（机械制造及其自动化专业论文）双质量飞轮设计与制造的关键技术研究.pdf

武汉理r j ：人学博七学位论文 摘要 本文结合湖北重点攻关项目“汽车离合器用复合激光加工技术”和黄石市 重点攻关项目“双质量飞轮系统的开发、“数控轧制滚环智能加工设备 ， 为了提高车辆动力传动系统n v h 性能，围绕双质量飞轮系统先进的设计及成形、 连接技术进行理论和试验研究，对双质量飞轮进行性能优化、模拟加工等方面 的研究。 1 针对双质量飞轮进行结构设计、受力分析、性能优化、模拟加工等方面 的研究。实现了双质量飞轮设计从经验类比型向科学分析计算型转变，构建了 双质量飞轮设计与制造技术的集成系统，系统由数字化结构设计与仿真、整车 n v h 分析、旋压技术分析、焊接技术分析及优化等模块组成。各模块之间基于 p d m 技术，通过建立统一的产品数据模型技术手段，相应接口程序实现数据的 共享与集成，保证各软件间数据交换的有机统一，从而实现双质量飞轮设计与 制造技术的系统集成。 2 系统提出双质量飞轮的设计计算公式，并设计了一种适用于激光焊接工 艺的结构，讨论了弧形弹簧螺线的参数方程，通过对受约束弧形弹簧变形特点 的理论分析，推导出了弧形弹簧的扭转特性计算公式，通过p r o e 建模，运用 a d a m s 对弧形弹簧双质量飞轮的扭转特性进行了仿真分析，验证双质量飞轮的 弹性特性。 3 通过对板材旋压技术在主飞轮体成形中的应用以及c n c 环形轧制设备的 研究，系统研究了技术参数、结构设计、数控系统，从而建立了双质量飞轮加 工的旋压c a m 系统。借助板材成形仿真软件a n s y s 进行有限元分析，在不同 温度下的变形及应力情况验证主飞轮体采用数控旋压技术能满足产品制造的要 求。 4 通过对汽车离合器数控激光设备及系统的研究，重点研究n c 系统和检测 监控技术，并系统研究了产品方案、结构特点、计算机控制系统和工艺参数， 通过样机的运行情况及加工结果验证了激光数控设备技术的先进性。同时采用 a n s y s 软件对激光焊接热过程的温度场及变形、应力进行分析，对工艺参数进 行分析。 5 对双质量飞轮的试验方法及试验设备进行研究，对相关产品的试验结果 武汉理工大学博十学位论文 与仿真结果进行对比分析，进一步证明了仿真计算和理论分析结论的正确性。 关键词：双质量飞轮，设计，制造 i l 武汉理j ：人学博士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nh u b e ik e yt e c h n o l o g yp r o j e c t i n t e g r a t e dl a s e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y f o ra u t oc l u t c h ”a n dh u a n g s h ik e yt e c h n o l o g yp r o j e c t “t h ed e v e l o p m e n to fd u a l m a s sf l y w h e e l a n d “n ci n t e l l i g e n tr o l l i n gr i n gp r o c e s s i n ge q u i p m e n t ”，i no r d e rt o e n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l ep o w e r t r a i nn v h ，t h ep a p e rf o c u s e so nt h e t h e o r ya n dt e s t i n gr e s e a r c ha b o u tt h ed u a lm a s sf l y w h e e li n t e g r a t i o nd e s i g no f a d v a n c e dd e s i g na n df o r m i n ga n dc o n n e c t i n g t h er e s e a r c hf o c u s e so nd u a lm a s s f l y w h e e lp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o na n dp r o c e s s i n gs i m u l a t i o n f i r s t ，t h er e s e a r c hi sf o rt h ed u a lm a s sf l y w h e e ls t r u c t u r a ld e s i g n ，s t r e s sa n a l y s i s ， p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n ，p r o c e s s i n gs i m u l a t i o n d u a lm a s sf l y w h e e ld e s i g nc h a n g e s f r o mt h ee x p e r i e n c e - b a s e da n a l o g yt ot h es c i e n t i f i ca n a l y s i s t h es y s t e mi sc o m p o s e d o fd i g i t a ls t r u c t u r e d e s i g n a n ds i m u l a t i o n ，v e h i c l en v ha n a l y s i s ，a n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o no ff o r m i n gp r o c e s s ，w e l d i n gp r o c e s sa n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nm o d u l e s b a s e do nt h ep d mt e c h n o l o g y ，t h ev a r i o u sm o d u l e sd a t as h a r i n ga n di n t e g r a t i o nh a v e b e e nr e a l i z e dt h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fau n i f i e dp r o d u c td a t am o d e la n dt h e c o r r e s p o n d i n gi n t e r f a c ep r o g r a mt oe n s u r et h ev a r i o u ss o f t w a r e sd a t ae x c h a n g ea n d a c h i e v et h ed e s i g na n d p r o c e s si n t e g r a t i o no fd u a lm a s sf l y w h e e l s e c o n d ，t h es t u d yp r o p o s e st h ed u a lm a s sf l y w h e e ld e s i g nc a l c u l a t i o nf o r m u l a a n dd e s i g n e do n ek i n do fp r o d u c ts t r u c t u r et ob es u i t a b l ef o rt h el a s e rw e l d i n g t h e s t u d yi n f e r st h ea r cs p r i n gt o r s i o n a lc h a r a c t e r i s t i cc a l c u l a t i o nf o r m u l at h r o u g ht h e t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ea r cs p r i n gd i s t o r t i o n c h a r a c t e r i s t i cu n d e rr e s t r a i n sa n d d i s c u s s e st h ea r cs p r i n gh e l i c a lp a r a m e t r i ce q u a t i o n t h es t u d yh a sc a r r i e do nt h e s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ea r cs p r i n gd u a lm a s sf l y w h e e lt o r s i o n a lc h a r a c t e r i s t i cb y u s i n ga d a m s s o f t w a r ea n dp r o em o d e l i n ga n dc o n f i r m e dt h ed u a lm a s sf l y w h e e l e l a s t i cc h a r a c t e r i s t i c t h i r d ，t h es t u d yr e s e a r c h e so ns h e e tm a t e r i a lr o l l i n gf o r m i n gt e c h n o l o g yo f f l y w h e e lb o d ya n dc n cr i n gr o l l i n gm a c h i n e s b yt h ed e v e l o p m e n to fc n c a u t o m a t i cr i n gr o l l i n ge q u i p m e n t ，t h ec a ms y s t e mi sb a s e do nt h er e s e a r c ho n t e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，s t r u c t u r a ld e s i g n ，n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m s w i t hs h e e tm e t a l 1 i i f o r m i n gs i m u l a t i o n s o f t w a r ea n s y s ，t h e f i n i t ee l e m e n ta 1 1 a l y s i s a td i f f e r e n t t e m d e r a t u f e sh a v e v c r i f i e dt h ef l y w h e e lb o d yr o l l i n gt e c h n o l o g y 咖m e e t t h e r e q u i r e m e n t so fp r o d u c t m a n u f a c t u r i n g f o u n h ，t h es t u d yi s 伽t h ed e v e l o p m e n t o fn cl a s e re q u i p m e n t f o ra u t oc l u t c n 1 t f o c l l s e so nt h en cs y s t e ma i l di n s p e c t i o n a i lm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y - 砷en c l a s e r e q u i p m e n td e v e l o p m e n tr e s e a r c h e s o np r o d u c tc o n c e p t ，s t m c t u f a lf e a t u r e s ，c o m p u t e r c o n t r 0 1s y s t e ma n dp r o c e s sp a r a m e t e r s t h eo p e r a t i o n o fp r o t o t y p ea 1 1 dp r o c e s s l n g r e s u l t sh a y ev e r i f i e dt h ea d v a n c eo fn c l a s e rt e c h n o l o g y a tt h es a m et i m e , 1 1 1 e s p e c i a ls i m u l a t i o ns o 脚a t e a _ n s y si su s e dt 0a n a l y z et e m p e r a t u r ef i e l d a i l dr e s l d u a l s t r e s so fl a s e rw e l d i n gt h e r m a lp r o c e s sa n do p t i m i z e d t h ep r o c e s sp a r a m e t e r s f i n a l l v ，t h ef e s e a r c hi so nt h e d u a lm a s sf l y w h e e lt e s t i n gs t a n d a r d a 1 1 de q u l p m e m n ec o n t r a s ta n a l y s i st 0t h ep r o d u c t t e s t i n gr e s u l ta n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l th a sp f o v e n t h ea c c u r a c v0 fs i m u l a t i o nc o m p u t a t i o n a n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sc o n c l u s l o n k e yw o r d s ：d u a im a s sf l y w h e e l ；d e s i g n ；m a n u f a c t u r i n g i v 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 复盎醐望1 2 ：2 二 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：师( 签名) ： 日期型翌 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 武汉理i ：大学溥十学位论文 第一章绪论 在汽车的发展过程中经历了几次蜕变的阶段。第一个阶段是发明与发展期， 速度、马力、造型和尺寸是主要的焦点。第二个阶段注重效率与质量。第三个 阶段强调安全与环保。由于世界市场对汽车产品的安全、环保和节能性要求不 断提高，法规标准日益严格，以及产品个性化、多样化的需求日益提高，汽车 产品技术含量加大，新产品推出速度加快。世界汽车研发呈现以下趋势：开发 人才趋向“复合型 ；新产品开发成为企业成败的重中之重；同步工程的应用 和加速计算机网络化成为缩短开发周期的重要手段；虚拟现实技术在汽车研发 中的汽车虚拟设计、虚拟制造系统、汽车模拟驾驶、汽车虚拟维修技术、汽车 实验研究仿真( 包括汽车碰撞、高速稳定性实验、虚拟风洞等) 等领域深入应 用；研发网络全球化的深度和广度迸一步加强。根据1 9 9 6 年对欧洲汽车的调查， 由于汽车的性能质量等方面均已达到较高的水平，因此顾客对乘坐舒适性的要 求明显提高，仅次于汽车款式。对于中小型汽车，由于市场的激烈竞争使得汽 车的重量、价格等因素被严格约束，这就使以改善汽车乘坐舒适性为目的的汽 车n h v 特性的研究变得更加重要。 n v h 是指n o i s e ( 噪声) 、v i b r a t i o n ( 振动) 和h a r s h n e s s ( 声振粗糙度) ， 由于它们在车辆等机械中是同时出现并密不可分的，因此常把它们放在一起进 行研究。声振粗糙度是指噪声和振动的品质，是描述人体对振动和噪声的主观 感觉的，不能直接用客观测量方法来度量。由于声振粗糙度描述的是振动和噪 声使人不舒适的感觉，因此有人称h a r s h n e s s 为不平顺性。从n v h 的观点来看， 汽车是一个由激励源( 发动机、变速器等) 、振动传递器( 由悬挂系统和边接件 组成) 和噪声发射器( 车身) 组成的系统。汽车n v h 特性的研究应该是以整车 作为研究对象的，但由于汽车系统极为复杂，因此经常将它分解成多个子系统 进行研究，如底盘子系统、车身子系统等，也可以研究某一个激励源产生的或 某一种工况下的n v h 特性1 1 。 中国汽车零部件行业经过5 0 年的发展，无论是从工业产值、数量、经济规 模、技术水平，都有了较为明显的进步。从总量上来看，汽车产业及零部件工 业成为支柱产业的特征更加明显。但中国汽车零部件工业在新一轮发展中将面 武汉理t 大学博士学位论文 临越来越大的困难，民族汽车零部件企业的生存空间正被国际汽车零部件巨头 不断挤压，自身在发展过程中忽视自主创新能力提升，对于那些技术含量要求 较高的零部件产品，如电喷系统、自动变速器、安全气囊、a b s 等，尚无足够 的技术和生产能力，仍然大量依赖进口。汽车零部件工业科技的落后，已经成 为制约我国汽车工业发展的主要障碍。2 0 0 4 年中国出台汽车产业发展政策， 要求中国汽车零部件企业要适应国际产业发展趋势，积极参与汽车厂的产品开 发工作。在关键汽车零部件领域要逐步形成系统开发能力，在一般汽车零部件 领域要形成先进的产品开发和制造能力，以满足国内外市场的需要，进入国际 汽车零部件采购体系。 为此跟踪国际汽车及零部件技术发展，进行n v h 方面的研究就成为当前一 个研究课题，如何结合先进的设计及制造技术适应当前汽车零部件的发展成为 国内汽车零部件企业及科研机构的工作重点，本文结合湖北省重点攻关项目 “汽车离合器用复合激光加工技术 和黄石市重点攻关项目“双质量飞轮系统 的开发”，围绕车辆动力传动系统n v h 改善，就双质量飞轮系统先进的设计及 成形、连接技术一体化设计进行理论和试验研究。 1 1 汽车传动系统及离合器行业的发展 汽车传动系是位于汽车发动机与驱动车轮之间的动力传递装置。其功用为： 保证汽车在各种行驶条件下所必需的牵引力与车速，使它们之间能协调变化并 有足够的变化范围；使汽车具有良好的动力性和燃料经济性；保证汽车能倒车 及左右驱动车轮能适应差速成要求；使动力传递能根据需要而顺利接合与分离。 不同的发动机特性对与其匹配的传动系的要求也不同，而同一发动机也有 不同类型的传动系与之相匹配。 汽车传动系分为机械传动、液力机械传动、液力传动和电传动等类型。 机械传动系由离合器、变速器、传动轴及驱动轿( 轴) 等组成。离合器位 于发动机之后、传动系的始端，用来接合和分离发动机与传动系，以保证汽车 起步时将发动机与传动系平顺接合，使汽车平稳起步；当变速器换档时能迅速、 彻底地将发动机与传动系分离，以减少有级变速器的齿轮冲击及便于换档。离 合器也能缓和传动系峰值载荷的冲击、吸收扭转振动或避免扭振的产生。 液力传动又分为动液传动与静液传动两类，前者以液体的动能变化来传递 或变换能量；后者是以液体的压能变化来传递或变换能量。液力变矩器和液力 2 武汉理1 _ ：大学博士学位论文 偶合器是动液传动的基本装置。液力传动的另一分支是静液传动，其主要元件 是油泵及液压马达。 电传动系主要用在重型货车或矿用自卸汽车上，其动力源多为高速或中速 柴油机，其传动系则取消了机械传动中的传统机构，代之以电流输至驱动车轮 的电动机。另一种以化学蓄电池、机械式( 飞轮储能) 蓄电池或将它们相组合 或与内燃机组合等为能源的电动汽车也往往采用电传动系。 传动系是一个多质量的弹簧扭转振动系统，其负荷随着汽车使用工况的不同 而异。汽车行驶时来处发动机和路面的干扰力以及传动系构件转速成变化产生 的惯性力矩，都能引起传动系的载荷变化甚至扭振。传动轴等动平衡不好会引 起扭振。汽车在起步、换档、制动等非稳定工况下，传动系受非周期的冲击性 干扰力而受激振动，产生很大的动载荷。即使有稳定工况下，传动系也会在来 自发动机、传动系本身等周期性干扰力的作用下发生强迫振动。为避免引起共 振，应使传动系的固有频率避开汽车经常工作的转速范围，至少应采取措施减 小共振振幅，降低共振载荷。为此，可在离合器从动盘上装扭转减振器，其弹 性元件或降低传动系的扭转刚度，从而降低固有频率，使共振转速移出发动机 常用转速成范围；其阻尼元件消耗振动能量、降低共振载荷以及非共振下的载 荷变化幅度。有的车在变速器与主减速器之间安装橡胶式或惯性磨擦式扭转减 振器，也会收到减振效果。汽车噪声是一种污染源，降噪程度已成为评价汽车 质量的重要标准之一。传动系的降噪除应避免共振、减少振动外，在设计上对 变速器、主减速器的齿轮优化；采用同步器及扭转减振器，避免传动轴过长和 减小夹角；做好有关件的动平衡；加强对噪声的隔离及减小传导以至采用现代 对噪声的主动控制方法，都是降低传动系噪声的有效措施【2 】。 汽车的发展经历了三大革命：动力革命、传动革命与控制革命。先进国家目 前正处于控制革命阶段，即自动控制阶段。从各总成的单独控制向动力传动系 统一体化综合控制；从一般控制向智能化、网络化控制发展。不同的驾驶水平 对车辆的燃料经济性、动力性、乘坐舒适性造成极大差异，所以自动变速是人 们长期追求的目标，是车辆向高级阶段发展的重要标志。由于离合器往往需要 与变速器共同起作用，因而两者有着必然的联系。 在欧洲，汽车制造企业正面临逐年增加的降低c 0 2 排放的压力。过去几年， 由于柴油发动机市场份额的增长，使基于n e d c ( 新欧洲行驶工况标准) 基础上 的平均值远远低于欧洲汽车制造商协会的目标，这表明，开发新技术的压力将 继续增加。与开发新的发动机技术相比，推动新的变速箱技术更易于降低额外 3 武汉理工人学博十学位论文 的成本。目前已有的变速箱技术包括手动变速箱( m t ) 、传统的自动变速箱( a t ) ( 图1 - 1 ) 、带式或链条式驱动无级变速箱( c v t ) 、自动化手动变速箱( a m t ) 以及双离合器变速箱( d c t ) ( 图1 2 ) 。g e t r a g 集团的两种新型自动化手动 变速箱a m t 4 5 2 4 5 3 投入生产，它们均提供了整体的a m t 优化变速箱系统，有 双鼓式换挡系统的电子机械启动设计，在奇偶数档独立启动时可显著降低扭矩 中断时间。无级变速箱带式或链条式驱动( c v t ) 在欧洲已有应用，并在日本 市场也已成功地立足，但无级变速的优势同时也导致了扭矩能力的限制和传动 效率的降低。大众公司的动力换挡变速箱( d s g ) 作为第一种双离合器变速箱， 在市场取得了巨大成功。在现有的变速箱系统中，a m t 和d c t w ( 浸油离合器 系统) 在新欧洲行驶工况标准范围内，a t 和c v t 则比m t 在低速时显示出更 明显的低燃料经济性。与d c t - w 相比，a t 较低效率以及相应速比的柔性化的 特点造成了燃料消耗和驾驶性能的不足。将液变扭器更换为湿式离合器的a t ( a t w ) 、使用无油双离合器的d c t ( d c t d ) ，可以使油耗进一步降低。恢 复、起步停车步骤、内燃机缩小化等方法，可使中档轿车实现新欧洲行驶工况 标准所要求的每公里c 0 2 排放小于1 0 0 9 。无级变速箱( c v t ) 的速比的柔性化 大于副轴式变速箱( m t ，a m t ，d c t ) ，但这种变速器内部所耗能量损失过大。 a m t 和d c t 可以通过软件来启动，因而不需要硬件的适配器。与a t 和c v t 相比，发动机不存在转速( 约7 0 0 0 r m i n ) 的限制，甚至可以超过9 0 0 0 r m i n 。对 于舒适性，c v t 、a t 6 7 以及d c t - w 处于领先位置；在成本上，c v t 和m t 则 标志着较高成本和较低成本，d c t 已广泛地出现在当前市场上，为将来的降低 成本提供了多种可能；从技术角度来说，d c t 可以被认为是a m t 发展的下一步。 由于未来混合动力市场份额的不确定性，对已有变速箱技术应用的联合使用将 十分重要。a m t 和d c t 为混合电力驱动的配置构建了一个绝佳的平台。柔性模 块整合混合动力( f m h ，中级或全混合) 综合了混合体系的灵活性和a m t 和 d c t 的速比柔和性以及最佳的传动效率等优点。与a t 和c v t 相比，加入电机 的投入相应较小。 4 武汉理j 大学博士学位论文 图1 - 1 本田奥德赛采用的5 a t图1 - 2 博格华纳d c t 不同档次的车都存在着相应匹配的技术，变速箱的多样化导致了不l 刊支术， 它们各有明显的优势和缺点。这些技术也给离合器行业的产品发展带来巨大的 变化。离合器行业为了适应发展制定了相应的技术发展目标，在产品方面，膜 片式离台器达到系列化生产，并形成自己的技术特色，其可靠性、寿命指标达 到和接近囤外同类产品的水平：研制大容量的重型离合器；加快波力变矩器t c 、 自调整离台器s a c 、大扭转角减振器l t d 、双质量飞轮d m f 等相关总成的研发 和生产技术研究( 图1 - 3 ) ：配合a m t 开发，行业内同步进行双离合器开发研究。 在设计方法方面，推广应用c a d 、c a p p 、c a e ，实现数字化、智能化设计系统。 在工艺技术方面，重点提高冲压自动化，使用机械人、机械手：广泛采用c n c 机加工设备：不断提高数字制造和柔性制造的应用；加快激光加工、电子柬焊 接、感应热处理、超声探测、钎焊、气液增力等工艺技术应用；采用可靠的自 动检测系统和在线检测统计分析技术。 图1 3 白调整离台器s a c 、液力变矩器a t 、双质量飞轮d m f 武汉理工大学博十学位论文 1 2 汽车传动系扭转振动分析及解决方案 车辆传动系统的振动是导致车辆振动的主要因素之一。由于轿车、客运车 市场、多用途车辆市场的发展，对车辆的平顺性要求愈来愈高。振动使客运车 辆的乘客因振动而产生不舒适的感觉；使驾驶者易疲劳而导致行车的不安全性； 使汽车零部件因振动过度磨损，降低了汽车的可靠性及使用寿命；甚至使汽车 的燃油性变差，等等上述因素，都可能是车辆传动系统的振动而引起的。汽车 运行的实践表明：汽车传动系有时会产生扭转共振，它主要是由活塞式内燃机 激发的。这种扭转振动对传动系的耐久性和运转噪声水平都有不良的影响。 汽车传动系中的扭转共振将加大传动系零件如轴、轴承、齿轮、壳体等的 载荷并引起附加的振动、提高车厢内的噪声水平。在汽车使用车速的范围内要 想消除共振，可以采用选择汽车传动系的质量和扭转刚度的办法。如果此法不 能实现则必须加装扭转减振器惟减小扭振的振幅。 为了用数学方法描述汽车传动系发生扭振的过程，应先研究其动态系统。 j 1 为发动机和离合器回转部 动惯量； j 2 为变速器、中央制动器、 传动轴转动惯量之半的当量 量： j 3 为万向节转动惯量之半与 器、差速器的当量转动惯量 j 4 、j 5 分别为驱动乍轮与整 质量的当量转动惯量。 c 1 c 4 为对应的扭转刚度。 。_ _ t 图1 4 汽车传动系的真实系统和当量系统简图 汽车传动系的前端与发动机相联，末端与驱动车轮相接并通过弹性轮胎与 汽车的平移质量联系了起来，如图1 4 所示的汽车传动系的真实系统，它是一个 6 武汉理一i ：人学博十学位论文 多质量弹性扭转振动系统。为了研究这一系统的固有频率和振型，可将此系统 简化成所示的汽车传动系的当量系统，它也是用图1 4 表示的汽车传动系无阻尼 自由扭振的力学模型。 这里所谓当量转动惯量，是指与曲轴不同速旋转的零部件的转动惯量换算 成与曲轴同速旋转条件下的转动惯量【2 1 。 扭转减振器是汽车离合器从动盘总成上的一个功能系统。其一方面作用是 利用它的弹性装置来缓和传动系转速急剧变化时产生的很大瞬时动载荷；另一 方面通过串联一个弹性阻尼装置，消除发动机构成的激振力矩与传动系统 固有振动所产生的扭转共振，大大改善汽车使用性能。但随着汽车舒适性要求 愈来愈高，广大司机反映汽车在怠速时产生较大的振动和噪声。所谓怠速一般 是指发动机在对外无功率输出的情况下以最低转速运转，此时混合气燃烧后所 作的功，只是用以克服发动机内部阻力，使发动机保持最低转速稳定运转，其 转速较低。 根据汽车理论，知道当传动系统的某一固有振动频率和激振转矩某谐量的频 率相重合时，就会产生扭转共振现象，而引进传动系的振动与噪声，使传动系 零件的应力大大增加。 由系统固有频率计算公式1 2 l 一 1 l2 t 口- - l k 垂减振弹簧刚度； ，。，：两个惯性园盘的转动惯量； 可知，要想发动机变速器振动系统的固有频率降低到怠速转速以下，避免在 怠速转速时的共振，只能降低k 中。 k m = 1 0 0 0 k z r ? k 一每个减振弹簧的线刚度( n m m ) ； 压一振弹簧的个数； r 1 减振弹簧位置半径( m ) 。 因为在从动盘结构中，减振弹簧位置半径r 1 如果较小，其转角巾又受到限 7 武汉理 大学博十学位论文 制；如降低减振弹簧刚度，就会增大转角，同时又难以保持所必须传递的发动 机最大扭矩t e m 缸。传统的扭转减振器由于受到这些约束难以消除汽车怠速时所 引起的振动和噪声。如何解决这个问题呢? 现简要介绍几种怠速扭转减振器， 看它们是如何解决汽车怠速时振动和噪声。 一、并联式怠速扭转减振器 如图1 5 所示，通过怠速减振盘1 与档圈2 之间的三个小弹簧3 起作用来完 成怠速工况下系统的功能。因为k 与r 降低，使降低，进而降低系统固有频 率f c ，使其到怠速转速以下，避免了在怠速转速时的共振。当汽车处于正常工作 状况下，花键毂4 与花键毂套5 齿面相结合，保证传递发动机最大扭矩的需要。 国内现使用的重型车较多采用此结构，如重汽集团s t e y r 车型，东风汽车集团 e q l l l 8 g 和e q l l 4 1 g 等车型。 l 怠速减振盘2 挡圈3 弹簧4 花键毂5 花键毂套 图1 5并联式怠速扭转减振器示意图 二、串联式怠速扭转减振器 如图1 - 6 所示，通过盘芯1 与盘2 之间的两个小弹簧3 发挥作用，来消除汽 车在怠速工况下的振动和噪声。当汽车在证常工况下，盘芯1 与盘2 齿面啮合 来满足传扭的需要。该结构也有几种变化形式，但基本原理一致，结构相差不 大。该结构与i 型相比，大大缩小轴向尺寸，减少零件数，更易制造，更便于进 行空间布置。现国内轿车较多采用此结构，如神龙9 8 8 等车型。 8 武汉理i ：大学博十学位论文 图1 - 6 串联式怠速扭转减振器示意图 三、阻尼式怠速扭转减振器 弹簧 阻尼式减振板 盘毅盘盘秘 图1 7 阻尼式怠速减振器部分示意图 如图1 7 所示，外面部分结构如串联式怠速扭转减振器，但罩面怠速部分有 两级减振弹簧，可满足不同结合工况振动频率的要求，尤其是采用阻尼式减振 板，在初始阶段( 5 0 0 0 k m 左右行驶里程) 由于其摩擦面比较粗糙，其动摩擦系 数大于静摩擦系数，产生阻尼，消除初始阶段的磨合带来的振动，随着逐步使 用，汽车各部件逐步磨合，性能逐步改善，而阻尼式减振板表面发生相对摩擦， 表面粗糙度下降，其动摩擦系数小于静摩擦系数，不产生相对旋转，不产生阻 尼。其原理是在从预减振到主减振一个大循环中，依靠摩擦力产生的扭矩使预 减振止动阻尼片内齿与盘毂盘内齿错开一个角度差，然后在扭转的进程中依靠 盘芯的外齿拨动预减振止动阻尼片的内齿产生的扭矩而使减振曲线产生跳跃， 9 一鲢 纽国牡 武汉理+ r 人学博士学位论文 而实现初始阶段较大的阻尼值。 四、双质量飞轮 汽车动力传动系的扭转振动和扭振噪声很早就引起了广泛的关注，装置于 离合器从动盘上的弹性阻尼式扭振减振器的应用使得传动系的扭振得到一定 的控制。但由于离合器从动盘式扭振减振器( c r d ) 固有的局限性，汽车动力 传动系在常用工况下的某个转速区域内仍存在发生扭振共振的可能性。近二十 年来出现了一类新型的扭振减振器双质量飞轮( d m f ) 型扭振减振器。它突 破了传统的离合器从动盘式扭振减振器的限制，大幅度地改变了减振器两侧 的转动惯量分配，降低了扭转刚度，增大了减振器的工作扭转角，从而把汽车 行驶工况下动力传动系的某些阶次的共振频率降低至怠速转速以下，并使怠速 工况的共振转速也进一步降低。 1 3 双质量飞轮d m f 扭转控制性能概述及发展应用现状 汽车在近百年的演变过程中，所有致力于传动系统的研究，无不想通过各 种方式来提高驾乘人员的舒适性，在当今以绿色排放和健康乘驾为主流的社会 阶段，人们对其要求更为严谨。 但由于大多数的驱动总成在1 0 0 0 转分到2 0 0 0 转分有一个固有频率，驾驶者 能听到齿轮的啮合声。随着低噪音、低振动、低粗暴性n v h 的趋势要求，如何 使发动机和整车的振动得到最大程度地减小，成为汽车离合器设计考虑的主要 性能指标。传统的离合器减振器性能上存在以下局限：在离合器从动盘上，盘毂 与从动盘摩擦片之间的可用空间有限，不能充分满足扭转减振器弹性元件、阻 尼元件布置上的要求，它不能使发动机变速器振动系统的固有频率降低到怠速 ( 空转) 转速以下，因此不能避免在怠速时的共振。传动系的振动研究导致了 双质量飞轮的开发，国外企业在1 9 8 9 年弧形弹簧的研制引起双质量飞轮工业化 的突破，并逐步引入板料冲压的双质量飞轮。由于其良好的舒适表现在欧洲得 到广泛的应用。双质量飞轮的主要优点如下：可降低发动机变速器振动系 统的固有频率，以避免在怠速的共振；可加大减振弹簧的位置半径，降低 减振弹簧刚度，并容许增大转角；由于双质量飞轮减振器的减振效果较好，于 是在变速器中可以采用粘度较低的齿轮油而不产生齿轮冲击噪声，并可以改善 冬季的换挡过程；抑制启动、停车时发动机产生的噪声；没有迫使驾驶员 提前换档的振动噪声；发动机全部转速范围内优良的减振性能，一流的驾驶舒 1 0 武汉理 ：人学博+ 学位论文 适性；减轻曲轴和变速器的负荷。 自从德国宝马汽车公司( b m w ) 于1 9 8 5 年首先研制出双质量飞轮减振器 系统，并用于装六缸柴油机的b m w 3 2 4 d 型轿车上，其减振降噪效果均优于从 动盘减振器。以后l u k 、s a c h s 等公司也先后研制成功。起初，使用无润滑减 振器，位于外侧的弹簧存在磨损问题。大约在1 9 8 7 年，第一个油脂润滑的双质 量飞轮开始使用，使用寿命不再存在问题。1 9 8 9 年双质量飞轮引入弧形弹簧是 一个突破，它马上解决了几乎所有的双质量飞轮的共振问题。另外，成本持续 下降。最早，首飞轮是铸钢或锻钢。后来l u k 的材料成形专家成功采用成形板 材零件解决了除第二飞轮的所有零件的成形问题。1 9 9 5 年开发了折叠的质量体 增加首飞轮的惯性矩。这奠定了双质量飞轮广泛应用的基础。这些集中力量解 决的细节导致双质量飞轮的急剧增长。板材零件的金属成形工艺在改进，在新 的设计中几乎不用机加工。另外通过有限元计算和优化材料选择也降低了成本。 由于曲轴螺钉孔位置( 轴承的内侧或外侧) 在大轴承和小轴承之间没有中间尺 寸。这取得了一大步，当然对许多顾客是困难的。另外，标准的结构系统在开 发，来适应对于单个双质量飞轮只是微小变化的不同客户，如弧形弹簧或磨擦 控制盘，用于不同发动机尺寸。另外一个成本降低的方法可以通过轴瓦完成， l u k 推荐轴瓦应尽可能设计最小直径。在曲轴螺栓孔位置安装轴瓦似乎是不可 缺少的，当离合器松开，整个分离力必须通过轴瓦支撑。与较大的磨擦半径结 合，摩擦力矩很大，它削弱了隔离。文献【3 2 0 介绍双质量飞轮功能及发展，文 献【1 6 】、【2 1 2 6 1 对双质量飞轮结构进行了分析，文献 2 7 3 2 对汽车及传动系工况 进行了分析，文献 3 3 3 6 进行了仿真分析研究。 现阶段，双质量飞轮减振器在国外高级轿车和多功能乘用车中已经部分使 用，如奥迪a 8 汽车配备双质量飞轮，用以降低震动及噪音；保时捷使用d u a l m a s s f l y w h e e l ( 双质量飞轮减振系统) 的设计来吸收缓冲巨大的扭力冲击，令动力没 有流失。由于双质量飞轮减振系统具有众多普通离合器无法比拟的性能优势， 现在国际上知名传动系统开发商正在进行大力推广应用，如德国l u k 公司双质 量飞轮年产量达4 0 0 万套，产品主销欧美地区，销售收入已达4 亿欧元。 国内一些大的汽车公司，已率先应用了双质量飞轮，上汽、一汽、奇瑞、 江淮已配装该产品，目前都是从国外进口，长丰s u v 、东风客车也有意使用双 质量飞轮，因此双质量飞轮在国内有着良好的市场和广阔的发展空间。目前国 内对于该技术国内还处于学术研究阶段，还没有该产品制造工艺技术，国内该 系列产品的应用全部通过进口解决。该部件技术含量高、加工难度大、性能指 武祝理l 大学博t 学位论文 标严格，在国际汽车零部件行业中，处于领先水平，而在国内尚属空白，也是 汽车工业的发展趋势，双质量飞轮系列产品可直接替换飞轮即可使用，让用户 使用更方便、性能更优越。双质量飞轮减振系统的开发成功将很好地解决汽车 降低震动及噪音问题，为企业目i 造显著的经济效益，提高企业竞争力。 国内学者做了大量工作，清华大学刘惟信教授在传动系振动分析上进行了 专门的研究，清华大学吕振华教授、陈涛和吉林大学刘圣团在产品结构和设计 计算进行了大量的工作，他们的工作基本上解决丁双质量e 轮的理论问题，华 中科技大学唐新蓬教授和三环离台器有限公司在弧形弹簧的设计和仿真也进行 了专门的研究，取得了一定成果。文献1 2 】、【3 7 4 6 】主要是关于汽车及传动系振 动方面的介绍，文献1 4 7 - 7 6 是研究双质量飞轮、扭转减振嚣、动力学仿真、结 构设计、动力传动系统数学模型等内容，文献、【7 7 、【7 8 】是关于振动分析的 研究。 从目前柬看，双质量飞轮主要有以下典型结构：取质量e 轮径向弹簧型扭 振减振器( d u a lm a s sf | y w h e e il l a d i a is p r i n g ，d m f - a s ) ( 图1 - 8 ) 、取质量飞轮周 向长螺旋弹簧型扭振减振器( d u a lm a s sf l y w h e e lc i r c u m f e r e n t i a ls p r i n g ，d m f - c s ) ( 图1 - 9 ) 、双质量飞轮周向短弹簧型扭振减振器( d u a lm a s sf l y w h e e l c i r c u m f e r e n t i a ls h o r ts 谢r i g , d m f c s s ) ( 罔1 - 1 0 ) ，取质量飞轮橡胶弹簧型扭振 减振器( d u a l m a s s f l y w h e e l 2 e l a s t o m e r ss pr i n g , d m f - e s ) ( 图1 - 1 1 ) 。由于当前双 质量飞轮周向长螺旋弹簧型扭振减振器在市场占主要份额，研究主要针对该类 型结构进行。 武汉理1 人学博= = 学位论文 图1 - 1 0d m f 4 s s s图1 1 1d m f - e s 131 双质量飞轮径向弹簧型扭振减振器 积质量飞轮径向弹簧型扭振减振器( d u a l m a s s f l y w h e e l r a d l a l s p 由g ， d m f - r s ) 的结构原理示意图如图1 - 8 所不，其减振弹簧为直弹簧，分组安装在由 减振器侧板、从动板组成的沿飞轮径向的弹簧室中，其侧板和从动板之间通过 两个传动销1 、2 分别与飞轮的第一、第二质量相联。当减振器不上作时，弹性 机构组件处于沿飞轮径向的初始位置：当飞轮受到转矩工作时其第一、第二质 量之间产生相对转角，而减振弹簧只产生简单的轴向压缩变形。图中用两个半 径不同的圆分别表示飞轮的第一、第二质量且只画出一组弹簧组件，图示位 置表示减振器处于工作状态，飞轮上作用有转矩t ，第一、第二质量之间产生相 对转角b ，减振弹簧产生压缩变形l 。图中，r 1 为第一质量传动销1 的半径，t 2 为第二质量传动销2 的半径。出于在d m f r s 型扭振减振器中，作为弹性元件 的几组直圆柱螺旋弹簧沿飞轮的径向靠置，使得d m f - r s 型减振器具有高度非 线性的扭转弹性特性，其扭转剐度随着传递转矩的增加而逐渐增大，这种理想 的硬非线性弹性特性是d m f - r s 型扭振减振器独有的优点，d m f - r s 型扭振减 振器还具有其弹性特性和阻尼特性比较稳定等诸多优点。 132 双质量飞轮周向长螺旋弹簧型扭振减振器 职质量飞轮周向长螺旋弹簧型扭振减振器( d u a lm a s sf l y w h e e l c i r c u m f e r e n t i a ls p r i n g ，d m f - c s ) 的结构如图1 - 9 所示，飞轮壳与法兰盘铆接