摘要
为研究双质量飞轮(dual mass flywheel,DMF)对整车传动系扭振的影响,基于DMF理论搭建了仿真模型,并通过试验台架测试了DMF在不同振幅工况下的扭转刚度特性。通过不同工况下迟滞曲线仿真和试验对比,验证了DMF仿真模型的精度。基于准确的DMF模型,搭建了传动系扭振仿真模型,并通过整车状态怠速和3挡节气门全开工况的仿真和试验转速波动对标,验证了传动系扭振模型的精度。通过DMF设计参数的灵敏度分析,研究了传动系扭振开发和DMF设计的匹配。结果显示,DMF能衰减70%~90%的发动机燃烧主阶次转速波动幅值,极大降低扭振问题发生的风险。
汽车传动系是整车振动和噪声的主要激励源之一,传动系设计不合理会引起扭振问题,从而导致整车产生加速抖动、轰鸣、变速器敲击等问题,降低整车NVH性能。为了适应汽车市场变化和提高产品竞争力,各车企大量使用双质量飞轮来解决扭振问题。双质量飞轮(dual mass flywheel,DMF)是一种保证发动机正常运转并大幅降低传动系扭振的元件,主次级飞轮之间通过2段长弧形弹簧或多段短弧形弹性相连,弹性元件的低刚度设计可以大幅衰减发动机的扭振;同时扭转刚度可以进行多段设计,以满足不同的驾驶工况,降低传动系扭振问题发生的风险。
DMF的扭转特性受旋转速度和激励扭振的影响,是一种典型的非线性系
DMF的隔振性能,需要与传动系合理匹配才能更好地发挥作
现有研究鲜有对DMF的准确建模及各参数对传动系扭振的影响和匹配设计的完整介绍。因此,文中介绍了一种DMF和传动系扭振的仿真分析方法,通过台架和整车试验的设计进行仿真模型的校准,在此基础上进行了不同参数对传动系扭振的影响分析,为DMF的设计和匹配提供理论依据。
现在汽车上使用的双质量飞轮一般有2种形式,分别是周向长弧形弹簧式(DMF-CS,DFM-circumferential spring)和周向短弹簧式(DMF-CSS,DFM-circumferential short spring)2种,其主要差异是主次级之间的减震弹簧形式不同。DMF-CS由于主次级间的弹簧长度大,可以将弹簧刚度设计得较低,使两飞轮间的相对转角增大,提高其隔振性能;此外,通过不同弧长和直径的弹簧嵌套,还可以实现多级弹簧特性以满足不同的驾驶工况。DMF-CSS与传统离合器内的扭振减震器类似,主次级飞轮间通过多组弹簧相连,通过将不同组的弹簧设计成不同的刚度和作用时间,实现多级非线性的扭转特性。DMF-CSS结构复杂、零件数据多、生产装配困难、成本高,没有被广泛使用,文中主要研究轴向长弧形弹簧结构形式的双质量飞轮,后文提到的DMF均指DMF-CS。
DMF的结构如

图1 DMF结构示意图
Fig. 1 DMF structure
1—弹簧限位块(连接主级飞轮);2—弹簧对飞轮正压力;3—主级惯量;4—次级惯量;5—弹簧;6—弹簧限位块(连接次级飞轮)
DMF弹簧的受力分析如

图2 DMF弹簧分段示意图及受力分析
Fig. 2 DMF spring locations and force analysis
假设将弹簧分为m段(第i段用表示),半径为r,总扭转刚度为k,总质量为M;弹簧与初级飞轮的摩擦系数为Mu。在某个发动机运行工况下,转速为n,r/min;表示弹簧自由状态时的形变角度;表示运行时的弹簧整体压缩量;表示弹簧整体压缩后对应的夹角。
第i段弹簧扭矩
, | (1) |
式中,表示等效的各段弹簧刚度,即m个分段刚度串联,对应的弹簧总刚度为k。
第i段弹簧对应弹簧力
。 | (2) |
由弹簧力产生的对初级飞轮的正压力
。 | (3) |
各段弹簧受到的离心力
, | (4) |
式中,表示初级飞轮的角速度。
所以,第i段弹簧受到总的正压力
(5) |
对应各段弹簧的摩擦力矩
。 | (6) |
第i段弹簧传递的总扭矩
(7) |
式中,表示角速度。
DMF的非线性扭转刚度特性与扭矩相关,迟滞摩擦阻尼特性与旋转速度相关,因此,需要设计不同的测试工况以完整地获取DMF的扭振刚度特

图3 DMF设计刚度曲线
Fig. 3 DMF design stiffness curve
在对大振幅和小振幅2种工况测试时,主次级飞轮以某一相同转速运转,待测试系统稳定后,调整主级飞轮侧的电机转速以满足测试要求。测试结果如

图4 不同振幅下DMF迟滞曲线
Fig. 4 DMF hysteresis curves under different vibration amplitudes
为了提高设计效率,通过仿真研究DMF的特性及其对整车性能的影响。首先,基于DMF工作原理搭建仿真模型,如

图5 DMF仿真模型
Fig. 5 DMF simulation model
DMF模型的仿真结果和台架的测试结果对比如

图6 不同平均转速的迟滞曲线
Fig. 6 DMF hysteresis curves under different rotating speeds

图7 小振幅激励下的迟滞曲线对比
Fig. 7 DMF hysteresis curves under small vibration amplitudes of different torques
当发动机在怠速、加速和减速运行过程中,曲轴始终会产生较大的扭振,并通过离合器传递到变速器和驱动轴。如果扭振在传递过程中无法得到有效控制,易引起变速器敲击、整车抖动、车内轰鸣等问题,降低整车的驾乘舒适性。因此,文中通过建立整车扭振分析模型,分析DMF的不同特性对整车NVH性能影响。轴系类扭振分析模型一般采用当量简化原则,将传动系各系统简化为旋转惯量、扭振刚度、阻尼系统,建立集总参数模
根据动力学理论,N自由度系统的扭振动力学方
, | (8) |
式中:为转动惯量矩阵;为扭转刚度;为阻尼矩阵;为系统的扭转角位移向量;为系统激励扭矩向量。
传动系统多自由度扭振仿真模型如

图8 传动系仿真模型
Fig. 8 Driveline simulation model
传动系扭振模型的仿真结果和整车的测试结果对比如

图9 3WOT工况DMF飞轮2阶转速波动曲线
Fig. 9 The 2nd order speed fluctuation curves of the flywheels at 3WOT working condition

图10 怠速工况DMF飞轮转速波动曲线
Fig. 10 The speed fluctuation curves of the flywheels at idle working condition
传动系各部件匹配越合理,才能更有效地控制和解决由发动机转速波动引起的传动系扭振问题。本节通过DMF不同参数对扭振影响的敏感度分析,为传动系NVH性能开发和DMF设计匹配提供技术参考。
文中以3WOT工况为例,基于第4节建立的传动系仿真模型,通过分析DMF的扭振刚度、摩擦系数、弹簧质量、初始摩擦扭矩、主级飞轮和次级飞轮的惯量等参数在设计值±30%范围内的变化,评价其对传动系扭振的敏感度影响。

图11 主级惯量对飞轮转速波动影响
Fig.11 Influence of the primary level flywheel inertia on flywheel speed fluctuation

图12 次级飞轮惯量对飞轮转速波动影响
Fig. 12 Influence of the secondary level flywheel inertia on flywheel speed fluctuation


图13 DMF参数对次级飞轮转速波动影响
Fig. 13 Influence of DMF parameters on rotating speed fluctuations of the secondary flywheel
文中通过试验和仿真相结合的方法,研究DMF的特性及其对传动系扭振振动的影响,可以得到以下结论:
1)DMF大振幅波动时,扭矩迟滞特性跟自身工作时的转速相关,转速越高,迟滞特性越大,摩擦阻尼也越大。
2)DMF在小振幅波动时,扭矩迟滞特性受传递扭矩大小的影响,传递扭矩越大,迟滞特性越大,摩擦阻尼也越大,越有利于扭振的抑制。
3)DMF能大幅衰减来自发动机的转速波动,燃烧主阶次的波动幅值大约能降低70%~90%,极大地降低扭振问题发生的风险。
4)对于整车全油门加速工况,DMF的主级飞轮对应发动机的燃烧主阶次的转速波动随着主级飞轮惯量的增加而降低,但几乎不受DMF其他参数的影响;次级飞轮的主阶次的转速波动随着次级飞轮惯量增加而降低,随着库伦摩擦系数、初始摩擦扭矩、弹簧质量的增加而增加。
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