[摘 要]：發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭振影響了汽車舒適性和安全性。雙質(zhì)量飛輪較傳統(tǒng)單質(zhì)量飛輪而言，具有更好的減振效果。根據(jù)周向長弧型彈簧式雙質(zhì)量飛輪的結(jié)構(gòu)和減振原理，結(jié)合機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)出雙質(zhì)量飛輪的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)角度數(shù)學(xué)解析式。根據(jù)雙質(zhì)量飛輪的減振原理以整車為扭振試驗(yàn)對象，進(jìn)行了量化的測試試驗(yàn)。研究與試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)雙質(zhì)量飛輪減振后，車輛傳動(dòng)系的低頻共振區(qū)處于汽車怠速轉(zhuǎn)速以下，且扭振振幅得到了衰減，試驗(yàn)驗(yàn)證了雙質(zhì)量飛輪對發(fā)動(dòng)機(jī)軸端扭振具有一定的抑制作用。

關(guān)鍵詞：扭轉(zhuǎn)振動(dòng),雙質(zhì)量飛輪,動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展越來越成熟，人們對車輛駕駛的舒適性和運(yùn)行的平穩(wěn)性要求越來越高，車輛的振動(dòng)噪聲等問題成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的重力和往復(fù)慣性力以及氣缸內(nèi)氣體的壓力變化產(chǎn)生扭矩周期性的波動(dòng)，會在曲軸上產(chǎn)生周期變化的作用力矩，引起較大的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，并將扭振傳遞到汽車傳動(dòng)軸系中，是引起汽車振動(dòng)與噪聲的主要原因[1]。

傳統(tǒng)的扭振減振器受限制于空間，彈簧轉(zhuǎn)角很小，減振效果有限。雙質(zhì)量飛輪（Dual MassFlywheel，DMF）具有良好的動(dòng)態(tài)性能，能夠有效地降低汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振，在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用[2]；但是，國內(nèi)對DMF 的研究起步較晚，對減振特性缺乏有效地理論與試驗(yàn)驗(yàn)證。目前，對于DMF 的扭振特性研究大多采用臺架動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的差異。因此，以目前最常用的周向長弧形彈簧式雙質(zhì)量飛輪為研究對象，對整車狀態(tài)下DMF 的扭振特性進(jìn)行研究。

2 汽車傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特點(diǎn)分析

汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)非線性多自由度的扭振系統(tǒng)，當(dāng)激勵(lì)頻率與系統(tǒng)的固有頻率重合時(shí)，會產(chǎn)生嚴(yán)重的共振現(xiàn)象。傳統(tǒng)汽車控制扭振的方法是在離合器從動(dòng)盤中安裝扭振減振器，這種減振方法存在兩個(gè)方面的局限性：（1）由于離合器從動(dòng)盤中彈簧扭轉(zhuǎn)角度受到限制，彈簧剛度無法降低，減振效果不是很理想；（2）不能將傳動(dòng)系統(tǒng)固有頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降低到怠速轉(zhuǎn)速以下，即不可避免地在怠速時(shí)產(chǎn)生共振。而DMF 通過主、副飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，弧形彈簧的兩級剛度，以及黏性摩擦阻尼三部分控制汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振，以便有效地達(dá)到隔振和減振的目的，完美地解決上述問題。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和停止的過程中，不可避免地通過傳動(dòng)系統(tǒng)的共振區(qū)，其特點(diǎn)是振動(dòng)頻率較低，且產(chǎn)生較大的扭角，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降扭角會進(jìn)一步加大；汽車怠速和正常行駛的過程中，在激振頻率較高的情況下，易產(chǎn)生軸系的扭振；發(fā)動(dòng)機(jī)加載的過程中，突發(fā)性的加載激勵(lì)會在低頻區(qū)產(chǎn)生較大的扭角。上述三種情況的扭振特性主要體現(xiàn)扭振頻率和扭角振幅，所以通過調(diào)整DMF 的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、阻尼和主副飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制傳動(dòng)系統(tǒng)的扭角振幅[3]。不同工況下汽車傳動(dòng)系扭振特點(diǎn)分析，如表1 所示。

3 雙質(zhì)量飛輪扭振數(shù)學(xué)模型

3.1 雙質(zhì)量飛輪的結(jié)構(gòu)

雙質(zhì)量飛輪介于發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器之間，是由第一質(zhì)量和第二質(zhì)量兩部分組成。第一質(zhì)量（也稱主飛輪）保留在原傳統(tǒng)飛輪的位置上，用于起動(dòng)和傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩；第二質(zhì)量（也稱副飛輪）放置在傳動(dòng)系變速箱一側(cè)，用于提高變速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；兩級質(zhì)量由阻尼彈簧減振器耦合為一個(gè)整體，阻尼彈簧為兩根周向長弧型扭振彈簧，該結(jié)構(gòu)形成了多級的扭轉(zhuǎn)剛度，滿足怠速和正常行駛不同工況下的剛度要求。由于減振彈簧布置半徑增大，允許的相對扭角變大；同時(shí)，在滑道中充滿了粘性油脂，產(chǎn)生阻尼作用，使DMF 具有很好的阻尼特性。DMF 的結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

3.2 雙質(zhì)量飛輪扭振的數(shù)學(xué)模型

雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性反應(yīng)DMF 在怠速及正常行駛工況下主、副飛輪扭轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系，其扭振模型如圖2 所示。在工作過程中，主飛輪扭轉(zhuǎn)角θ1，副飛輪扭角θ?2，激振輸入扭矩 T 1 ，負(fù)載輸出扭矩T 2 ，傳遞扭矩T t ，主飛輪及發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 1 ，副飛輪及傳動(dòng)系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 2 ，扭轉(zhuǎn)剛度K ，阻尼系數(shù)C 。

一般DMF 采用的是兩級彈簧剛度并聯(lián)式的設(shè)計(jì)，彈簧剛度隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化成階梯跳躍：在怠速或轉(zhuǎn)矩較小的工況下，當(dāng)T≤K時(shí)， K ??K1  ，第一級的扭轉(zhuǎn)剛度可以有效的隔振和控制噪聲；在正常行駛工況下，當(dāng)T ??Kθ1-θ 2 ?時(shí)， K ??K2 ，第二級的扭轉(zhuǎn)剛度以傳遞較大的扭矩，隔離路況對傳動(dòng)系統(tǒng)的反向作用。運(yùn)用系統(tǒng)矩陣法，對阻尼作線性化處理進(jìn)行求解。將系統(tǒng)離散為兩個(gè)質(zhì)量、阻尼和彈性元件組成的二自由度振動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，建立DMF 的強(qiáng)迫扭振方程：

以外部激勵(lì)為簡諧激振為例，設(shè)系統(tǒng)外部激振頻率??，主、副飛輪扭角振幅A 1、A 2，振動(dòng)位移相位角A 1 、A 2 ?，激振力矩相位角 φ1、φ2，化為矩陣方程形式：

由上述扭轉(zhuǎn)角度解析式得知：合理設(shè)計(jì)DMF 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J ，連接剛度K 及阻尼系數(shù)C 可達(dá)到最佳阻尼值。但事實(shí)上，三個(gè)參數(shù)是相互牽連的，會受到結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及工藝等各個(gè)方面的限制，因此需要通過理論仿真和試驗(yàn)來調(diào)整DMF 的工藝參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)解。

4 雙質(zhì)量飛輪扭振試驗(yàn)與分析[4]

人們在乘坐汽車時(shí)，車輛的振動(dòng)作用會直接影響到駕駛員的工作效率和乘客的乘坐舒適性、健康和安全?，F(xiàn)在人們對于振動(dòng)的感覺“量化”已經(jīng)形成國家標(biāo)準(zhǔn)SIO2631《人體承受全身振動(dòng)的評價(jià)指南》。

以往DMF 的扭振測試，都是在扭振試驗(yàn)臺上進(jìn)行的，未考慮到DMF 與整車的相互作用，所以有必要進(jìn)行雙質(zhì)量飛輪的整車試驗(yàn)，以此來評價(jià)雙質(zhì)量飛輪的減振降噪效果[3]。本文以某車型為研究對象，研究整車狀態(tài)下雙質(zhì)量飛輪的扭振特性[5]。試驗(yàn)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表2 所示，DMF 的具體參數(shù)如表3 所示。

為客觀的評價(jià)雙質(zhì)量飛輪的減振性能，一般測量DMF 的主、副飛輪扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的角速度或者角加速度，以及汽車駕駛室、車身各處的振動(dòng)和噪聲，以此來分析減振器的隔振效果。

整車狀態(tài)下，可以利用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器和主飛輪的起動(dòng)齒圈，采集DMF 第一質(zhì)量的扭轉(zhuǎn)角度。但是，副飛輪沒有齒圈，無法采取第二質(zhì)量的扭轉(zhuǎn)角度，為此將齒圈工裝安裝在副飛輪上，且保持其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變（如圖2 所示），進(jìn)而采集DMF 第二質(zhì)量的扭轉(zhuǎn)角度。

4.1 起動(dòng)工況

雙質(zhì)量飛輪可以通過擴(kuò)大扭振減振器的扭轉(zhuǎn)角度，改變角動(dòng)量的分量來改變發(fā)動(dòng)機(jī)的共振轉(zhuǎn)速范圍。發(fā)動(dòng)機(jī)的角動(dòng)量由主飛輪來調(diào)整，變速器的角動(dòng)量受到副飛輪、離合器壓盤及從動(dòng)盤的影響。起動(dòng)工況下，DMF 主副飛輪的轉(zhuǎn)速、相對轉(zhuǎn)角及2 階角加速度如圖3 所示。傳動(dòng)系在15.6s 左右出現(xiàn)共振轉(zhuǎn)速約為500rpm 左右；由于DMF 穿越傳動(dòng)系的共振轉(zhuǎn)速，使得DMF 出現(xiàn)了較高的相對擺動(dòng)，所以主副飛輪的相對轉(zhuǎn)角和2 階出現(xiàn)幅值，且可以看出DMF 具有較好的隔振作用，從而提高了整車的駕駛舒適性。

4.2 怠速工況

怠速工況下，DMF 主副飛輪的轉(zhuǎn)速、相對轉(zhuǎn)角及2 階角加速度如圖4 所示。

從圖中可以看出，匹配DMF 后，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，副飛輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)與主飛輪相比大幅降低，主、副飛輪的相對轉(zhuǎn)角在2deg 以內(nèi)；與傳統(tǒng)的單質(zhì)量飛輪加帶扭振減振器從動(dòng)盤的組合相比，雙質(zhì)量飛輪將發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幾乎全部衰減掉，這是DMF 的特點(diǎn)，這對降低變速器的Rattle 噪聲和提高駕乘舒適性是有利的。

4.3 加速工況

各檔位全負(fù)荷加速工況下，DMF 主副飛輪的2 階角加速度如圖5 所示。

從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)端主飛輪的2 階角加速度最高達(dá)4000deg/s2，經(jīng)過DMF 的減振作用后，副飛輪的2 階角加速度降低到500deg/s2 以下，達(dá)到的行業(yè)內(nèi)雙質(zhì)量飛輪的減振要求，較大的降低了變速器輸入端的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，抑制了傳動(dòng)系扭振，從而提高了整車的駕乘舒適性。

綜上所述，雙質(zhì)量飛輪對汽車在不同工況下的減振、降噪等方面具有突出地優(yōu)點(diǎn)，提高了手動(dòng)檔車輛駕駛的舒適性和平順性。然而，雙質(zhì)量飛輪也存在一些缺點(diǎn)：首先，雙質(zhì)量飛輪較傳統(tǒng)單質(zhì)量飛輪的成本高；其次，由于飛輪一分為二，主飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小于傳統(tǒng)單質(zhì)量飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在一定程度上加劇了發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸本身的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，對發(fā)動(dòng)機(jī)的附件系統(tǒng)會產(chǎn)生不利影響；再次，雙質(zhì)量飛輪的軸向尺寸比較大，適用前置后輪驅(qū)動(dòng)汽車，對前置前輪驅(qū)動(dòng)的汽車空間布置加大了難度。

6 結(jié)論

（1）以某增壓車型為試驗(yàn)對象，分析了不同工況下，匹配DMF 汽車的傳動(dòng)系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特點(diǎn)，得出了DMF 的整車動(dòng)態(tài)試驗(yàn)分析方法；

（2）根據(jù)DMF 的結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)出DMF 的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)角度數(shù)學(xué)表達(dá)式；

（3）提出了DMF 的整車動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用雙質(zhì)量飛輪后，降低了汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的低階固有頻率，明顯地降低了傳動(dòng)系的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，抑制汽車傳動(dòng)系的扭振，具有較好的減振效果，改善汽車常用車速行駛時(shí)的扭振特性。

作者：李建鵬，賀娜娜，王鵬，魯守衛(wèi)

作者單位：北京汽車動(dòng)力總成有限公司技術(shù)中心，北京 101108

來源：2016汽車NVH控制技術(shù)國際研討會論文集