某雙質量飛輪怠速異響問題的分析與改善

張貴輝，劉鶴龍，史文庫，陳 闖，石 磊，李 健

（1.吉林大華機械制造有限公司，長春 130000；2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022）

自20世紀80年代LUK公司首次在寶馬車上批量裝配雙質量飛輪以來，雙質量飛輪已在整車上應用了近40年，受到了研究學者的廣泛關注[1-4]。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[5-8]。

隨著國家節能減排要求的不斷提高，三缸發動機有望會在未來汽車市場上得到充分的發展。然而，三缸發動機的扭矩波動相比于四缸發動機更大[9]，尤其是匹配三缸發動機搭載DCT的整車，對于雙質量飛輪的要求會更高。因此，雙質量飛輪的設計在整車NVH性能的匹配過程中至關重要。

本文針對某三缸發動機搭載DCT 變速箱的整車進行實車的NVH測試，并對存在異響問題的怠速工況進行仿真分析優化，確定此問題的改善方向，能夠為解決該類問題提供一定的參考。

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[10-12]，主要由初級質量、彈簧減振系統和次級質量組成，具體結構如圖1所示。

圖1 雙質量飛輪結構圖

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，最大限度地進行減振隔振[13]。初級質量的弧形彈簧將發動機的扭矩傳遞給次級質量的傳力板。由于激勵頻率比較高，當雙質量飛輪初、次級質量的相對轉角大于設計的自由轉角時，傳力板與弧形彈簧之間易產生敲擊異響。因此，在設計初期要考慮雙質量飛輪在怠速工況的扭轉特性，避免出現怠速異響問題。

2 怠速工況NVH測試

該乘用車匹配三缸發動機搭載濕式6DCT變速箱，在進行整車NVH調校時發現在怠速工況存在塔塔異響，異響呈間歇性。為了進一步分析產生異響的原因，對該車進行了扭振測試，采集到怠速工況下初級質量和次級質量的轉速數據如圖2所示。

圖2 怠速工況下初級質量和次級質量的轉速信號對比

結合主觀評價，通過對怠速異響工況的測試可以看出，有異響時次級質量的轉速波動（虛線）在70 r/min 左右。對異響信號的角加速度進行頻譜分析如圖3 所示，從圖中可以看出，次級質量的角加速度在8 Hz 時的幅值最大，達到了113.54 rad/s2，對應三缸發動機怠速激勵的0.5階，這是產生怠速異響的根本原因。

圖3 初級質量和次級質量的角加速度頻譜對比

3 基于怠速工況的仿真建模與分析

為了進一步優化雙質量飛輪的各關鍵性能參數，解決怠速異響問題，本文利用AMESim軟件建立了基于怠速工況的多自由度雙質量飛輪動力學仿真模型。將實車測試的初級質量轉速信號作為仿真分析的激勵源以保證分析的精確性，同時對影響雙質量飛輪怠速性能的次級質量的轉動慣量、自由轉角（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剛開始壓縮時的臨界狀態的扭轉角度的絕對值之和）、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怠速異響的影響趨勢，明確問題的解決方向。需要說明的是，本文所選參數的比較維度的選取依據是基于實際工程問題改進的難度與可行性，其中，自由轉角的可改進范圍較大、難度較低，因此參數分析時只明確了改進趨勢，實際生產加工可以具有更大的改進裕度。基于以上要求，雙質量飛輪基于整車的怠速仿真模型[14]如圖4所示。

圖4 多自由度雙質量飛輪動力學仿真模型

3.1 次級質量慣量的影響分析

本文研究的雙質量飛輪已經完成了前期的仿真分析及NVH調校，其扭轉特性已初步確定。為了分析在怠速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、一級扭轉剛度、基礎阻尼力矩和自由轉角不變，設置不同的次級質量慣量進行仿真分析，參數的具體數值如表1所示。

表1 次級質量慣量影響分析的相關參數

不同的次級質量轉動慣量對發動機扭振衰減效果的影響如圖5所示的仿真分析結果，增大次級質量慣量后1.5 階的幅值基本不變，但可以減小0.5 階的振幅，而減小的幅值有限，不能徹底解決此問題，次級質量慣量的變化對雙質量飛輪的相對轉角影響較小，相對轉角在12°～16°左右波動，大于雙質量飛輪的自由轉角（8°），在怠速工況下彈簧依舊會敲擊傳力板，存在產生敲擊異響的風險，因此不考慮通過改變次級質量慣量來改善該怠速異響問題。

圖5 次級質量慣量對發動機扭振衰減效果的影響

3.2 扭轉剛度的影響分析

為了分析在怠速工況下一級扭轉剛度對發動機扭振衰減效果的影響（怠速工況不會到達二級剛度故不考慮），現保持初級質量慣量、次級質量慣量、基礎阻尼力矩和自由轉角不變，設置不同的一級扭轉剛度進行仿真分析，參數的具體數值如表2所示。

表2 扭轉剛度影響分析的相關參數

不同扭轉剛度對發動機扭振衰減效果的影響見圖6 所示的仿真分析結果，一級扭轉剛度的大小對1.5階的幅值影響較小，但對雙質量飛輪的相對轉角和0.5 階幅值影響較大，剛度為3.1 N·m/（°）和4.1 N·m/（°）時0.5階振幅較大，剛度為2.1 N·m/（°）時0.5階次振幅可以降低到77.6 rad/s2，但基于雙質量飛輪的設計傳遞扭矩要求，一級剛度不能再進一步降低，雖然對此問題有優化作用，但不能徹底解決此問題，故不考慮通過改變扭轉剛度來改善該怠速異響問題。

圖6 扭轉剛度對發動機扭振衰減效果的影響

3.3 基礎阻尼力矩的影響分析

為了分析在怠速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、一級扭轉剛度和自由轉角不變，設置不同的基礎阻尼力矩進行仿真分析，參數的具體數值如表3所示。

表3 基礎阻尼力矩影響分析的相關參數

不同的基礎阻尼力矩對發動機扭振衰減效果的影響見圖7 所示的仿真分析結果,基礎阻尼力矩越小，初次級質量的相對轉角越大，1.5階的幅值越小，但基礎阻尼力矩的大小對0.5階的幅值影響較小,趨勢不明顯，因此不考慮通過改變基礎阻尼力矩來改善該怠速異響問題。

圖7 基礎阻尼力矩對發動機扭振衰減效果的影響

3.4 自由轉角的影響分析

為了分析不同的自由轉角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、一級扭轉剛度和基礎阻尼力矩不變，設置不同的自由轉角進行仿真分析，參數的具體數值如表4所示。

表4 自由轉角影響分析的相關參數

不同的自由轉角對發動機扭振衰減效果的影響見圖8所示的仿真分析結果，自由轉角越大，相對轉角也越大，次級質量0.5 階的幅值越小，且對幅值的影響較大，在自由轉角為12°時，0.5 階的幅值已下降到40 rad/s2以內，對發動機扭振的衰減作用較明顯，因此計劃采用調整自由轉角的方案來解決該怠速異響問題。

圖8 自由轉角對發動機扭振衰減效果的影響

4 參數確定及試驗驗證

4.1 自由轉角的參數確定

通過前面的分析可知，除了自由轉角對0.5階扭振幅值影響較大外，基礎阻尼力矩F對次級質量的1.5 階扭振幅值的影響也不應該忽視。本文研究的雙質量飛輪的基礎阻尼力矩設計范圍為2 N·m～22 N·m，因此首先在較小的基礎阻尼力矩的條件下，初步確認自由轉角J的選取范圍，再在較大阻尼力矩的條件下，對自由轉角的選取進行驗證分析，確定自由轉角的優化方案。根據上述分析，不同基礎阻尼力矩和自由轉角下的仿真結果如表5所示。

表5 不同基礎阻尼力矩和自由轉角相關參數

通過表5 可以看出，自由轉角在14°、基礎阻尼力矩為2 N·m時，相對轉角大于自由轉角，存在敲擊異響的風險，當自由轉角在16°以上時，相對轉角就會小于自由轉角，弧形彈簧不會敲擊傳力板，0.5 階次幅值較?。ㄐ∮?0 rad/s2），同時在上下極限基礎阻尼力矩的范圍內，0.5 階次幅值變化不大，同樣符合要求，也進一步驗證了方案的可行性。

綜上所述，可以看出自由轉角對怠速異響影響較大，具有較高的敏感度，而基礎阻尼力矩對敲擊問題的影響較小。同時在實際生產過程中只需要調整弧形彈簧的角度就可以實現對雙質量飛輪自由角度的調整，成本更低，周期更短。因此，最終的改進方案選為調整雙質量飛輪的自由轉角，自由轉角應不低于16°。

4.2 改進的樣件測試

將改進后的雙質量飛輪樣件進行實車測試，改進后的初級質量和次級質量的轉速波動數據如圖9所示。

圖9 改進后的初級質量和次級質量的轉速信號

從圖9 中可以看出，改進后的次級質量的轉速波動較改進前明顯減小，次級質量轉速波動降低到30 r/min左右。

改進后的初次級質量的角加速度信號的頻譜圖如圖10所示。

圖10 改進后的初級質量與次級質量的角加速度頻譜

從圖中可以看出，次級質量角加速度的0.5階幅值降低到了28.83 rad/s2，同時通過主觀評價，怠速的敲擊異響消失，驗證了改進方案的有效性。

5 結語

本文針對某搭載三缸發動機匹配濕式6DCT變速箱的整車進行了怠速工況下的NVH測試，獲得了怠速異響時的轉速波動數據，同時利用AMESim 軟件搭建了基于整車的雙質量飛輪怠速工況的多自由度動力學仿真模型，分析了雙質量飛輪的次級質量轉動慣量、一級扭轉剛度、基礎阻尼力矩和自由轉角對發動機輸出扭振衰減效果的影響。根據對初次級質量的相對轉角與次級質量的角加速度頻譜的分析，確定了最終的改進方案并通過實車進行了驗證。具體結論如下：

（1）通過對整車怠速工況下的轉速波動數據的測試，發現由于三缸發動機的怠速扭矩波動較大，弧形彈簧易與傳力板發生敲擊產生異響。

（2）通過仿真分析，確定了雙質量飛輪的相關設計參數對發動機輸出扭振衰減效果的影響，結果表明，次級質量的轉動慣量、基礎阻尼力矩對怠速工況下的0.5階振幅影響較小，一級扭轉剛度和自由轉角對怠速0.5階振幅影響較大。

（3）改進方案選為通過調整雙質量飛輪的自由轉角來改善該怠速異響問題，通過仿真確定了自由轉角的優化范圍，對改進后的雙質量飛輪進行了實車測試，驗證了改進方案的有效性。

通過本文的研究明確了該怠速異響問題的改善方向，能夠為解決該類問題提供一定的參考。