主核心技術，實現國產代替進口，及時滿足國內CVT機械式無極變速器和DCT 濕式雙離合器變速器車型市場的需求，湖北三環離合器有限公司研發了弧形彈簧減振飛輪總成項目。[1]

弧形彈簧減振飛輪總成需要解決的關鍵技術問題主要有：（1）結構緊湊輕量化設計；（2）弧形彈簧結構尺寸設計和生產工藝；（3）潤滑脂的選取及密封；（4）蓋盤與主飛輪體焊接可靠性；（5）薄壁零件加工精度等問題。

弧形彈簧減振飛輪總成結合國外飛輪減振技術的發展趨勢和國內市場的需求，圍繞上述關鍵技術問題展開研究并形成弧形彈簧減振飛輪總成技術?？傮w思路如下：（1）提出緊湊型輕量化一體化結構技術，將傳統離合器減振系統與單質量飛輪進行結構設計整合，突破空間布局局限性，實現緊湊輕量化設計。（2）提出大扭轉角低剛度弧形彈簧減振技術，采用弧形結構代替圓柱結構，實現減振彈簧大轉角低剛度設計。（3）提出獨立阻尼系統預減振技術，實現二級減振。（4）提出激光焊接工藝技術，解決焊接可靠性，保證密封性。（5）通過不同潤滑脂的試驗驗證，確定滿足要求的潤滑脂型號，解決弧形彈簧高溫磨損問題。采用上述技術構建的弧形彈簧減振飛輪總成在主要技術指標方面達到了同類產品的國際先進水平。[2]

弧形彈簧減振飛輪總成主要由質量環、起動齒圈、主動飛輪總成、滑槽、弧形彈簧、法蘭、從動飛輪總成、蓋板、油脂等零部件組成?？偨Y構如圖1 所示，產品實物如圖2所示。

圖1 弧形彈簧減振飛輪總成結構圖

圖2 弧形彈簧減振飛輪總成實物圖

二、關鍵技術

（1）緊湊型輕量化一體化結構技術。對傳統離合器減振系統與單質量飛輪進行結構設計整合，節省軸向空間，減輕飛輪減振器重量。

針對單質量飛輪與傳統離合器（如圖3所示）空間布局的局限性以及重量較重等問題，提出緊湊型輕量化一體化結構技術，突破傳統離合器減振器空間布局的局限性，將傳統離合器減振系統與單質量飛輪進行結構設計整合。[3]

新結構技術的飛輪總成（如圖4所示）既包含了單質量飛輪與傳統離合器的傳扭、減振功能，而且在保證產品質量的前提下，進行輕量化處理，在空間布局上更為緊湊，節省軸向空間。如發動機扭矩210Nm（1.5T）車型，傳統飛輪及離合器重量為13kg左右，而新型弧形彈簧減振飛輪總成重量約10kg，重量減輕23%。

（2）大扭轉角低剛度弧形彈簧減振技術。在飛輪與連接變速器的部分采用減振設計，通過弧形彈簧減振系統衰減發動機的不規則扭轉振動，減振效果顯著。

傳統離合器總成及其減振彈簧機構（如圖5、圖6所示），減振彈簧為圓柱形彈簧。彈簧材料一般為55CrSI，許用應力不超過850MPa。彈簧自由長度根據彈簧型腔設計一般有20～40mm，這種圓柱形彈簧扭轉角度較小（如圖7所示），一般在15°～25°，減振效果不明顯。

圖3 傳統離合器總成及單質量飛輪總成裝配視圖

圖4 弧形彈簧減振飛輪總成裝配視圖

圖5 傳統離合器總成圖

圖6 傳統離合器總成減振彈簧結構圖

圖7 傳統離合器總成減振曲線圖

圖8 弧形彈簧減振飛輪總成圖

圖9 弧形彈簧結構圖

圖10 弧形彈簧減振飛輪總成減振曲線圖

弧形彈簧減振飛輪總成弧形彈簧結構（如圖8、圖9 所示），彈簧呈弧形狀，與主動飛輪型腔吻合。彈簧材料一般為SWOSC-V，許用應力不超過1000MPa，該材料強度更高，可靠性更好?；⌒螐椈勺杂山嵌?56°～162°，扭轉角度較大（如圖10 所示），一般可達到50°～70°，在傳遞同等扭矩時，弧形彈簧減振飛輪因為扭轉角度大，剛度可以做的更低，減振效果更加顯著。[4]

（3）獨立阻尼系統預減振技術。通過獨立阻尼系統設計，以及對彈簧材料、制造工藝等改進，有效降低發動機怠速運轉過程中振動的幅值，提高整車NVH的舒適性。

為了保證弧形彈簧減振飛輪總成有更好的隔震效果，在飛輪總成整個減振區間增加獨立阻尼系統（如圖11所示）。獨立阻尼系統主要由墊圈、阻尼片、止動阻尼片、碟簧組成（如圖12所示），其中墊圈和止動阻尼片材料為SPHE 鋼件，阻尼片材料為PA66 尼龍件，碟簧材料為65Mn。碟簧的功能是提供穩定的軸向壓力，軸向壓力作用在止動阻尼片上，使止動阻尼片和墊圈一起將阻尼片壓緊；阻尼片與法蘭之間是齒嚙合，當法蘭相對于主動飛輪旋轉時，會帶動阻尼片一起旋轉；墊圈和止動阻尼片與主動飛輪鉚接在一起，當阻尼片轉動時，會與墊圈及止動阻尼片形成相對運動而產生摩擦力，這種摩擦力就是阻尼。[5]

圖12 獨立阻尼系統結構放大示意圖

圖13 弧形彈簧減振飛輪總成減振特性曲線圖

圖14 焊接位置示意圖

圖13 是弧形彈簧減振飛輪總成的減振特性曲線圖，扭轉檢測過程中來回壓縮弧形彈簧形成曲線中的進程和回程，進程與回程的差值就是阻尼。阻尼的產生主要由阻尼系統中阻尼片與墊圈和止動阻尼片的摩擦產生。

阻尼跟摩擦面積、摩擦副中兩零件的摩擦系數及軸向壓力有關，而這3 個因素可以在零件設計中進行量化控制，從而保證阻尼系統的穩定性、可靠性，進而能夠有效降低發動機怠速運轉過程中振動的幅值，提高整車NVH舒適性。

（4）激光焊接工藝技術。在弧形彈簧飛輪減振器總成中采用激光焊接工藝，有效解決了蓋盤與主飛輪體間的密封問題。[6]

為了保證主動飛輪與蓋板焊接（如圖14 所示）的可靠性與密封性，把原來的氬弧焊接調整為激光焊接。

圖16 氬弧焊接開焊示意圖

原來的氬弧焊接表面溫度在4000攝氏度以上，時間節拍120秒/件，焊接速度慢，導致零件長時間處在高溫中，產生較大變形，影響產品質量，焊接效果如圖15所示。同時，受焊接過程零件坡口角度影響，導致焊接溶液無法與母材融合，形成虛焊，在整車運行過程中會開裂，產生質量事故（如圖16所示）。

圖17 激光焊接局部示意圖

圖18 激光焊接剖開熔深示意圖

激光焊接表面溫度在3000～4000 攝氏度，時間節拍30 秒/件，焊接速度快，零件冷卻速度快，熱影響區域小，焊接過程中零件變形小，焊接效果如圖17 所示。同時，焊接過程中沒有其他元素成分加入，純粹是兩焊接母材自熔后形成一個整體，強度高，目前激光焊的熔深一般能達到3.5～4.0mm（如圖18 所示），完全滿足飛輪使用可靠性要求。

三、與當前國內外同類技術的主要參數、效果和市場競爭力對比

（1）采用上述弧形彈簧減振飛輪總成技術研制開發出的230 規格飛輪減振器產品（如圖2 所示），經湖北省機動車輛及零部件質量監督檢驗站測試，主要性能參數指標達到國際同類產品質量水平，具體對比數據如表1。

表1 與當前國外同類技術的主要參數對比數據

圖19 傳統離合器在3檔WOT工況NVH測試曲線圖

圖20 弧形彈簧減振飛輪總成在3檔WOT工況NVH測試曲線圖

（2）弧形彈簧減振飛輪總成與傳統離合器總成減振效果對比。

圖19是傳統離合器在3檔WOT工況NVH測試情況，通過離合器減振后變速箱輸入軸角加速度最大1887.6rad/s2，在發動機2000rpm～3500rpm 區間隔震率最大達到40%。[7]

圖20 是弧形彈簧減振飛輪總成在3 檔WOT 工況NVH測試情況，通過弧形彈簧減振后變速箱輸入軸角加速度最大392.4rad/s2，在發動機800rpm～4500rpm區間隔震率最大達到81%。

（3）市場競爭力對比?；⌒螐椈蓽p振飛輪總成項目填補了國內空白，其主要技術達到了同類產品的國際先進水平，實現了進口替代。近幾年在重慶渝安淮海動力有限公司等單位進行了大量的裝機使用，取得了良好的經濟效益和社會效益，市場前景廣闊。[8]

四、結語

弧形彈簧減振飛輪總成技術系列產品基本能滿足市場上大部分車型需求，裝車效果良好，但在有些對減振要求更高的部分車型應用中該技術適應性還有待提高。例如在格特拉克7DCT300 變速箱應用環境中，由于這款變速箱采用輕量化設計，各檔位齒輪重量輕，慣量小，導致整個變速箱對發動機端傳遞來的振動非常敏感。該款變速箱通過弧形彈簧減振飛輪減振后的角加速度要求小于250rad/s2，否則會產生變速箱齒輪敲擊，而現有的弧形彈簧減振飛輪總成技術只能達到角加速度小于400 rad/s2。目前真正能解決這個問題的產品只有帶偏心擺結構的雙質量飛輪，這種帶有偏心擺結構的雙質量飛輪目前還在研發中。

隨著汽車行業的快速發展，尤其是CVT、DCT變速器技術在國內的廣泛應用，必將對減振降噪（NVH）提出更高的要求。為了滿足市場上這些新的需求，研究基于弧形彈簧減振飛輪總成技術的偏心擺結構雙質量飛輪及帶有扭矩保護結構等其他結構的雙質量飛輪技術將是公司未來的研究發展方向。