汽車雙質量飛輪啟動工況的仿真分析與研究

張貴輝，陳 闖，石 磊，李 健，張忠仁，馬俊明

(吉林大華機械制造有限公司，吉林 長春 130000)

雙質量飛輪自20世紀80年代誕生以來，已在整車上應用了近40年。相對于離合器從動盤扭轉減振器，雙質量飛輪通過降低扭轉剛度、增大初次級質量的轉動慣量，極大地衰減了發動機的輸出扭矩的波動，為整車NVH特性的提升做出了巨大貢獻[1-4]。但由于將整個動力傳動系統的固有頻率降低到了怠速以下，導致每次車輛在啟動過程中都要經過雙質量飛輪共振點，如果設計不合理，共振能量會較大，導致對雙質量飛輪的沖擊過大，產生啟動異響及整車異常抖動。

本文針對某四缸發動機搭載DCT變速箱的整車建立啟動工況的動力學仿真模型，并針對雙質量飛輪的相關參數進行了仿真分析優化，明確了此問題的改善方向，為解決該類問題提供了一定的參考。

1 雙質量飛輪的結構和工作原理

長弧形彈簧式雙質量飛輪是當今整車上應用最廣泛、性能最優的一種雙質量飛輪結構[5-6]，主要由初級質量、彈簧系統和次級質量組成，具體結構如圖1所示。

該結構的雙質量飛輪的特點主要為在初、次級質量中間的環形油腔內置有長弧形彈簧減振系統，

長弧形彈簧可以在油腔內進行扭轉滑動，通過傳力板傳遞扭矩。同時，環形油腔內充滿阻尼脂，用來減少彈簧與其他零件的摩擦，最大限度進行減振隔振[7-8]。由于啟動工況產生的沖擊扭矩較大，故當雙質量飛輪初、次級質量的接觸瞬間就容易產生異響及整車抖動，降低弧形彈簧的使用壽命[9]，因此，在設計初期應考慮雙質量飛輪在啟動工況的扭轉特性，避免過大的沖擊情況出現。

2 基于啟動工況的仿真建模與分析

為進一步摸索雙質量飛輪各關鍵性能參數與整車啟動工況的關系，本文應用AMESim軟件建立基于啟動工況的仿真模型。對影響雙質量飛輪啟動性能的初、次級質量的轉動慣量、自由轉角(雙質量飛輪自由轉角是在初級質量相對次級質量做正反兩個方向扭轉的過程中，從零位分別扭轉到彈簧正好開始壓縮時的臨界狀態的扭轉角度的絕對值之和)[10-11]、基礎阻尼力矩、彈簧剛度進行仿真分析，得出各關鍵性能參數對整車啟動工況異響和抖動的影響趨勢，明確問題的解決方向。根據上述要求，基于整車啟動工況的雙質量飛輪仿真模型如圖2所示。

2.1 初級質量慣量的影響分析

本文研究的雙質量飛輪單體模型已經完成了前期初步調較，滿足分析要求。為了分析在啟動工況下初級質量慣量對發動機扭振衰減效果的影響，現保持次級質量慣量、扭轉剛度、基礎阻尼力矩、自由轉角不變，設置不同的初級質量慣量進行仿真分析，參數的具體數值見表1。

表1 初級質量慣量影響分析的相關參數

不同初級質量轉動慣量對發動機啟動工況的影響如圖3所示，初次級質量的相對轉角和次級質量的轉速波動都是隨著初級質量慣量的增加而減小，但減少的并不明顯，初級飛輪慣量為0.08和0.12 kg·m2時，相對轉角和轉速波動已差別不大，同時由于在設計上初級飛輪的慣量一般由顧客指定數值，故一般不對此參數進行調整。

2.2 次級質量慣量的影響分析

為了分析在啟動工況下次級質量慣量對發動機扭振衰減效果的影響，現保持初級質量慣量、扭轉剛度、基礎阻尼力矩、自由轉角不變，設置不同的次級質量慣量進行仿真分析，參數的具體數值見表2。

不同次級質量轉動慣量對發動機啟動工況的影響如圖4所示，初次級質量的相對轉角和次級質量的轉速波動都是隨著次級質量慣量的增大而變大，同時次級質量慣量越大，發動機的啟動時間越長，不利于發動機的快速啟動，故在進行雙質量飛輪設計

表2 次級質量慣量影響分析的相關參數

時，次級質量慣量應綜合考慮，不能設計的太大。又由于次級質量慣量越小，影響正常行駛工況的NVH衰減，故不調整此參數解決此問題。

a)初級質量與次級質量的相對轉角

2.3 扭轉剛度的影響分析

為了分析在啟動工況下扭轉剛度對發動機啟動的影響，現保持初級質量慣量、次級質量慣量、基礎阻尼力矩、自由轉角不變，設置不同的扭轉剛度進行仿真分析，參數的具體數值見表3。

不同扭轉剛度對發動機啟動工況影響如圖5所示。通過對不同扭轉剛度的仿真分析結果可以看出，扭轉剛度越大，初次級質量的相當轉角和次級飛輪的轉速波動越大，越不利于發動機的啟動，所以降

表3 扭轉剛度影響分析的相關參數

低雙質量飛輪的扭轉剛度可以減小啟動工況的沖擊，降低抖動和異響。

a) 初級質量與次級質量的相對轉角

2.4 基礎阻尼力矩的影響分析

為了分析在啟動工況下基礎阻尼力矩對發動機扭振衰減效果的影響，現保持初級質量慣量、次級質量慣量、扭轉剛度、自由轉角不變，設置不同的基礎阻尼力矩進行仿真分析，參數的具體數值見表4。

不同基礎阻尼力矩對發動機扭振減振效果的影響如圖6所示。通過對不同基礎阻尼力矩的仿真分析結果可以看出，基礎阻尼力矩越大，初次級質量的相對轉角越小，次級質量的轉速波動越小，所以通過增大基礎阻尼力矩可以有效減小初次級質量的沖

表4 基礎阻尼力矩影響分析的相關參數

擊，同時降低由此產生的抖動和異響問題。

a) 初級質量與次級質量的相對轉角

2.5 自由轉角的影響分析

為了分析不同自由轉角對發動機啟動工況的影響，現保持初級質量慣量、次級質量慣量、扭轉剛度、基礎阻尼力矩不變，設置不同的自由轉角進行仿真分析，參數的具體數值見表5。

不同自由轉角對發動機啟動工況的影響如圖7所示。通過對不同自由轉角的仿真分析結果可以看出，自由轉角的大小對初次級質量的相對轉角影響不大，也就是對啟動沖擊的影響較小，故自由轉角對

表5 自由轉角影響分析的相關參數

此工況影響較小。

a) 初級質量與次級質量的相對轉角

3 結語

本文針對某四缸發動機匹配DCT變速箱的雙質量飛輪啟動工況進行了仿真分析，應用AMESim搭建了基于整車的雙質量飛輪啟動工況仿真模型，分析了雙質量飛輪的初級質量慣量、次級質量慣量、扭轉剛度、基礎阻尼力矩和自由轉角參數對發動機啟動工況的影響。根據對初次級質量的相對轉角與次級質量的轉速波動的結果分析，摸索出了影響雙質量飛輪啟動工況的重要參數，具體結論如下。

1)通過對整車的啟動工況下的轉速波動和相對轉角的分析，發現雙質量飛輪在整車啟動過程中容易造成相對轉角過大和次級飛輪轉速波動過大，易造成整車抖動和異響。

2)通過仿真分析雙質量飛輪的關鍵設計參數對發動機啟動工況的影響，結果表明，初次級質量的轉動慣量、自由轉角對啟動工況影響較小，基礎阻尼力矩和扭轉剛度對啟動工況影響較大。

3)改進方案可以通過降低扭轉剛度和增加基礎阻尼力矩來降低啟動工況的沖擊振幅，改善啟動抖動和異響問題。

通過本文的研究，明確了雙質量飛輪啟動抖動和異響問題的改善方向，為解決該類問題提供了一定的參考。