某雙質(zhì)量飛輪性能對DCT傳動系扭振特性的影響研究

費寧忠 顧力強

(1.上海汽車變速器有限公司 2.上海交通大學(xué))

0 前言

隨著汽車動力總成要求輕量化、小型化需求日益突出，三缸發(fā)動機在汽車動力總成中應(yīng)用越來越普遍，但在提高燃油經(jīng)濟性和減少成本的同時，三缸機由于本身不平衡特性造成了扭矩波動更大，從而使得傳動系統(tǒng)的NVH特別是Rattle(嘎嘎聲)和 Clonk(叮當(dāng)聲)等扭振問題更加明顯。我司某新開發(fā)的DCT和某渦輪增壓的三缸機匹配，由于DCT對敲擊比較敏感，因此如果要確保DCT不發(fā)生敲擊，就必須控制DCT輸入端的轉(zhuǎn)速波動。由于和DCT匹配的為帶渦輪增壓的三缸機，因此選擇雙質(zhì)量飛輪(DMF)作為傳動系的減振元件，以將發(fā)動機激勵衰減至DCT允許的程度。雙質(zhì)量飛輪作為解決傳動系統(tǒng)扭振問題，如Rattle(嘎嘎聲)的有效措施，也是今后傳動系常用或者標(biāo)配的減振元件，十分有必要對雙質(zhì)量飛輪(DMF)及性能參數(shù)對扭振特性的影響進行研究，以便可以為后續(xù)DCT和混合動力變速器開發(fā)奠定基礎(chǔ)。基于以上原因，本文對雙質(zhì)量飛輪(DMF)性能參數(shù)對扭振特性的影響進行初步研究。

1 雙質(zhì)量飛輪(DMF)基本構(gòu)造及隔振原理

1.1 雙質(zhì)量飛輪(DMF)基本介紹構(gòu)造

雙質(zhì)量飛輪結(jié)構(gòu)有很多種，如周向長弧形螺旋彈簧雙質(zhì)量飛輪、軸向短彈簧雙質(zhì)量飛輪、離心擺式雙質(zhì)量飛輪等。由于與我司開發(fā)的DCT相匹配的是周向長弧形螺旋彈簧雙質(zhì)量飛輪，因此本文只對周向長弧形螺旋彈簧雙質(zhì)量飛輪結(jié)構(gòu)進行介紹[1]，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，周向長弧形螺旋彈簧雙質(zhì)量飛輪主要由第一飛輪、第二飛輪、弧形彈簧、傳力板、啟動齒圈等構(gòu)成。

雙質(zhì)量飛輪關(guān)鍵性能參數(shù)主要有：主動飛輪和次級飛輪慣量及其慣量分配、剛度特性、阻尼特性。周向長弧形螺旋彈簧雙質(zhì)量飛輪阻尼由兩部分構(gòu)成，1)基本阻尼：由主動和從動飛輪摩擦產(chǎn)生的遲滯阻尼，2)動態(tài)阻尼：在高速運轉(zhuǎn)下由于離心力的作用下弧形彈簧與飛輪表面產(chǎn)生的摩擦，由于速度不一樣離心力也不一樣，導(dǎo)致摩擦力也不一樣，從而該阻尼將會隨著速度的不同而不同，因此被稱為動態(tài)阻尼。

圖1 周向長弧形螺旋彈簧雙質(zhì)量飛輪結(jié)構(gòu)圖

1.2 雙質(zhì)量飛輪(DMF)隔振原理

相比傳統(tǒng)離合器扭轉(zhuǎn)減振器，DMF可以將彈性元件和阻尼元件布置在較大的空間里，因此可以將扭轉(zhuǎn)減振器設(shè)計成小剛度和大轉(zhuǎn)角，同時可以基于傳動系統(tǒng)實際情況對阻尼元件進行合理設(shè)計[2]，從而起到良好的減振作用。另外，由于DMF扭轉(zhuǎn)剛度很小，并且將原來的飛輪一分為二使得飛輪慣量增加，從而傳動系的二階扭轉(zhuǎn)頻率大大減低，如DMF和傳動系匹配合理，通常可以將傳動系二階固有頻率降低到怠速以下，因此在常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)將不會發(fā)生共振，從而出現(xiàn)扭振問題特別是敲擊的可能小大大減小。

傳統(tǒng)離合器扭轉(zhuǎn)減振器和DMF傳動系隔振效果如圖2所示，可知傳統(tǒng)離合器扭轉(zhuǎn)減振器傳動系在常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在共振，而DMF傳動系統(tǒng)沒有出現(xiàn)共振，并且在低速范圍內(nèi)依然可以將發(fā)動機扭振進行有效衰減。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的發(fā)生主要原因為：DMF 扭轉(zhuǎn)剛度很小，將系統(tǒng)的二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)降低到怠速以下，從而在常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)隔振效果較傳統(tǒng)離合器扭轉(zhuǎn)減振器大大改善。

圖2 傳統(tǒng)離合器扭轉(zhuǎn)減振器和DMF隔振效果

2 匹配某DMF的DCT傳動系扭振仿真模型建立

2.1 研究對象

我司開發(fā)的DCT匹配某乘用車，搭載1.0T的三缸發(fā)動機，減振元件為周向長弧形螺旋彈簧雙質(zhì)量飛輪，傳動系統(tǒng)布置形式為前置前驅(qū)。

2.2 建模方法

結(jié)合以前工程經(jīng)驗以及國內(nèi)外關(guān)于扭轉(zhuǎn)振動建模研究結(jié)果，本文采用集中質(zhì)量-離散化建模方法，即將實際的傳動系統(tǒng)簡化為一系列的集中質(zhì)量，集中質(zhì)量之間由無質(zhì)量的扭轉(zhuǎn)彈簧連接起來，并根據(jù)實際情況設(shè)置相應(yīng)的阻尼。該方法已經(jīng)被驗證并廣泛應(yīng)用于扭轉(zhuǎn)振動分析，并在實際使用過程中形成了以下簡化原則[3]：

1)將齒輪系統(tǒng)的齒輪和負載慣量盤看成是絕對剛性的圓盤，彼此之間由無質(zhì)量的具有扭轉(zhuǎn)剛度的彈簧連接；

2)轉(zhuǎn)動慣量較大且集中的部件如齒輪看成是慣性元件，轉(zhuǎn)動慣量較小且分散的部件如齒輪軸看成是彈性軸；

3)相鄰兩質(zhì)量之間的連接軸的轉(zhuǎn)動慣量，平分到兩個質(zhì)量集中點上，如將負載和空套齒輪副主動齒輪間的軸的轉(zhuǎn)動慣量平均分配到兩端齒輪簡化的集中質(zhì)量上；

4)所有激勵力矩、阻力力矩只作用在慣性元件上；

5)相鄰兩質(zhì)量之間的連接軸，按照連接軸的彈性計算剛度，作為集中質(zhì)量間的當(dāng)量剛度。

2.2 某DCT傳動系扭振仿真分析模型建立

2.3.1 關(guān)鍵參數(shù)

模型中使用的發(fā)動機缸壓如圖3所示，關(guān)鍵慣量、剛度、阻尼參數(shù)如表1所示。

圖3 發(fā)動機缸壓

2.3.2 仿真模型

本文選用AMESIM軟件建立匹配DMF的DCT傳動系扭振仿振模型。AMESIM作為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺，可以應(yīng)用于解決傳動系如Rattle(嘎嘎聲)和 Clonk(叮當(dāng)聲)等扭振問題，也可以應(yīng)用于DMF匹配工作，AMESIM是汽車傳動系統(tǒng)扭振和敲擊仿真分析常用的CAE軟件。基于整個傳動系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，在AMESIM環(huán)境中所建立的傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)仿真模型如圖4所示：

表1 關(guān)鍵慣量、剛度、阻尼參數(shù)

圖4 AMESIM扭振模型

3 雙質(zhì)量飛輪(DMF)性能參數(shù)對扭轉(zhuǎn)模態(tài)的影響

扭轉(zhuǎn)模態(tài)是扭振特性的關(guān)鍵指標(biāo)，與系統(tǒng)響應(yīng)直接相關(guān)，而DMF的重要作用就是降低傳動系二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)至怠速以下，從而避免傳動系統(tǒng)在常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生共振，產(chǎn)生Rattle(嘎嘎聲)等扭振問題[4]，因此在進行任何扭振響應(yīng)分析前必須對傳動系扭轉(zhuǎn)模態(tài)進行分析，也有必要對DMF性能參數(shù)對扭轉(zhuǎn)模態(tài)的影響進行研究。

3.1 DMF設(shè)計參數(shù)下傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)模態(tài)仿真結(jié)果

匹配DMF傳動系扭轉(zhuǎn)自由模態(tài)如表2所示，二檔工況下模態(tài)振型如圖5～7所示。

表2 模態(tài)頻率

圖5 一階模態(tài)-半軸模態(tài)

圖6 二階模態(tài)-DMF模態(tài)

圖7 三階模態(tài)-半軸局部模態(tài)

扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率和振型分析結(jié)果表明，出現(xiàn)了車輛傳動系扭轉(zhuǎn)模態(tài)前三階典型模態(tài)，現(xiàn)解釋如下：

1)第一階模態(tài)為半軸模態(tài)(系統(tǒng)模態(tài))，頻率范圍在2.6 Hz～6.5 Hz，可能會導(dǎo)致Shuffle(聳車)問題；

2)第二階模態(tài)為DMF模態(tài)(系統(tǒng)模態(tài))，頻率范圍在11.5 Hz～26.2 Hz，也正是DMF的使用，使得傳動系扭轉(zhuǎn)模態(tài)大大降低，降低了在常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)出現(xiàn)扭振問題如rattle的可能性；

3)第三階模態(tài)為半軸模態(tài)(局部模態(tài))，基本在154 Hz左右，可能在高速導(dǎo)致Booming(低沉的嗡嗡)問題。

模態(tài)分析結(jié)果符合理論和工程經(jīng)驗，因此所建立扭振模態(tài)正確，可以用于后續(xù)仿真分析。六檔和七檔工況下，模態(tài)頻率分別為23.3 Hz和26.2 Hz，所對應(yīng)的共振轉(zhuǎn)速分別為932RPM和1048RPM(三缸機主階為1.5階)，共振轉(zhuǎn)速略高，低速時可能存在扭振問題如Rattle(嘎嘎聲)。對于匹配DCT的傳動系統(tǒng)，盡管可以通過標(biāo)定來解決很多扭振問題，但在設(shè)計之初同樣有必要從傳動系匹配角度出發(fā)預(yù)防潛在的NVH問題，因此本文從DMF扭轉(zhuǎn)剛度、第一飛輪和第二飛輪慣量角度出發(fā)來降低六檔和七檔扭轉(zhuǎn)頻率。

3.2 DMF扭轉(zhuǎn)剛度對系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)模態(tài)的影響

DMF扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計值為3.24 Nm/°，現(xiàn)將扭轉(zhuǎn)剛度減小20%。更改前后六檔和七檔扭轉(zhuǎn)模態(tài)如表3所示，可知DMF扭轉(zhuǎn)剛度減小有利于減低系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)模態(tài)，但由于DMF設(shè)計扭轉(zhuǎn)剛度已經(jīng)很小了，所以扭轉(zhuǎn)剛度減小對扭轉(zhuǎn)模態(tài)的影響相對較小。

表3 DMF扭轉(zhuǎn)剛度對模態(tài)的影響

3.3 DMF第一、第二飛輪慣量對扭轉(zhuǎn)模態(tài)的影響

DMF第一飛輪、第二飛輪設(shè)計慣量分別為0.087 kg·m2、0.027 kg·m2，現(xiàn)將第一飛輪和第二飛輪慣量更改為0.067 kg·m2、0.047 kg·m2。更改前后六檔和七檔扭轉(zhuǎn)模態(tài)如表4所示，分析結(jié)果表明：減小第一飛輪慣量，加大第二飛輪慣量能夠有效降低傳動系二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)。當(dāng)然，第一飛輪慣量減小可能會導(dǎo)致曲軸的扭振惡化，因此需要綜合考慮合理設(shè)計第一、第二飛輪的轉(zhuǎn)動慣量。

表4 第一、第二飛輪慣量對扭轉(zhuǎn)模態(tài)的影響

4 雙質(zhì)量飛輪(DMF)性能參數(shù)對扭振響應(yīng)的影響

對傳動系扭轉(zhuǎn)進行研究和控制，最終需要落實到扭振響應(yīng)上。傳動系統(tǒng)設(shè)計和匹配是否合理，最終是通過系統(tǒng)扭振響應(yīng)是否合理來作為評價指標(biāo)的。如果系統(tǒng)扭振水平超出了傳動系可允許的程度，這必然導(dǎo)致很多扭振問題如Rattle(嘎嘎聲)和 Clonk(叮當(dāng)聲)等[5, 6]，因此必須對發(fā)動機激勵下傳動系統(tǒng)扭振響應(yīng)進行研究與分析。本文首先以DMF設(shè)計參數(shù)下扭振影響進行仿真分析，然后研究DMF性能參數(shù)對扭振響應(yīng)的影響。

4.1 DMF設(shè)計參數(shù)下傳動系扭振響應(yīng)仿真分析結(jié)果

DMF設(shè)計參數(shù)下三、六、七檔第一飛輪、第二飛輪1.5階速度和角加速度仿真結(jié)果如圖8～13所示，由仿真結(jié)果可知，共振轉(zhuǎn)速和扭轉(zhuǎn)模態(tài)對應(yīng)良好，如六檔共振轉(zhuǎn)速為916.2RPM，對應(yīng)的共振頻率為22.9 Hz，而上文扭轉(zhuǎn)模態(tài)分析可知6檔模態(tài)為23.3 Hz，相差不到1.7%。DMF在低檔位如三檔工況可以起到很好的減振作用，但高檔位如六檔和七檔工況DMF在低轉(zhuǎn)速區(qū)間振性能較差，可能會在實車中導(dǎo)致一些扭振問題[7]。針對這種情況，現(xiàn)以六檔為例，研究DMF性能參數(shù)對減振性能的影響。

圖8 三檔1.5階飛輪角速度

圖9 六檔1.5階飛輪角速度

圖12 六檔1.5階飛輪角加速度

圖13 七檔1.5階飛輪角加速

4.2 DMF扭轉(zhuǎn)剛度對傳動系扭振響應(yīng)的影響

DMF扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計值為3.24 Nm/°，現(xiàn)將扭轉(zhuǎn)剛度減小20%。更改前后六檔第一飛輪、第二飛輪端1.5階角速度和角加速度仿真結(jié)果如圖14～15所示，由仿真結(jié)果可知，減小DMF扭轉(zhuǎn)剛度，DMF減振性能得到改善，同時共振轉(zhuǎn)速略有降低，和模態(tài)分析結(jié)果相一致。但可能由于DMF扭轉(zhuǎn)剛度已經(jīng)很小了，剛度減小20%后改善效果不是很明顯。

圖14 不同扭轉(zhuǎn)剛度下飛輪端角速度

4.3 DMF飛輪慣量對傳動系扭振響應(yīng)的影響

DMF第一飛輪、第二飛輪設(shè)計慣量分別為0.087 kg·m2、0.027 kg·m2，現(xiàn)將第一飛輪和第二飛輪慣量更改為0.067 kg·m2、0.047 kg·m2。更改前后六檔第一飛輪、第二飛輪端1.5階角速度和角加速度仿真結(jié)果如圖16～17所示，由仿真結(jié)果可知，減小第一飛輪慣量、增加第二飛輪慣量減振性能改善明顯，同時共振轉(zhuǎn)速也向低速推移，有利于消除潛在的扭振問題。

5 總結(jié)

本文以某開發(fā)階段的DCT傳動系為研究對象，在AMESIM環(huán)境中建立整個傳動系扭振仿真CAE模型。文中介紹了DMF基本結(jié)構(gòu)和減振原理，對DCT傳動系扭振模態(tài)和響應(yīng)進行了仿真分析，在此基礎(chǔ)上重點分析了DMF性能參數(shù)對減振性能的影響。主要結(jié)論如下：

圖15 不同扭轉(zhuǎn)剛度下飛輪端角加速度

圖16 不同扭轉(zhuǎn)剛度下飛輪端角速度

圖17 不同扭轉(zhuǎn)剛度下飛輪端角速度

1)減小DMF扭轉(zhuǎn)剛度可以減小傳動系二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)，并改善DMF的減振性能；

2)減小第一飛輪慣量、增大第二飛輪慣量可以減小扭轉(zhuǎn)模態(tài)，并且減振性能改善同樣非常明顯；

3)在設(shè)計開發(fā)初級，需要對DMF減振參數(shù)進行合理的設(shè)計，確保傳動系二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)合理，常用轉(zhuǎn)速方位內(nèi)不會發(fā)生共振，整個傳動系不會發(fā)生嘎嘎聲等扭振問題。