双离合器变速器的概念创始于1933年，出现在Kegresses的专利中。经过数十年的技术完善，2002年大众汽车公司首次将双离合器直接换挡变速器(DSG)应用到大众高尔大量产车上，实现了DCT的产品化^[1]。DCT综合了液力机械自动变速器(AT)和电控机械自动变速器(AMT)的优点，传动效率高、结构简单、生产成本低，不仅保证了车辆的动力性和经济性，而且极大地改善了车辆运行的舒适性^[2]。

目前汽车双离合器使用的柔性飞轮为一体式，即挠性盘在使用中既与曲轴尾端连接，又与液力变矩器或液力耦合器相连接，挠性盘在工作过程中承受从多方向的不同载荷，容易产生裂纹、变形、破碎等缺陷，影响使用功能和安全^[3]。这给挠性盘飞轮的设计和制造带来了很高的要求，为了满足高强度的使用要求，设计者只能在已有结构的基础上分别从应力^[4-5]和提高转动惯量^[6-7]角度，对飞轮进行结构优化设计，文献[8-9]则对飞轮进行了多目标的动态优化，但由于安装空间及结构布置的限制，造成了所获得的最优化参数往往不能实施。文献[10-11]利用光弹应力分析法，对某飞轮进行试验分析，文献对四缸内燃机曲轴飞轮组进行了模态分析，且提出为保证发动机获得良好的动力学性能，还需在应力、模态分析基础上对其动力学特性进行优化。

所研究的双离合器双液力变矩器柔性飞轮是一种采用两体式挠性结构的新型飞轮，以解决一体式挠性盘飞轮存在的以上缺陷，其新颖的结构，在保证使用功能的前提下，可以根据曲轴和液力变矩器的结构和布置，来设计多种形式的两体式柔性飞轮，且不会因为挠性盘的设计结构相对固定，在搭载不同的车型时影响传动系统在车身内的整体布置。同时，挠性盘和增加的挠性板因自身所具有的柔度，使其具有动力传递平稳、抗冲击缓冲性能高、扭力矩大等多种特点，且两块挠性结构各自承受的多方向不同载荷要比原有的单独一块挠性盘要少，这样大大有利于多种结构的设计和多种原材料的选取。

在与企业合作和利用有限元法^[12]对其动态特性进行分析研究的基础上，由此开发出新型双体柔性飞轮。

1 双体柔性飞轮结构组成

如图 1所示，双体柔性飞轮总成由挠性板2(其上有花键毂1和6个压紧螺母3)、中间飞轮4、联接板5、挠性盘7(装有启动齿圈6)组成。

挠性盘7通过联接板5与曲轴末端连接，挠性板2、中间飞轮4和挠性盘7通过高强度螺栓固定连接，启动齿圈与起动电机的齿轮啮合，花键毂1与输出轴相连接，实现发动机与变速箱之间运动与动力的传递。

2 惯性力作用下的结构应力分析

为使有限元模型网格规模不致过大，建模时忽略了一些小的细节，如小倒角、定位孔等，并假设：1)飞轮总成以恒定的转速作高速旋转；2)整个飞轮只受惯性力作用。

为研究比较一体式和两体式飞轮的应力分布情况，并为挠性板的外形及结构参数提供设计依据，也为超高速试验^[13]提供对比数据。一体式飞轮和两体式飞轮的实体模型分别导入Workbench有限元分析软件中，定义其材料属性，并进行有限元网格划分，得到有限元模型如图 2所示。

一体式有限元模型包含111 899个节点、35 897个单元；两体式有限元模型包含149 943个节点、48 245个单元。

分别在图 2(a)及图 2(b)的模型的中心孔处施加轴向和径向约束。汽车发动机的正常工作转速为1 000~6 000r/min，取计算转速n=6 000 r/min，应力场计算结果如图 3所示。

由图 3(a)知，一体式模型在中间飞轮上呈类三角形的应力集中，加入柔性盘之后，柔性盘承担部分应力，如图 3b所示，使整体应力集中明显减小。

在中心孔取点1、2(位置见图 3)，计算应力大小σ₁、σ₂以及两模型中间飞轮最大应力σ_max，应力计算结果如表 1。表 1计算结果显示，两体式同一位置上的应力要小于一体式的应力，且中间飞轮的材料为铸铁，屈服强度为290 MPa，故双体柔性飞轮一种既满足应力条件、节省材料的结构形状，同时加强了飞轮的整体强度。

3 模态分析

为研究比较一体式和两体式飞轮的动态特性，应用ANSYS Workbench软件中的Modal模块对两模型进行模态分析^[14]。此处提取了前3阶模态固有频率及相应的振型。图 4、5所示为第1~3阶模态振型。表 2~3给出了第1~3阶模态的固有频率、振型特征及最大变形量。

从图 4~5可以看出，两模型第1阶振型基本相似，而两体式飞轮相对一体式飞轮的第2阶和第3阶的振动较规律，且两体式第2阶主要表现为挠性板的剧烈振动，但是中间飞轮和挠性盘偏离其平衡位置的最大位移量很小。

从表 2、表 3可以看出，从低频段的振动情况看，两体式的最大变形量有所减小；从高频段的振动情况看，两体式飞轮第3阶固有频率介于一体式飞轮的第2阶和第3阶固有频率之间，但两体式飞轮的第3阶模态最大变形量比一体式飞轮第2阶和第3阶模态最大变形量都要小。

故双离合器双液力变矩器两体式柔性飞轮的挠性板能起到较好的减振作用。

4 谐响应分析

为了研究双离合器双液力变矩器在激振力的作用下的轴向振动情况以及柔性盘减小振动的作用，应用Workbench软件中的Harmonic Response模块对两模型进行谐响应分析，在模型的中心孔位置施加轴向和径向约束，采用“大质量法”^[15]，在中心轴位置施加加速度惯性载荷。系统设置参数如下：加速度激励幅值，a=20 m/s²；频率的范围为1 000~2 600 Hz；阻尼比为0.05，得到幅值频率的关系曲线如图 6所示。

结果显示，一体式飞轮的响应最大幅值为2.01×10^-3mm，而两体式飞轮的响应最大幅值仅为1.41×10^-3mm，表明在受到简谐激振的情况下，双体式飞轮能表现出良好的冲击缓冲效果，且两体式的共振频率提高，避免与其他部件产生共振。

如图 7所示，两体式飞轮中挠性板与中间飞轮的相位角的变化曲线基本相似，但两者之间存在一定的相位差，使得挠性板的位移振动相对于中间飞轮出现滞后，两体式的响应最大幅值小于一体式的响应最大幅值，缓冲了中间飞轮的振动。

5 挠性板结构形状优化

挠性板2是飞轮总成中的重要部件，其轴向刚度直接影响飞轮的轴向减振特性，在满足强度的条件下，应使挠性板具有一定的轴向柔性而总成的轴向振幅较小，考虑其上压紧螺母的焊接强度(见图 1标号3)，取板厚δ=2 mm，对挠性板取不同曲线形状进行结构形状优化，如图 8所示。

根据图 3一体式飞轮的应力分布呈类三角形的形状提出优化型线，在点A、B的对称轴ON上取圆心，以不同的半径画弧连接A、B点，其结构外形限制条件为：圆弧曲线不能超越中间飞轮的螺栓孔和中心孔，即在型线1和型线2之间，通过改变圆弧半径的大小和位置，获取不同的曲线。

以直线型线3计算结果为对照基准，将不同半径型线的挠性板分别装配到飞轮总成中，依次进行应力分析、模态分析和谐响应分析，研究在满足强度条件下，获得具有最佳动力学特性的形状优选方案。外凸圆弧和内凹圆弧的最优型线的结果为：型线1(方案1)圆弧半径R₁=431.5 mm，圆弧中心O₁距圆心O的距离L_O1O=328.5 mm；型线2(方案2)圆弧半径R₂=275 mm，圆弧中心O₂距圆心O的距离L_O2O=350 mm。对比其计算结果如表 4~6所示。

以变化量描述计算结果的比较，变化量的含义为：圆弧型线计算结果－直线型线3的计算结果)/直线型线3的计算结果×100%。

由表 4知，采用内凹圆弧获外凸圆弧型线与直线型线相比，应力变化量不大，且均能满足强度要求。

汽车发动机工作转速范围为1 000~6 000 r/min，所产生的激振频率范围为33~200 Hz，故飞轮的固有频率应避免在正常工况下产生共振，从模态分析的对比数据，两方案在避免共振方面满足要求。

比较谐响应分析得到的数据，最大振幅值A都有所减小，表明方案1跟方案2都能起到减小整体振动的作用，方案1通过增加面积和刚度，在自身变形量变小(△x_max值减小)的同时，也减小了整体振动，方案2则通过增加挠性板的柔性，虽然自身变形量变大(△x_max值增大)，但减小整体振动的效果较明显。

综合对比分析，方案2在提高整体性能方面表现较好且重量更轻，是符合优化设计所要求的型线。

6 试验验证

爆裂试验转速为n=13 000 r/min，应用文中所述惯性力作用下的应力分析的方法，在柔性盘上出现的最大应力为608.35 MPa，柔性盘为调质钢，其屈服强度为720 MPa。对飞轮进行该转速下作超速试验，停留时间5 min，飞轮未发生破裂损坏。

以双离合器双液力变矩器柔性飞轮为对象，进行其振动响应的试验验证，采用锤击法对飞轮进行其敲击试验，加速度传感器安装在飞轮总成前端，检测的振动位移信号与飞轮前端冲击锤的力信号放大后进入信号采集处理分析仪，计算机读取数字信号，再利用文献[16]的方法进行数字信号分析。

表 7为锤击法对飞轮进行响应的多点激励试验的试验条件，力锤与飞轮接触瞬间，产生很大的冲击力，之后，冲击力信号很快衰减，而飞轮在收到力锤的冲击之后，瞬间获得很大的加速度，而后响应信号逐渐衰减，其所产生的振动信号频谱如图 9所示。

图 9中20.137、703.89 Hz为飞轮的前二阶频率，其余的波峰为电磁噪声的干扰振动频率，试验得到的前两阶频率，与ANSYS Workbench计算的固有频率相比略低，这是因为在建模采用了一些简化和理想的假设，因而计算固有频率有所提高。将实测值与有限元得计算结果进行比较，列表如表 8所示，计算结果与实测值误差不超过9%，验证了理论模态分析的正确性。

7 结论

1) 双体式柔性飞轮的结构新颖性，使飞轮的设计在搭载不同车型的条件下更易于实现，是一种既满足强度条件又满足动力学特性的结构形式。

2) 对双体式和一体式结构应力、模态分析的基础上对其进行谐响应分析，验证了双体式比一体式具有更好的冲击缓冲效果，能保证产品具有良好的动力学性能。

3) 在兼顾满足强度的条件下，通过改变挠性板的曲线形状即改变挠性板的柔度，实现了所要求的动力学特性，使得飞轮总成具有更好的减振效果。