汽油機雙質量飛輪在使用中異響及改善

司曉亮，魯趙勝，葉鑒民，張文全

(1.貴州吉利發動機有限公司，貴州 貴陽 550014；2.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336)

0 引言

在20世紀80年代中后期，雙質量飛輪在傳統的車型上進行使用，由于其優異的傳動系解耦減振性能，在歐洲及中國市場，雙質量飛輪被各大汽車OEM廠商越來越多地應用在增壓發動機與手動變速器或雙離合變速器配置的車型上[1]。因雙質量飛輪的結構和在發動機變速器合裝過程中控制的不良會產生使用中異響問題，因此需要從零部件的生產過程質量控制和外部應用環境發變合裝的質量管控，使得該問題徹底得到解決，本文對這一問題進行專題探討。

1 車輛使用過程中異響描述

使用雙質量飛輪類似結構的轎車和SUV行駛在4000～5000公里時，發現車輛在怠速時機艙有異響，為間歇性的金屬摩擦聲音。用NVH(NVH是三個英文單詞Noise、Vibration和Harshness首字母的縮寫，是汽車噪聲、振動和舒適性等各項指標的總稱[2])軟件對異響頻譜分析。

NVH的分析需要具備采集聲音的傳感器，連接傳感器的若干根數據線、電源線、以及異響頻譜的軟件。

數據采集的最終目的是從采集的數據中提取到有用的信息[2]。

傳感器的安裝位置即測量位置，因此，安裝位置的總原則是：能反映出被測結構的振動特性，滿足測試要求[2]。一般來說，振動測量分為以下幾類：幅值測量、固有頻率測量、傳遞率測量、模態測試和其他類型測量等[2]。

圖1 汽車簡圖

本文中對雙質量飛輪異響的分析，使用固有頻率測量方式進行頻譜分析。安裝一個傳感器即滿足測量要求，傳感器的安裝位置在發動機和變速器結合處。如圖1所示。

異響頻譜圖(橫坐標表示時間，縱坐標表示頻率或反之)，頻譜分析顯示異響的特征是金屬之間的摩擦產生的噪音，異響頻率明顯的頻率段為3.5～5 kHz、9.5～11.5 kHz，12～14 kHz。

更換新的雙質量飛輪后試車無異響。

2 雙質量飛輪異響原因及機理

圖2 雙質量飛輪結構圖

飛輪的主要作用是儲存做功行程中的部分能量，并在其他行程中釋放出來，使活塞順利地越過上、下止點，以保持曲軸旋轉平穩[3]。

雙質量飛輪結構主要由主飛輪、CPA(Centrifugal Pendulum Absorber)(CPA分為擺塊/滾子/法蘭)、彈簧、導軌、支撐環、花鍵轂等組成。如圖2、圖3所示。

圖3 雙質量飛輪CPA子零件結構圖

雙質量飛輪異響主要有以下幾種原因引起：CPA與法蘭摩擦；CPA與彈簧刮擦；CPA與導軌刮擦；導軌與彈簧摩擦；金屬異物與子零件的碰撞等。

3 驗證與分析

3.1 故障件拆解檢查

對故障件進行拆解確認，彈簧有向內彎曲形狀，彈簧的內徑有異常磨損痕跡，如圖4所示，CPA外圓有輕微的磨損痕跡，如圖5所示。

圖4 彈簧磨損變形圖

圖5 CPA外圍磨損圖

拆解正常的飛輪進行對比，未發現子零件磨損彎曲等異常。

3.2 方案驗證

3.2.1 合箱裝偏驗證

圖6 發動機和變速器合裝圖

方法：在發動機和變速器合裝過程中，導向銷和銷孔中心不對中，進行蠻力裝配(圖6)。

組裝后的發動機放置24 h，之后在發動機性能臺架上進行耐久試驗8 h，整個過程進行布點監控，發現有異響的聲音。頻譜分析異響頻率段主要在1～2.5 kHz、5～7 kHz區間。

3.2.2 彈簧彎曲驗證。

圖7 彎曲彈簧樣件

方法：制造一個彎曲的彈簧，使之和CPA可以接觸到。如圖7所示。

將變形彈簧裝配成飛輪，之后進行整機裝配，完成后進行發動機性能臺架耐久試驗10 h驗證。整個過程進行布點監控，發現有異響的聲音。頻譜分析異響頻率段主要在0.5～3 kHz。

3.2.3 CPA異響驗證。

方法：在CPA外圍上焊接同材質的異物，使之和彈簧可以接觸到。如圖8所示。

圖8 CPA焊接異物樣件

將CPA裝配成飛輪，之后進行整機裝配，裝配完成后進行發動機性能臺架耐久試驗10 h驗證，整個過程進行布點監控，發現有異響的聲音。頻譜分析異響頻率段主要在1～5 kHz。

3.2.4 導軌間隙驗證

圖9 導軌樣件圖

方法：制作內彎的導軌，使之與彈簧可以貼合，如圖9所示。

裝配成飛輪，之后進行整機裝配，完成后進行發動機臺架耐久試驗10 h驗證。整個過程進行布點監控，未發現有明顯異響的聲音。

4 改善方案實施

4.1 改進方案1(導向銷尺寸規范)

針對發動機和變速器合裝中心不對中問題，進行規范要求。優化前發變合裝的導向銷沒有對尺寸進行技術要求，導向銷能安裝進銷孔則視為合格。根據銷孔的尺寸公差并結合安裝的便捷性對導向銷進行了優化。主要對導向銷的外徑尺寸進行了技術要求。

改進方案：主要對發動機和變速器在合裝過程中的導向銷尺寸公差進行規范。銷尺寸要求：D1≥Φ10.5 mm，D2≥Φ10.9 mm，如圖10所示。

圖10 導向銷實物圖

裝配完成后，對發動機進行性能臺架耐久10 h驗證，NVH音頻分析，異響不存在。

4.2 改進方案2(CPA尺寸控制)

針對彈簧與CPA接觸產生的摩擦，對CPA尺寸進行管控。

改進方案：通過對生產過程以及工藝的優化，使CPA整體的圓周尺寸縮減0.062 mm，避免了CPA在運轉過程中和彈簧間的摩擦。如圖11所示。

圖11 CPA尺寸減小方案

裝配完成后，對發動機進行性能臺架耐久10 h驗證，NVH音頻分析，異響不存在。

4.3 改進方案3(彈簧彎曲控制)

針對彈簧與CPA接觸產生的摩擦，對彈簧的彎曲度進行管控。

改進方案：針對彈簧向內彎曲變形，特別制作控制輪廓形狀的檢具。俯視彈簧最大輪廓與刻度尺進行比對，小于30 mm產品OK，大于30 mm產品NOK。如圖12所示。

圖12 彈簧檢具圖

裝配完成后，對發動機進行性能臺架耐久10 h驗證，NVH音頻分析，異響不存在。

4.4 改進方案4(增加塑料墊片)

圖13 CPA增加塑料墊片方案圖

針對CPA和法蘭接觸產生的摩擦，在CPA和法蘭之間增加塑料墊片，如圖13所示，避免金屬件接觸產生的異響。

裝配完成后，對發動機進行臺架耐久10 h驗證，NVH音頻分析，異響不存在。

圖14 NVH音頻頻譜圖

5 結語

通過飛輪異響的分析可得出一些共性的結論：

1)發動機變速器在合裝過程中需要避免蠻力操作，導向銷的尺寸公差需技術規范，在工藝文件，作業文件中進行明確說明。

2)CPA的圓周尺寸需重點質量管控，避免公差過大帶來的摩擦異響。

3)彈簧的彎曲輪廓度需重質量管控，避免干涉帶來的摩擦異響，在生產過程和出廠檢驗文件中給予明確。

4)增加塑料墊片結構避免了金屬件之間接觸產生的摩擦異響，類似結構零件均可借鑒使用。

5)雙質量飛輪結構優化對類似產品可提供借鑒意義。