弧形彈簧減振飛輪總成關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用

韓天宇 胡江平

（1.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210001；2.湖北三環(huán)離合器有限公司，湖北 黃石 435000）

一、項(xiàng)目背景

隨著CVT（機(jī)械式無極變速器）和DCT（濕式雙離合器變速器）技術(shù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)離合器總成已經(jīng)無法滿足越來越高的減振降噪要求。能夠有效減振降噪的飛輪減振技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，但是在國內(nèi)這種技術(shù)還是空白。為了突破國外技術(shù)壟斷，打造自主核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)代替進(jìn)口，及時(shí)滿足國內(nèi)CVT機(jī)械式無極變速器和DCT 濕式雙離合器變速器車型市場的需求，湖北三環(huán)離合器有限公司研發(fā)了弧形彈簧減振飛輪總成項(xiàng)目。[1]

弧形彈簧減振飛輪總成需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題主要有：（1）結(jié)構(gòu)緊湊輕量化設(shè)計(jì)；（2）弧形彈簧結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝；（3）潤滑脂的選取及密封；（4）蓋盤與主飛輪體焊接可靠性；（5）薄壁零件加工精度等問題。

弧形彈簧減振飛輪總成結(jié)合國外飛輪減振技術(shù)的發(fā)展趨勢和國內(nèi)市場的需求，圍繞上述關(guān)鍵技術(shù)問題展開研究并形成弧形彈簧減振飛輪總成技術(shù)。總體思路如下：（1）提出緊湊型輕量化一體化結(jié)構(gòu)技術(shù)，將傳統(tǒng)離合器減振系統(tǒng)與單質(zhì)量飛輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整合，突破空間布局局限性，實(shí)現(xiàn)緊湊輕量化設(shè)計(jì)。（2）提出大扭轉(zhuǎn)角低剛度弧形彈簧減振技術(shù)，采用弧形結(jié)構(gòu)代替圓柱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)減振彈簧大轉(zhuǎn)角低剛度設(shè)計(jì)。（3）提出獨(dú)立阻尼系統(tǒng)預(yù)減振技術(shù)，實(shí)現(xiàn)二級減振。（4）提出激光焊接工藝技術(shù)，解決焊接可靠性，保證密封性。（5）通過不同潤滑脂的試驗(yàn)驗(yàn)證，確定滿足要求的潤滑脂型號，解決弧形彈簧高溫磨損問題。采用上述技術(shù)構(gòu)建的弧形彈簧減振飛輪總成在主要技術(shù)指標(biāo)方面達(dá)到了同類產(chǎn)品的國際先進(jìn)水平。[2]

弧形彈簧減振飛輪總成主要由質(zhì)量環(huán)、起動(dòng)齒圈、主動(dòng)飛輪總成、滑槽、弧形彈簧、法蘭、從動(dòng)飛輪總成、蓋板、油脂等零部件組成?？偨Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，產(chǎn)品實(shí)物如圖2所示。

圖1 弧形彈簧減振飛輪總成結(jié)構(gòu)圖

圖2 弧形彈簧減振飛輪總成實(shí)物圖

二、關(guān)鍵技術(shù)

（1）緊湊型輕量化一體化結(jié)構(gòu)技術(shù)。對傳統(tǒng)離合器減振系統(tǒng)與單質(zhì)量飛輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整合，節(jié)省軸向空間，減輕飛輪減振器重量。

針對單質(zhì)量飛輪與傳統(tǒng)離合器（如圖3所示）空間布局的局限性以及重量較重等問題，提出緊湊型輕量化一體化結(jié)構(gòu)技術(shù)，突破傳統(tǒng)離合器減振器空間布局的局限性，將傳統(tǒng)離合器減振系統(tǒng)與單質(zhì)量飛輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整合。[3]

新結(jié)構(gòu)技術(shù)的飛輪總成（如圖4所示）既包含了單質(zhì)量飛輪與傳統(tǒng)離合器的傳扭、減振功能，而且在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，進(jìn)行輕量化處理，在空間布局上更為緊湊，節(jié)省軸向空間。如發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩210Nm（1.5T）車型，傳統(tǒng)飛輪及離合器重量為13kg左右，而新型弧形彈簧減振飛輪總成重量約10kg，重量減輕23%。

（2）大扭轉(zhuǎn)角低剛度弧形彈簧減振技術(shù)。在飛輪與連接變速器的部分采用減振設(shè)計(jì)，通過弧形彈簧減振系統(tǒng)衰減發(fā)動(dòng)機(jī)的不規(guī)則扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，減振效果顯著。

傳統(tǒng)離合器總成及其減振彈簧機(jī)構(gòu)（如圖5、圖6所示），減振彈簧為圓柱形彈簧。彈簧材料一般為55CrSI，許用應(yīng)力不超過850MPa。彈簧自由長度根據(jù)彈簧型腔設(shè)計(jì)一般有20～40mm，這種圓柱形彈簧扭轉(zhuǎn)角度較?。ㄈ鐖D7所示），一般在15°～25°，減振效果不明顯。

圖3 傳統(tǒng)離合器總成及單質(zhì)量飛輪總成裝配視圖

圖4 弧形彈簧減振飛輪總成裝配視圖

圖5 傳統(tǒng)離合器總成圖

圖6 傳統(tǒng)離合器總成減振彈簧結(jié)構(gòu)圖

圖7 傳統(tǒng)離合器總成減振曲線圖

圖8 弧形彈簧減振飛輪總成圖

圖9 弧形彈簧結(jié)構(gòu)圖

圖10 弧形彈簧減振飛輪總成減振曲線圖

弧形彈簧減振飛輪總成弧形彈簧結(jié)構(gòu)（如圖8、圖9 所示），彈簧呈弧形狀，與主動(dòng)飛輪型腔吻合。彈簧材料一般為SWOSC-V，許用應(yīng)力不超過1000MPa，該材料強(qiáng)度更高，可靠性更好?；⌒螐椈勺杂山嵌?56°～162°，扭轉(zhuǎn)角度較大（如圖10 所示），一般可達(dá)到50°～70°，在傳遞同等扭矩時(shí)，弧形彈簧減振飛輪因?yàn)榕まD(zhuǎn)角度大，剛度可以做的更低，減振效果更加顯著。[4]

（3）獨(dú)立阻尼系統(tǒng)預(yù)減振技術(shù)。通過獨(dú)立阻尼系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及對彈簧材料、制造工藝等改進(jìn)，有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中振動(dòng)的幅值，提高整車NVH的舒適性。

為了保證弧形彈簧減振飛輪總成有更好的隔震效果，在飛輪總成整個(gè)減振區(qū)間增加獨(dú)立阻尼系統(tǒng)（如圖11所示）。獨(dú)立阻尼系統(tǒng)主要由墊圈、阻尼片、止動(dòng)阻尼片、碟簧組成（如圖12所示），其中墊圈和止動(dòng)阻尼片材料為SPHE 鋼件，阻尼片材料為PA66 尼龍件，碟簧材料為65Mn。碟簧的功能是提供穩(wěn)定的軸向壓力，軸向壓力作用在止動(dòng)阻尼片上，使止動(dòng)阻尼片和墊圈一起將阻尼片壓緊；阻尼片與法蘭之間是齒嚙合，當(dāng)法蘭相對于主動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，會帶動(dòng)阻尼片一起旋轉(zhuǎn)；墊圈和止動(dòng)阻尼片與主動(dòng)飛輪鉚接在一起，當(dāng)阻尼片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會與墊圈及止動(dòng)阻尼片形成相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦力，這種摩擦力就是阻尼。[5]

圖12 獨(dú)立阻尼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)放大示意圖

圖13 弧形彈簧減振飛輪總成減振特性曲線圖

圖14 焊接位置示意圖

圖13 是弧形彈簧減振飛輪總成的減振特性曲線圖，扭轉(zhuǎn)檢測過程中來回壓縮弧形彈簧形成曲線中的進(jìn)程和回程，進(jìn)程與回程的差值就是阻尼。阻尼的產(chǎn)生主要由阻尼系統(tǒng)中阻尼片與墊圈和止動(dòng)阻尼片的摩擦產(chǎn)生。

阻尼跟摩擦面積、摩擦副中兩零件的摩擦系數(shù)及軸向壓力有關(guān)，而這3 個(gè)因素可以在零件設(shè)計(jì)中進(jìn)行量化控制，從而保證阻尼系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，進(jìn)而能夠有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中振動(dòng)的幅值，提高整車NVH舒適性。

（4）激光焊接工藝技術(shù)。在弧形彈簧飛輪減振器總成中采用激光焊接工藝，有效解決了蓋盤與主飛輪體間的密封問題。[6]

為了保證主動(dòng)飛輪與蓋板焊接（如圖14 所示）的可靠性與密封性，把原來的氬弧焊接調(diào)整為激光焊接。

圖16 氬弧焊接開焊示意圖

原來的氬弧焊接表面溫度在4000攝氏度以上，時(shí)間節(jié)拍120秒/件，焊接速度慢，導(dǎo)致零件長時(shí)間處在高溫中，產(chǎn)生較大變形，影響產(chǎn)品質(zhì)量，焊接效果如圖15所示。同時(shí)，受焊接過程零件坡口角度影響，導(dǎo)致焊接溶液無法與母材融合，形成虛焊，在整車運(yùn)行過程中會開裂，產(chǎn)生質(zhì)量事故（如圖16所示）。

圖17 激光焊接局部示意圖

圖18 激光焊接剖開熔深示意圖

激光焊接表面溫度在3000～4000 攝氏度，時(shí)間節(jié)拍30 秒/件，焊接速度快，零件冷卻速度快，熱影響區(qū)域小，焊接過程中零件變形小，焊接效果如圖17 所示。同時(shí)，焊接過程中沒有其他元素成分加入，純粹是兩焊接母材自熔后形成一個(gè)整體，強(qiáng)度高，目前激光焊的熔深一般能達(dá)到3.5～4.0mm（如圖18 所示），完全滿足飛輪使用可靠性要求。

三、與當(dāng)前國內(nèi)外同類技術(shù)的主要參數(shù)、效果和市場競爭力對比

（1）采用上述弧形彈簧減振飛輪總成技術(shù)研制開發(fā)出的230 規(guī)格飛輪減振器產(chǎn)品（如圖2 所示），經(jīng)湖北省機(jī)動(dòng)車輛及零部件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站測試，主要性能參數(shù)指標(biāo)達(dá)到國際同類產(chǎn)品質(zhì)量水平，具體對比數(shù)據(jù)如表1。

表1 與當(dāng)前國外同類技術(shù)的主要參數(shù)對比數(shù)據(jù)

圖19 傳統(tǒng)離合器在3檔WOT工況NVH測試曲線圖

圖20 弧形彈簧減振飛輪總成在3檔WOT工況NVH測試曲線圖

（2）弧形彈簧減振飛輪總成與傳統(tǒng)離合器總成減振效果對比。

圖19是傳統(tǒng)離合器在3檔WOT工況NVH測試情況，通過離合器減振后變速箱輸入軸角加速度最大1887.6rad/s2，在發(fā)動(dòng)機(jī)2000rpm～3500rpm 區(qū)間隔震率最大達(dá)到40%。[7]

圖20 是弧形彈簧減振飛輪總成在3 檔WOT 工況NVH測試情況，通過弧形彈簧減振后變速箱輸入軸角加速度最大392.4rad/s2，在發(fā)動(dòng)機(jī)800rpm～4500rpm區(qū)間隔震率最大達(dá)到81%。

（3）市場競爭力對比?；⌒螐椈蓽p振飛輪總成項(xiàng)目填補(bǔ)了國內(nèi)空白，其主要技術(shù)達(dá)到了同類產(chǎn)品的國際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口替代。近幾年在重慶渝安淮海動(dòng)力有限公司等單位進(jìn)行了大量的裝機(jī)使用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，市場前景廣闊。[8]

四、結(jié)語

弧形彈簧減振飛輪總成技術(shù)系列產(chǎn)品基本能滿足市場上大部分車型需求，裝車效果良好，但在有些對減振要求更高的部分車型應(yīng)用中該技術(shù)適應(yīng)性還有待提高。例如在格特拉克7DCT300 變速箱應(yīng)用環(huán)境中，由于這款變速箱采用輕量化設(shè)計(jì)，各檔位齒輪重量輕，慣量小，導(dǎo)致整個(gè)變速箱對發(fā)動(dòng)機(jī)端傳遞來的振動(dòng)非常敏感。該款變速箱通過弧形彈簧減振飛輪減振后的角加速度要求小于250rad/s2，否則會產(chǎn)生變速箱齒輪敲擊，而現(xiàn)有的弧形彈簧減振飛輪總成技術(shù)只能達(dá)到角加速度小于400 rad/s2。目前真正能解決這個(gè)問題的產(chǎn)品只有帶偏心擺結(jié)構(gòu)的雙質(zhì)量飛輪，這種帶有偏心擺結(jié)構(gòu)的雙質(zhì)量飛輪目前還在研發(fā)中。

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，尤其是CVT、DCT變速器技術(shù)在國內(nèi)的廣泛應(yīng)用，必將對減振降噪（NVH）提出更高的要求。為了滿足市場上這些新的需求，研究基于弧形彈簧減振飛輪總成技術(shù)的偏心擺結(jié)構(gòu)雙質(zhì)量飛輪及帶有扭矩保護(hù)結(jié)構(gòu)等其他結(jié)構(gòu)的雙質(zhì)量飛輪技術(shù)將是公司未來的研究發(fā)展方向。