淺析雙質量飛輪減振器的設計

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

關鍵詞：雙質量飛輪；減振器；扭振；離合器

為了降低發動機旋轉的不均衡性而造成傳動系的扭轉振動，傳統上在離合器中采用扭轉減振器來達到減振目的。雙質量飛輪的次級質量與變速器的分離和結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構，質量明顯減小。減振器組裝在雙質量飛輪系統中，并能在盤中滑動，明顯改善同步性并使換檔容易。而雙質量飛輪將質量一分為二，其中的第二質量（次級質量）能在不增加飛輪的慣性矩的前提下提高傳動系的慣性矩，而使共振轉速下降到怠速轉速以下。也就是說在任何情況下，出現共振轉速都在發動機運行的轉速范圍以外，只有在發動機剛起動和停機時才會越過共振轉速，這也是常見汽車發動機起動和停機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減振器在特性上存在一些局限性，主要表現在它不能使發動機—變速器振動系統的固有頻率降低到怠速轉速以下，因此不能避免傳動系在怠速轉速時的共振。如圖1所示為簡化的兩自由度振動模型和固有頻率曲線。

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

雙質量飛輪的優點主要有以下三點：

1）可以降低發動機、變速器系統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，并允許增大極限轉角。

3）由于雙質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動慣量，有利于換檔過程。

在上述基礎上我們還應該考慮一下雙質量飛輪減振器的參數選擇。扭轉減振器的參數可以分作兩類：一類是從減振器的性能出發的，其取值范圍對系統的振動特性產生影響，它們決定減振器對傳動系統扭振的衰減能力；另一類參數與振動特性關系不大，主要是從結構布置或其他方面的需要來定。雙質量飛輪減振器在質量、剛度和阻尼三方面實現對動力傳動系統扭振的控制，因此，質量、剛度、阻尼就是雙質量飛輪扭轉減振器的三大參數。

1）質量參數的選擇

雙質量飛輪減振器和傳統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量分配發生了很大變化。由于第二質量的增加，使傳動系一側的旋轉質量增大，而發動機一側的旋轉質量減小。由于作為扭振系統激勵源的發動機一側旋轉質量的減小，使得激勵幅度加大，而激勵的總能量是不變的；傳動系一側由于旋轉質量的加大，使得響應的幅度減小，再加上減振器的緩沖和衰減，那么，傳動系的響應會明顯降低。因此，如何選擇雙質量飛輪減振器的第一質量和第二質量是設計中一個比較關鍵的問題。

2）剛度參數的選擇

極限轉矩減振器傳遞的極限轉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矩，也就是極限轉角時的轉矩。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。極限轉矩與發動機的最大轉矩有關，在我們的設計中，發動機的最大輸出轉矩為150 N ? m，則limT 取300 N ? m。

從動盤相對于從動盤轂的極限轉角lim?極限轉角一般取 3～12°，也有高達20°的，一般對汽車平順性要求高或者對于工作不均勻發動機取較大的極限轉角。這里我們取極限轉角為16°。

減振器的扭轉剛度的選擇要考慮兩個主要因素：避免在發動機的工作轉速范圍內發生共振和傳遞極限轉矩。為了避開共振的激勵頻率，減振器的剛度要求降低，但為了傳遞最大轉矩，又要求具有一定的剛度。這兩者是矛盾的，因此，在發動機的整個轉速范圍內，振動現象是不可避免的。我們能做的是選擇合適的扭轉剛度，得到相對較好的傳動系振動特性。如前所述，雙質量飛輪的一個重要的優點就是可以通過合理分配轉動慣量而降低怠速工況的固有頻率從而避免共振的發生。減振彈簧在安裝時都有一定的預緊，彈簧具有一定的預緊量是必要的，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量飛輪的噪聲。但預緊扭矩的值不應大于摩擦轉矩 的值，否則在反向工作時，減振器將提前停止工作。

3）阻尼參數的選擇

雙質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剛度受結構要求以及轉矩的限制不可能降的很低，因

此振動現象難以避免，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矩。常用的方法有兩種，一種是令在一個振動周期內做的功等于發動機激振轉矩所作的功，那么系統扭轉振動的振幅將是最小的；另一種方法是直接根據發動機的最大轉矩初選，在設計時如何保證使用過程中的穩定性也是一個重要的問題，在干摩擦式阻尼器中大多數采用具有自動補償磨損量功能的碟形彈簧作為壓緊元件。

在扭轉減振器的參數選擇中，剛度的確定和轉角的分配是重點，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角比較大；但考慮到傳遞扭矩的能力和減振器的極限轉角，又必須增大剛度以在有限的轉角內傳遞系統的載荷。這就必須對剛度和轉角進行合理的分配，并通過仿真和試驗來驗證系統的振動特性是否能夠滿足要求，在試驗的基礎上再進行修改。目前國外設計新車時對扭轉減振器的設計多采用實驗方法，根據已選定的發動機和底盤的其他部件，從離合器眾多已有產品中選擇一種裝到新車上做路試，將實驗所得到的數據根據對舒適性程度的量化分析，來判斷該離合器是否適用，經過多次實驗，最后確定離合器的型號。

參考文獻

[1] 葛安林，車輛自動變速器理論與設計，機械工業出版社，1993

[2] 朱經昌，車輛液力傳動，國防工業出版社，1983

[3] 李君 張建武 馮金芝 雷雨龍 葛安林，電控機械式自動變速器的發展現狀和展望，汽車技術，2000/3

[4] 郭立書，越野汽車液力變矩器與電控自動換擋系統的研究，吉林大學博士研究生學位論文，2003

[5] BorgWarner Powertrain System， 北京自動變速器研討會會議論文，2003.9

[6] 張勇，電控機械式自動變速器換擋品質自適應控制研究，吉林工業大學碩士學位論文，1997

作者簡介

張凱娟（1986-），女，河南新鄉，新鄉職業技術學院，本科。