淺析雙質(zhì)量飛輪減振器的設(shè)計

摘 要：雙質(zhì)量飛輪（Double Mass Flywheel，簡稱DMFW），是20世紀(jì)80年代末在汽車動力傳動系中應(yīng)用的新型結(jié)構(gòu)，可較為有效地隔離發(fā)動機(jī)曲軸的扭振，有利于改善汽車的使用性能，因此雙質(zhì)量飛輪在減振器的應(yīng)用日益廣泛。

關(guān)鍵詞：雙質(zhì)量飛輪；減振器；扭振；離合器

為了降低發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)的不均衡性而造成傳動系的扭轉(zhuǎn)振動，傳統(tǒng)上在離合器中采用扭轉(zhuǎn)減振器來達(dá)到減振目的。雙質(zhì)量飛輪的次級質(zhì)量與變速器的分離和結(jié)合由一個不帶減振器的剛性離合器盤來完成，由于離合器沒有了減振器機(jī)構(gòu)，質(zhì)量明顯減小。減振器組裝在雙質(zhì)量飛輪系統(tǒng)中，并能在盤中滑動，明顯改善同步性并使換檔容易。而雙質(zhì)量飛輪將質(zhì)量一分為二，其中的第二質(zhì)量（次級質(zhì)量）能在不增加飛輪的慣性矩的前提下提高傳動系的慣性矩，而使共振轉(zhuǎn)速下降到怠速轉(zhuǎn)速以下。也就是說在任何情況下，出現(xiàn)共振轉(zhuǎn)速都在發(fā)動機(jī)運行的轉(zhuǎn)速范圍以外，只有在發(fā)動機(jī)剛起動和停機(jī)時才會越過共振轉(zhuǎn)速，這也是常見汽車發(fā)動機(jī)起動和停機(jī)時振動特別厲害的原因。

隨著對汽車乘坐舒適性要求的不斷提高，對動力傳動系性能要求也不斷提高。目前通用的離合器從動盤式扭轉(zhuǎn)減振器在特性上存在一些局限性，主要表現(xiàn)在它不能使發(fā)動機(jī)—變速器振動系統(tǒng)的固有頻率降低到怠速轉(zhuǎn)速以下，因此不能避免傳動系在怠速轉(zhuǎn)速時的共振。如圖1所示為簡化的兩自由度振動模型和固有頻率曲線。

在發(fā)動機(jī)常用轉(zhuǎn)速 1000～2000 r/min 范圍內(nèi)，難以通過降低減振彈簧剛度的辦法得到更大的減振效果。因為在傳統(tǒng)的從動盤結(jié)構(gòu)中，減振彈簧的位置半徑比較小，其轉(zhuǎn)角又受到最大轉(zhuǎn)角的限制而不能太大。如果降低彈簧剛度，在最大轉(zhuǎn)角一定的情況下就不能保證傳遞的最大扭矩。雙質(zhì)量飛輪式扭轉(zhuǎn)減振器基本上沿用了離合器從動盤式扭轉(zhuǎn)減振器的結(jié)構(gòu)，但是其在動力傳動系中的位置發(fā)生了變化，簡單地說，是將扭轉(zhuǎn)減振器從離合器從動盤中取出，然后將其布置到發(fā)動機(jī)飛輪中間，這樣在扭轉(zhuǎn)減振器兩端的慣量分配就發(fā)生了變化，通過合理確定減振彈簧的剛度而得到期望的系統(tǒng)固有頻率；同時由于增大了減振彈簧的位置半徑，可以增大極限轉(zhuǎn)角并降低彈簧剛度，克服了從動盤式扭轉(zhuǎn)減振器不足。雙質(zhì)量飛輪式扭轉(zhuǎn)減振器的基本結(jié)構(gòu)有三大部分，即第一質(zhì)量（第一飛輪）、第二質(zhì)量（第二飛輪）和兩質(zhì)量之間的減振器。第一質(zhì)量與發(fā)動機(jī)曲軸輸出端法蘭盤相聯(lián)接，第二質(zhì)量通過一個軸承（一般為深溝球軸承）安裝在第一質(zhì)量上，第二質(zhì)量即可以與DCT 的動力輸入件相聯(lián)接。第一、第二質(zhì)量之間可以有相對轉(zhuǎn)動，它們之間通過扭轉(zhuǎn)減振器相聯(lián)。圖2為離合器從動盤式扭轉(zhuǎn)減振器與雙質(zhì)量飛輪式扭轉(zhuǎn)減振器結(jié)構(gòu)比較示意圖。

雙質(zhì)量飛輪的優(yōu)點主要有以下三點：

1）可以降低發(fā)動機(jī)、變速器系統(tǒng)的固有頻率以避免在怠速工況時的共振。

2）可以加大減振彈簧的位置半徑（例如沿圓周最大位置布置），降低彈簧的減振剛度，并允許增大極限轉(zhuǎn)角。

3）由于雙質(zhì)量飛輪的減振效果好，于是變速器中可以采用粘度較低的SAE80 號齒輪油而不致于產(chǎn)生齒輪沖擊噪聲，并可以改善冬季的換檔過程。而且由于在從動盤上沒有減振器，也可以減小從動盤的轉(zhuǎn)動慣量，有利于換檔過程。

在上述基礎(chǔ)上我們還應(yīng)該考慮一下雙質(zhì)量飛輪減振器的參數(shù)選擇。扭轉(zhuǎn)減振器的參數(shù)可以分作兩類：一類是從減振器的性能出發(fā)的，其取值范圍對系統(tǒng)的振動特性產(chǎn)生影響，它們決定減振器對傳動系統(tǒng)扭振的衰減能力；另一類參數(shù)與振動特性關(guān)系不大，主要是從結(jié)構(gòu)布置或其他方面的需要來定。雙質(zhì)量飛輪減振器在質(zhì)量、剛度和阻尼三方面實現(xiàn)對動力傳動系統(tǒng)扭振的控制，因此，質(zhì)量、剛度、阻尼就是雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)減振器的三大參數(shù)。

1）質(zhì)量參數(shù)的選擇

雙質(zhì)量飛輪減振器和傳統(tǒng)的離合器從動盤式減振器的最大不同是彈性元件兩端的質(zhì)量分配發(fā)生了很大變化。由于第二質(zhì)量的增加，使傳動系一側(cè)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量增大，而發(fā)動機(jī)一側(cè)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量減小。由于作為扭振系統(tǒng)激勵源的發(fā)動機(jī)一側(cè)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的減小，使得激勵幅度加大，而激勵的總能量是不變的；傳動系一側(cè)由于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的加大，使得響應(yīng)的幅度減小，再加上減振器的緩沖和衰減，那么，傳動系的響應(yīng)會明顯降低。因此，如何選擇雙質(zhì)量飛輪減振器的第一質(zhì)量和第二質(zhì)量是設(shè)計中一個比較關(guān)鍵的問題。

2）剛度參數(shù)的選擇

極限轉(zhuǎn)矩減振器傳遞的極限轉(zhuǎn)矩為減振器消除了限位銷與從動盤轂缺口之間的間隙時所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩，也就是極限轉(zhuǎn)角時的轉(zhuǎn)矩。如果剛度小，從動盤轂會過早的碰到限位銷，減振器有可能會被破壞。極限轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩有關(guān)，在我們的設(shè)計中，發(fā)動機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩為150 N ? m，則limT 取300 N ? m。

從動盤相對于從動盤轂的極限轉(zhuǎn)角lim?極限轉(zhuǎn)角一般取 3～12°，也有高達(dá)20°的，一般對汽車平順性要求高或者對于工作不均勻發(fā)動機(jī)取較大的極限轉(zhuǎn)角。這里我們?nèi)O限轉(zhuǎn)角為16°。

減振器的扭轉(zhuǎn)剛度的選擇要考慮兩個主要因素：避免在發(fā)動機(jī)的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生共振和傳遞極限轉(zhuǎn)矩。為了避開共振的激勵頻率，減振器的剛度要求降低，但為了傳遞最大轉(zhuǎn)矩，又要求具有一定的剛度。這兩者是矛盾的，因此，在發(fā)動機(jī)的整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，振動現(xiàn)象是不可避免的。我們能做的是選擇合適的扭轉(zhuǎn)剛度，得到相對較好的傳動系振動特性。如前所述，雙質(zhì)量飛輪的一個重要的優(yōu)點就是可以通過合理分配轉(zhuǎn)動慣量而降低怠速工況的固有頻率從而避免共振的發(fā)生。減振彈簧在安裝時都有一定的預(yù)緊，彈簧具有一定的預(yù)緊量是必要的，以防止由于彈簧的工作長度在使用一段時間之后縮短而引起剛度的變化，同時也防止由于間隙存在引起彈簧的振動而增大雙質(zhì)量飛輪的噪聲。但預(yù)緊扭矩的值不應(yīng)大于摩擦轉(zhuǎn)矩 的值，否則在反向工作時，減振器將提前停止工作。

3）阻尼參數(shù)的選擇

雙質(zhì)量飛輪減振器中的阻尼通常有三種，即干摩擦式阻尼、橡膠、液力阻尼，本文只對干摩擦阻尼加以討論由于減振器的扭轉(zhuǎn)剛度受結(jié)構(gòu)要求以及轉(zhuǎn)矩的限制不可能降的很低，因

此振動現(xiàn)象難以避免，通常在減振器中都布置阻尼裝置，以減少振動振幅，盡快的衰減振動。為了最有效的消振，必須合理選擇減振器阻尼裝置的摩擦阻尼轉(zhuǎn)矩。常用的方法有兩種，一種是令在一個振動周期內(nèi)做的功等于發(fā)動機(jī)激振轉(zhuǎn)矩所作的功，那么系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動的振幅將是最小的；另一種方法是直接根據(jù)發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩初選，在設(shè)計時如何保證使用過程中的穩(wěn)定性也是一個重要的問題，在干摩擦式阻尼器中大多數(shù)采用具有自動補(bǔ)償磨損量功能的碟形彈簧作為壓緊元件。

在扭轉(zhuǎn)減振器的參數(shù)選擇中，剛度的確定和轉(zhuǎn)角的分配是重點，也是對傳動系的振動特性影響最大的。從避免共振的角度考慮，我們希望在低剛度下工作的轉(zhuǎn)角比較大；但考慮到傳遞扭矩的能力和減振器的極限轉(zhuǎn)角，又必須增大剛度以在有限的轉(zhuǎn)角內(nèi)傳遞系統(tǒng)的載荷。這就必須對剛度和轉(zhuǎn)角進(jìn)行合理的分配，并通過仿真和試驗來驗證系統(tǒng)的振動特性是否能夠滿足要求，在試驗的基礎(chǔ)上再進(jìn)行修改。目前國外設(shè)計新車時對扭轉(zhuǎn)減振器的設(shè)計多采用實驗方法，根據(jù)已選定的發(fā)動機(jī)和底盤的其他部件，從離合器眾多已有產(chǎn)品中選擇一種裝到新車上做路試，將實驗所得到的數(shù)據(jù)根據(jù)對舒適性程度的量化分析，來判斷該離合器是否適用，經(jīng)過多次實驗，最后確定離合器的型號。

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作者簡介

張凱娟（1986-），女，河南新鄉(xiāng)，新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，本科。