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1、双质量飞轮扭振特性研究与仿真分析【摘 要】汽车传动系扭振的激振源较多，发动机曲轴转矩波动是扭振的主要振源之一。在发动机与传动系之间设置弹性阻尼式扭转减振器，对于消除汽车传动系的主要低频扭振，降低变速器乃至主减速器的齿轮噪声都是非常有效的。 传统的控制扭振与扭振噪声的方法是在离合器中安装从动盘式扭转减振器（Clutch Torsional Damper，简称CTD） ，但实践证明，该方法存在严重不足；本课题所研究的是一种新式传动系扭转减振器双质量飞轮式扭转减振器（Dual Mass Flywheel，简称 DMF） ，以其优良的性能受到重视。 本文详细介绍了扭转减振器的概况和从动盘式离合器与双质
2、量飞轮离合器性能，从双质量飞轮减振器的发展历史、基本结构、减振原理和作用入手，分析了双质量飞轮减振器作为“低通滤波器”的特点和优势；通过建立十八自由度的动力传动系统扭振分析模型，运用MATLAB软件中求矩阵方程的特征值和特征向量方法得出的某型货车的动力传动系固有振动特性，通过 ADAMS 软件建立双质量飞轮式扭转减振器的动力学分析模型，对其受迫振动特性进行动力学分析；经过仿真计算，得到某型货车动力传动系中双质量飞轮离合器总成的扭振特性，并分析双质量飞轮的两飞轮惯量比、弹簧刚度、阻尼等参数对动力传动系统的影响，得出合理的参数取值。 双质量飞轮具有可观的发展空间和前景，因此，对装备有双质量飞轮的整
3、车动力传动系统的扭振特性进行分析和研究，具有重要的理论价值与实际意义。 【关键词】：动力传动系，双质量飞轮，ADAMS，扭转振动，动力学仿真 目录【摘 要】1一、引 言3二、双质量飞轮原理和性能分析4（一）、双质量飞轮的结构4（二）、双质量飞轮的减振原理4三、我国双质量飞轮研发现状5（一）、专利和知识产权的问题。5（二）、国内合格零部件配套的问题。5（三）、能否实现产业化的问题。6四、我国双质量飞轮发展前景6（一）、双质量飞轮受到变速器形式在我国发展趋势的制约。6（二）、国内主机厂对双质量飞轮的应用态度。7（三）、汽车柴油化对双质量飞轮的发展起到非常好的推动作用。7（四）、双质量飞轮配套价格过
4、高也是发展中一个很大的制约。7参 考 文 献8致 谢9一、引 言双质量飞轮是上世纪80年代末在汽车上出现的新配置，英文缩写称为DMFW（double mass flywheel）。它对于汽车动力传动系的隔振和减振有很大的作用。提到双质量飞轮，首先要弄清楚飞轮及有关扭转振动的知识。 发动机后端带齿圈的金属圆盘称为飞轮。飞轮用铸钢制成，具有一定的重量（汽车工程称为质量），用螺栓固定在曲轴后端面上，其齿圈镶嵌在飞轮外缘。发动机启动时，飞轮齿圈与起动机齿轮啮合，带动曲轴旋转起动。许多人以为，飞轮仅是在起动时才起作用，其实飞轮不但在发动机起动时起作用，还在发动机起动后贮存和释放能量来提高发动机运转的均匀
5、性，同时将发动机动力传递至离合器. 我们知道，四冲程发动机只有作功冲程产生动力，其它进气、压缩、排气冲程是消耗动力，多缸发动机是间隔地轮流作功，扭矩呈脉动输出，这样就给曲轴施加了一个周期变化的扭转外力，令曲轴转动忽慢忽快，缸数越少越明显。另外，当汽车起步时，由于扭力突然剧增会使发动机转速急降而熄火。利用飞轮所具有的较大惯性，当曲轴转速增高时吸收部分能量阻碍其降速，当曲轴转速降低时释放部分能量使得其增速，这样一增一降，提高了曲轴旋转的均匀性。 当发动机等速运转时，各缸作用在曲轴上的扭转外力是周期变化的，因此曲轮相对于飞轮会发生强迫扭转振动，同时由于曲轴本身的弹性以及曲轴、平衡块、活塞连杆等运动件
6、质量的惯性作用，曲轴会发生自由扭转振动，这两种振动会产生一种共振。因此有些发动机在其扭转振幅最大的曲轴前端加装了扭转减振器，用橡胶、硅油、或者干摩擦的形式，吸收能量以衰减扭转振动。 但是，由于汽车传动系的共振取决于传动系中所有旋转圆盘的惯性矩，临界转速越低惯性矩越大，共振也越大。在离合器上设置扭转减振器存在两个方面的局限性一不能使发动机到变速器之间的固有频率降低到怠速转速以下，即不能避免在怠速转速时产生共振的可能；二是由于离合器从动盘中弹簧转角受到限制，弹簧刚度无法降低，减振效果比较差。为了解决这两个问题，更有效地达到隔振和减振的目的，双质量飞轮就应运而生了。 所谓双质量飞轮，就是将原来的一个
7、飞轮分成两个部分，一部分保留在原来发动机一侧的位置上，起到原来飞轮的作用，用于起动和传递发动机的转动扭矩，这一部分称为初级质量。另一部分则放置在传动系变速器一侧，用于提高变速器的转动惯量，这一部分称为次级质量。两部分飞轮之间有一个环型的油腔，在腔内装有弹簧减振器，由弹簧减振器将两部分飞轮连接为一个整体。由于次级质量能在不增加飞轮的惯性矩的前提下提高传动系的惯性矩，令共振转速下降到怠速转速以下。例如德国鲁克(LUK)公司的发动机双质量飞轮将共振转速从1300转/分降到了300转/分。目前一般汽车怠速在800转/分左右， 也就是说在任何情况下，出现共振转速都在发动机运行的转速范围以外，只有在发动机
8、刚起动和停机时才会越过共振转速，这也是常见汽车发动机起动和停机时振幅特别厉害的原因。当然，如果采用高扭矩起动机和提高起动机的转速，调整发动机装置缓冲器，也会使共振振幅尽可能地缩小。 双质量飞轮是当前汽车上隔振减振效果最好的装置。 在双质量飞轮用于汽车隔振减振时，一部分飞轮质量（称为初级质量）用于传递发动机的转动惯量，而另一部分飞轮质量（称为次级质量）则用于提高变速器的转动惯量。两部分飞轮质量经一套弹簧减振系统连接为一个整体。驱动圆盘上配置了一个“漂浮的”毂组件，上配簧中簧减振器做主要减震，可以在既定扭矩下增加距离，还有一个四圈弹簧盒作前减振。内圈弹簧可以提高主扭矩减振性能，前减振器主要控制怠速
9、转速，主减振功能是依次实现的。这种设计使外盘（弹簧座）和中心盘（传动轴）之间的相对旋转角度达到40，从而压缩弹簧控制振动。传统设计的相对角度只有20。，可做的相对旋转有限。 由次级飞轮质量与变速器之间的摩擦片来完成两部分飞轮质量的离合，这样就可以衰减发动机的旋转振动，减轻变速器的负荷。 双质量飞轮的次级质量与变速器的分离和结合是由一个不带减振器的刚性离合器盘来完成的，由于离合器没有减振器，质量明显减小。而减振器被组装在双质量飞轮系统中，能在盘中滑动，可以明显改善同步性，换档更容易。 双质量飞轮在减轻高性能车的空档齿轮噪声、提高手动变速效果方面性能卓越，在重载柴油卡车上也能起到阻止扭转力突然变大
10、，防止变速齿轮损坏等重要作用。 因此上世纪90年代以来在欧洲得到广泛推广，已从高级轿车推广到中级轿车，这与欧洲人喜欢手动档和柴油车有很大关系。众所周知，柴油机的振动比汽油机大，为了使柴油机减少振动，提高乘坐的舒适性，现在欧洲许多柴油乘用车都采用了双质量飞轮，使得柴油机轿车的舒适性可与汽油机轿车媲美。在国内，一汽大众的宝来手动档轿车也率先采用了双质量飞轮。二、双质量飞轮原理和性能分析 （一）、双质量飞轮的结构 双质量飞轮式扭转减振器的基本结构有三部分：第一质量（第一飞轮） ，第二质量（第二飞轮）和两质量之间的减振器。第一质量与发动机曲轴输出端法兰盘相联接，第二质量通过一个轴承安装在第一质量上，第
11、二质量上还安装有离合器盖。第二质量可相对于第一质量转动一定的角度，两质量之间通过减振器相连，减振器由弹性元件和阻尼元件组成。（二）、双质量飞轮的减振原理 双质量飞轮式扭转减振器的实质在于：一方面由弹簧扭转减振系统，来吸收发动机输出扭矩中所包含的变动扭矩成分，将平均化的扭矩传递给变速器，衰减扭转与振动有关的振动和噪声；另一方面，通过将飞轮分成不同质量的两块，使整个动力传动系统的固有频率大大降低，从而使发动机的工作转速范围避开共振区。 分析双质量飞轮式扭转减振器的扭振特性， 等价地将其结构简化成两自由度扭振系统， 对整体型飞轮可建立如下的受迫振动微分方程 组：双质量飞轮式扭转减振器本身是一个两自
12、由度的扭振系统。三、我国双质量飞轮研发现状据了解，我国从本世纪初开始就有企业开始研发双质量飞轮，主要是从离合器企业开始的。2000年，长春一东公司计划与德国Luk公司合作，通过引进技术的方式开发国产的双质量飞轮。此后，湖北黄石三环、桂林福达等企业也先后提出研发计划。2005年后，国内一些从事飞轮齿环总成的生产企业如吉林大华、重庆海通、重庆光大（今博耐特）等也开始研发双质量飞轮。据奥尔威咨询了解，目前国内正在生产、研发和计划进入的企业有13家。我国双质量飞轮国产化方面取得突破主要在于2007年，是从外资企业在中国以CKD方式生产双质量飞轮开始的。国内最先组装生产双质量飞轮的企业是中日合资的重庆爱
13、思帝，该公司为广州本田的一款车型组装双质量飞轮，2007年该企业有近10万套的规模。2007年10月，Luk公司在中国太仓的二厂也开始组装生产双质量飞轮。他们在中国组装生产的双质量飞轮主要配套给国内车型。今年，吉林大华与奇瑞汽车合作开发的双质量飞轮、湖北三环为江铃汽车开发的双质量飞轮，都有望在年底实现批量化生产。 据了解，国内开发双质量飞轮的周期（研发立项到产品样件）在半年到一年的时间，前期投入不高，只要100200万元就可以。但真正要研发双质量飞轮，对国内企业还存在以下几个问题： （一）、专利和知识产权的问题。国际上最先从事双质量飞轮研发的是德国Luk公司，其后还有德国的Sachs等，这些企
14、业都申请了双质量飞轮的产品专利。由于专利还未过保护期，所以国内企业在研发双质量飞轮时，如何避开专利的限制是一个比较大的问题。 （二）、国内合格零部件配套的问题。由于双质量飞轮在国内还没有成熟的技术，一些零部件上如薄钢板、半圆形弹簧等国内虽有生产，但产品质量如弹性系数等还无法满足产品设计的技术要求。据国内的一位企业副总讲，该企业通过多方了解找到国内的一家半圆形弹簧生产企业，但其生产的价格比进口的价格还贵，且产品质量还没有进口的好。由于双质量飞轮是连接在发动机和变速箱之间的重要部件，对零部件产品的技术性能要求尤其苛刻。国内能否有企业提供技术成熟、技术性能满足产品设计要求、价格低廉的双质量飞轮零部件
15、，对国内双质量飞轮真正能否实现国产化起到很关键的作用。否则，依靠进口部件来生产的双质量飞轮，在价格上与外资品牌的价格并无太多的竞争力。 （三）、能否实现产业化的问题。从上述可知，国内企业从2000年就开始计划研发双质量飞轮，并且很多企业很快就推出了产品样件。但截止目前，国内还没有一家企业真正地实现了产业化。主要原因就是市场问题。目前，国内采用双质量飞轮的车型寥寥无几，基本集中在大众系统的几款车型上。既然市场没有或者规模不大，即使有产品，也很难实现产业化。 表1我国配置双质量飞轮的部分车型一览表四、我国双质量飞轮发展前景 双质量飞轮由于具有减振、降噪等优点，对提高手动档车驾驶的舒适性和平顺性有很大效果，并且是与双离合器系统（DCT）具有最理想的匹配效果，因此，双质量飞轮具有一定的长远发展前景。但奥尔威咨询通过对这个产品两年多的跟踪调查发现，双质量飞轮在我国的发展前景，仍存在较大的未知数。我国双质量飞轮的发展前景，受到以下几个因素的影响。 （一）、双质量飞轮受到变速器形式在我国发展趋势的制约。目前，国际上日、美基本上采用自动变速器（AT和CVT），自动变速器的配置占了绝大部分；在欧洲，总体上MT比AT略占优势，DCT发展比较迅速，但对于未来变速器形式的发展，出现激烈的争论。在国内，未来变速器形式何去何从？目前也尚无明确的方向，任由各种变速器形式自行
