[摘要]：針對(duì)雙質(zhì)量飛輪在靜態(tài)參數(shù)基礎(chǔ)上的匹配達(dá)不到預(yù)期效果的問題，本文以某周向短彈簧雙質(zhì)量飛輪為對(duì)象，采用臺(tái)架試驗(yàn)的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性的探究性研究，從而掌握雙質(zhì)量飛輪在運(yùn)行工況下的實(shí)際特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)剛度隨激勵(lì)頻率變化不大，隨傳遞扭矩的增大而增大；雙質(zhì)量飛輪阻尼隨激勵(lì)頻率的增大而增大，隨傳遞扭矩的增大也會(huì)增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)論為雙質(zhì)量飛輪與傳動(dòng)系的合理匹配提供支持。

關(guān)鍵詞：雙質(zhì)量飛輪，臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)特性

1.引言

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)于汽車乘坐舒適性問題越來越重視。由此使汽車的NVH（noise、vibration、harshness）問題成為衡量汽車設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量的一個(gè)綜合性指標(biāo)?？刂破噭?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭振和噪聲的傳統(tǒng)措施是采用離合器從動(dòng)盤式扭振減振器，但這種減振器由于空間小，減振性能差等缺點(diǎn)，使其在升級(jí)汽車舒適性上受到限制，雙質(zhì)量飛輪（Dual Mass Flywheel，簡稱DMF）就在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生[1、2]。

大量的實(shí)驗(yàn)和仿真已表明：雙質(zhì)量飛輪在動(dòng)力傳動(dòng)系中起著舉足輕重的作用，對(duì)扭振的隔振量達(dá)到90%以上[3]。目前國內(nèi)已有的文獻(xiàn)大都關(guān)于雙質(zhì)量飛輪參數(shù)的匹配、減振性能、加工工藝以及靜力學(xué)分析，對(duì)雙質(zhì)量飛輪動(dòng)態(tài)特性的研究比較少[4]。而在實(shí)際中，整車廠對(duì)雙質(zhì)量飛輪的匹配只是參照宏觀或靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，缺少對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的掌握，往往會(huì)導(dǎo)致實(shí)際情況與設(shè)計(jì)時(shí)的仿真結(jié)果有較大出入，所以進(jìn)行雙質(zhì)量飛輪動(dòng)態(tài)特性的研究對(duì)縮短雙質(zhì)量飛輪研發(fā)周期，減少研發(fā)費(fèi)用，提高參數(shù)匹配準(zhǔn)確性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文對(duì)某周向短彈簧雙質(zhì)量飛輪進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性的探究性實(shí)驗(yàn)，測(cè)試雙質(zhì)量飛輪在不同扭矩、不同頻率激勵(lì)下扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼的變化規(guī)律，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，從而掌握雙質(zhì)量飛輪在各種運(yùn)行工況下的實(shí)際特性，為雙質(zhì)量飛輪與傳動(dòng)系的合理匹配提供支持。

2.雙質(zhì)量飛輪傳遞扭矩分析

雙質(zhì)量飛輪種類較多，但都有三個(gè)基本的組成部分，分別為第一級(jí)飛輪、第二級(jí)飛輪以及兩飛輪之間的彈簧-阻尼器[4]。雙質(zhì)量飛輪傳遞扭矩公式如下：

式中：

T 輸入表示曲軸輸出端的扭矩；

T 輸出表示變速器輸入端扭矩，即DMF 彈簧傳遞的扭矩；

T 耗散表示阻尼所消耗的扭矩。

DMF 通過彈簧元件實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞，彈簧元件在工作過程中不可避免的受到阻尼的影響，同時(shí)，由于飛輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，彈簧元件也會(huì)受到離心力的影響，因此DMF 傳遞的扭矩由彈簧產(chǎn)生的彈性力、阻尼力與離心力綜合作用產(chǎn)生，扭轉(zhuǎn)剛度具有一定的動(dòng)態(tài)特性。DMF 在工作過程中消耗的阻尼矩為摩擦力矩，摩擦力矩由黏性摩擦力矩與庫倫摩擦力矩疊加而成。黏性摩擦僅與相對(duì)速度有關(guān)，穩(wěn)定相對(duì)速度下，黏性阻尼系數(shù)為定值；庫倫摩擦與兩接觸面的正壓力成正比，并與運(yùn)動(dòng)方向相反，而正壓力由離心力及彈簧彈性力徑向分量組成[2]。因此由上文分析可知阻尼矩也會(huì)在汽車運(yùn)行過程中呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)特性，即阻尼具有一定的動(dòng)態(tài)特性。

3.雙質(zhì)量飛輪動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)

為了考察雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼隨汽車運(yùn)行過程的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，本小節(jié)進(jìn)行DMF 動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究。相比于實(shí)車試驗(yàn)，臺(tái)架試驗(yàn)具有可控性好、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此本文選擇臺(tái)架試驗(yàn)來進(jìn)行雙質(zhì)量飛輪動(dòng)態(tài)特性的研究。

3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

（1）試驗(yàn)臺(tái)架基本狀態(tài)

雙質(zhì)量飛輪動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)是基于五電機(jī)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，本臺(tái)架主要由測(cè)功機(jī)系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測(cè)量系統(tǒng)等組成。測(cè)試傳動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、雙質(zhì)量飛輪、雙離合器、特制變速箱、液壓站、差速器、半軸和負(fù)載電機(jī)。表 3.1 給出了試驗(yàn)室的具體參數(shù)。

（2）臺(tái)架控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及傳感器本次試驗(yàn)所用臺(tái)架的控制系統(tǒng)為HORRIBA 公司提供的SPARK 和STARS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)輸入電機(jī)和負(fù)載電機(jī)進(jìn)行協(xié)同控制，可以模擬傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工況、加速工況以及模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的ETPS、SWG 工況[5]，本次試驗(yàn)臺(tái)架模擬正玄波發(fā)生器SWG 工況，試驗(yàn)整體圖如圖3.1 所示。

試驗(yàn)中使用LMS 32 通道，配合LMS TESTLAB 軟件完成數(shù)據(jù)的采集工作。實(shí)驗(yàn)采用2 個(gè)磁電傳感器，類型是TCDM12，目的是測(cè)量初級(jí)飛輪和次級(jí)飛輪扭轉(zhuǎn)角度差，示意圖如圖3.2。磁電傳感器測(cè)量方法是非接觸式測(cè)量，此方法基于測(cè)齒原理。由于次級(jí)飛輪上沒有合適的測(cè)量齒圈，且次級(jí)飛輪轉(zhuǎn)速與雙離合器轉(zhuǎn)速幾乎沒有差別，因此在雙離合器外殼增加一個(gè)齒圈，分別對(duì)這個(gè)齒圈和初級(jí)飛輪齒圈的一個(gè)齒做磨齒標(biāo)記處理，并對(duì)這兩個(gè)齒圈所對(duì)應(yīng)的殼體位置鉆螺紋孔，用于安裝磁電傳感器。安裝傳感器時(shí)，要在傳感器與殼體接觸的螺紋區(qū)域上涂抹密封膠，防止實(shí)驗(yàn)過程中變速器殼體振動(dòng)導(dǎo)致傳感器移位，同時(shí)也為了避免實(shí)驗(yàn)過程中潤滑油的遺漏以及箱體內(nèi)部噪聲的外泄。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)調(diào)整磁電傳感器的頂部與被測(cè)齒頂?shù)木嚯x，使磨齒信號(hào)盡可能在測(cè)試速度范圍內(nèi)保持完整[5]，示意圖如圖3.3。

（3）臺(tái)架潤滑系統(tǒng)

變速箱齒輪、軸承以及離合器等部件在工作過程中會(huì)產(chǎn)生摩擦，因此需要潤滑系統(tǒng)進(jìn)行

潤滑，本實(shí)驗(yàn)通過增加液壓站的方法對(duì)部件進(jìn)行強(qiáng)制潤滑，強(qiáng)制潤滑能夠減小攪油損失，提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。將液壓站與變速箱殼體冷卻油路進(jìn)油口連接，同時(shí)在變速箱殼體下端增加油泵，使?jié)櫥甑挠鸵夯氐揭簤赫?，保證油路的循環(huán)。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

（1）實(shí)驗(yàn)步驟

1）進(jìn)行怠速工況測(cè)試，測(cè)出兩個(gè)磨齒間初始角度差θ0。

2）將變速器調(diào)至測(cè)試檔位，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置扭矩為50±20Nm 時(shí)，二階激勵(lì)頻率變化范圍為5~26 HZ；扭矩為150±100Nm 時(shí)，二階激勵(lì)頻率變化范圍為27~145 HZ，計(jì)算出DMF 扭轉(zhuǎn)角度差θ，研究雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼隨激勵(lì)頻率的變化規(guī)律。

3）通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置二階激勵(lì)頻率范圍為25~145HZ，計(jì)算出傳遞扭矩分別為80±50Nm，200±50Nm，200±90Nm，200±110Nm 時(shí)的DMF 扭轉(zhuǎn)角度θ，研究雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼隨傳遞扭矩的變化規(guī)律。

（2）測(cè)試評(píng)估精度

實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)采集非常重要，是否能將原始信號(hào)反映到計(jì)算機(jī)上的關(guān)鍵因素就是采集信號(hào)的設(shè)置。傳感器采集到的信號(hào)是一系列的模擬信息量，數(shù)據(jù)采集的工作就是把這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。實(shí)驗(yàn)中要采集初級(jí)飛輪以及雙離合器殼的脈沖電平信號(hào)，初級(jí)飛輪啟動(dòng)齒圈的齒數(shù)為110，離合器外殼齒圈齒數(shù)為90。根據(jù)齒數(shù)確定的最低評(píng)估精度：Δθ/2=360/(2Z)，其中，Z 為齒數(shù)；根據(jù)采樣頻率和轉(zhuǎn)速確定的最高評(píng)估精度：Δθ'=360n/(60f)，其中，n 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，150~4350rpm，f 為采樣頻率，示意圖如圖3.4，測(cè)試評(píng)估精度見表3.2。為了準(zhǔn)確采集原始信號(hào)的信息，設(shè)置的采樣頻率值必須大于或者等于理論計(jì)算的最高采樣頻率的2 倍，這樣才能保證原始信號(hào)信息不會(huì)因?yàn)椴蓸宇l率過低而失真。理論計(jì)算的最高采樣頻率為f=Zmaxnmax/60=110x4350/60=7975HZ，為獲得更

高精度，本次實(shí)驗(yàn)選擇采樣頻率為204800Hz，分辨率設(shè)置為1Hz。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

（1）動(dòng)剛度K 的計(jì)算公式為：K=T 傳遞/θ' 其中：

T 傳遞：次級(jí)飛輪輸出端的扭矩，通過負(fù)載電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)換而來，

T 傳遞=(TDyno2+TDyno3)/4.422195

θ'：DMF 的扭轉(zhuǎn)角，通過磁電傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)角θ 與兩個(gè)磨齒之間初始轉(zhuǎn)角θ0 相減得到：

θ'=θ-θ0，示意圖見圖3.2。

（2）動(dòng)阻尼矩TC 的計(jì)算：

Tc=T 耗散=Tfirst_Whl—Tsec_whl=T 驅(qū)動(dòng)電機(jī)-T 傳遞

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）廠家提供的剛度為7.35Nm/o，本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得剛度為7.3Nm/o，見下圖，扭轉(zhuǎn)剛度值基本相同。

（2）從圖3.7 可以看出，扭轉(zhuǎn)剛度在26Hz 之前波動(dòng)較大，26HZ 之后波動(dòng)較小，然后在80Hz突然增大，在110HZ 又突然減小?？傮w來說扭轉(zhuǎn)剛度隨激勵(lì)頻率變化不大，在設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)可不考慮激勵(lì)頻率的影響。

（3）從圖3.8 可以看出，傳遞扭矩的大小對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度影響較大，傳遞扭矩200Nm 的扭轉(zhuǎn)剛度比傳遞扭矩80Nm 的剛度大。這可能是因?yàn)榕まD(zhuǎn)剛度曲線呈現(xiàn)非線性特性，隨著傳遞扭矩的增大而增大，建議對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行分段設(shè)計(jì)。

（4）從圖3.9 可以看出，阻尼矩隨激勵(lì)頻率的增大而增大。所以在設(shè)計(jì)階段應(yīng)根據(jù)車型或常用工況適當(dāng)調(diào)整阻尼的大小。

（5）從圖3.10 可以看出，平均扭矩為200Nm時(shí)，扭矩波動(dòng)幅值對(duì)阻尼影響不大；阻尼隨傳遞扭矩的增大而增大，傳遞扭矩200Nm 的阻尼比傳遞扭矩80Nm 的阻尼大。所以在設(shè)計(jì)階段應(yīng)根據(jù)車型或常用工況適當(dāng)調(diào)整阻尼的大小。

4.總結(jié)與展望

目前對(duì)雙質(zhì)量飛輪的匹配是建立在靜態(tài)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，實(shí)際使用情況達(dá)不到預(yù)期的效果，掌握雙質(zhì)量飛輪的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼在汽車運(yùn)行工況下的實(shí)際特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，雙質(zhì)量飛輪的扭轉(zhuǎn)剛度隨激勵(lì)頻率變化不大，隨傳遞扭矩的增大而增大；阻尼隨激勵(lì)頻率的增大而增大，隨傳遞扭矩的增大也會(huì)增大，因此在設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼時(shí)應(yīng)充分考慮它的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

雙質(zhì)量飛輪動(dòng)態(tài)特性的研究工作可以從以下幾個(gè)方面繼續(xù)深入：研究傳遞扭矩波動(dòng)幅

值對(duì)雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼的影響；研究雙質(zhì)量飛輪動(dòng)態(tài)特性對(duì)剛度階躍點(diǎn)的影響；探討雙質(zhì)量飛輪靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的具體關(guān)系，最終做到用實(shí)際動(dòng)態(tài)參數(shù)指導(dǎo)靜態(tài)設(shè)計(jì)或者在設(shè)計(jì)靜態(tài)參數(shù)時(shí)考慮動(dòng)態(tài)因素的影響。

作者：王小銘1，袁兆成1，王東2

作者單位：1 吉林大學(xué)，2 中國汽車技術(shù)研究中心（天津）

來源：2018汽車NVH控制技術(shù)國際研討會(huì)論文集