（机械设计及理论专业论文）dmf350双质量飞轮扭振减振器的计算机仿真分析.pdf

摘要 论文结合长春一东离合器公司，离合器总成的设计与研制基金项目，对汽车的双 质量飞轮离合器中的d m f 3 5 0 双质量飞轮式减振器进行了深入分析与研究，设计开发 了新的基于计算机通用有限元计算方法的汽车的双质量飞轮离合器的仿真试验技术。 提出了基于a n s y s 软件的汽车双质量离合器旋转疲劳破坏模拟试验方法。对双质 量飞轮离合器的减振盘的工作状态进行了仿真试验，求解出减振盘的变形尺寸、内应 力大小，找出减振盘总成零件疲劳破坏的薄弱环节，为从动盘结构尺寸及工艺参数的 设计提供理论依据。再结合a d m a s 软件的动态仿真，模拟出双质量飞轮各个时间段的 对应数值，平稳度来分析，得出最优化的设计理论。 本论文的研究成果为长春一东离合器公司提供了一种离合器仿真试验方法，补充 了传统设计模式( 新型号离合器通过经验、试制而后反复修改) 的不足，减少了试制 次数，提高了生产效率，为公司新产品开发与制造提供了技术支撑。 关键字：离合器力学分析计算机仿真 a bs t r a c t p a p e r sc h a n g c h u ny i d o n gc l u t c hc o m b i n e dc o m p a n y , d u t c ha s s e m b l yd e s i g na n d d e v e l o p m e n tf u n dp r o j e c t s ，y i d o n gf o rt h ec o m p a n y sn e wp r o d u c t sc a nq u i c k l yd e s i g n ， r a p i dd e v e l o p m e n t ，r a p i d - t o - m a r k e ts t r a t e g yf o rt h ep r a c t - i e a ln e e d s 。o f t h ee n t e r p r i s e ，t h e q u a l i t yo ft h ef l y w h e e lt od m f 3 5 0d o u b l e - d a m p i n gd e v i c e ，f o re x a m p l e ，o nt h eq u a l i t yo f t h ef l y w h e e lc l u t c ht w o - c a rs i m u l a t i o nc o n d u c t e di n d e p t ha n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，d e s i g na n d d e v e l o p m e n to fn e wc o m p u t e r - b a s e df i n i t ee l e m e n tm e t h o do fc a l c u l a t i n gt h et w o c a r q u a l i t yo ft h ef l y w h e e lc l u t c hs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y a n s y ss o f t w a r eb a s e do nt h eq u a l i t yo fc l u t c ht w o c a rs p i nf a t i g u ed a m a g es i m u l a t i o n m e t h o d s d u a l - d u t c hf l y w h e e lo nt h eq u a l i t yo ft h ew o r ko ft h ep l a t ev i b r a t i o ns t a t eo ft h e s i m u l a t i o nt e s t t os o l v et h ev i b r a t i o no ft h ed e f o r m a t i o np l a t e s i z e ，t h es i z e o fs t r e s s ， v i b r a t i o np l a t ea s s e m b l yp a n st of i n df a t i g u ed a m a g et ot h ew e a kl i n k s ，a st h ed f v e n p l a t e s i z ea n dt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h ed e s i g nt h e o r y a d m a sc o m b i n e dw i t ht h ed y n a m i c s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，ad u a l m a s sf l y w h e e ls i m u l a t i o no fv a r i o u st i m ep e r i o d sc o r r e s p o n dt o t h ev a l u e s ，d e g r e eo fs t a b i l i t yt oa n a l y s i st oo p t i m i z et h ed e s i g nt h e o r y i nt h i sp a p e gt h er e s u l t so fr e s e a r c hf o rt h ec h a n g c h u ny i d o n gc l u t c hc o m p a n y p r o v i d e sac l u t c hs i m u l a t i o nm e t h o d st os u p p l e m e n tt h et r a d i t i o n a lm o d e lo ft h ed e s i g n ( c l u t c ho fn e wm o d e l st h r o u g he x p e r i e n c e ，t r i a la n dt h e nr e v i s e da g a i n ) l e s st h a nt h e d e c r e a s eo ft h en u m b e ro ft r i a l p r o d u c t i o n ，i n c r e a s e dp r o d u c t i v i t y , f o rn e wp r o d u c t d e v e l o p m e n ta n dm a n u f a c t u r i n gt op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r t k e y w o r d s ：c l u t c h m e c h a n i c a la n a l y s i s c o m p u t e rs i m u l a t i o n 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，d m f 3 5 0 双质量飞轮扭振减振器 的计算机仿真分析是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：适心垒! 年三月丑日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：亟氐复、年三月丑日 指导导师签名：年互月l _ ze l 第一章绪论弟一旱珀比 论文结合长春一汽东光离合器厂的离合器总成设计和研制的基金项目，来分析与 研究。我们知道，随着汽车行业的高速发展，人们对汽车的舒适性需求也随之加大， 再加上产品研发周期性的缩短，使得我们对产品的研发提出了更高的设计要求。我们 也熟知引起汽车振动的振源主要有两方面，一是路面二是发动机工作所产生的。来自 路面振动我们可以通过施工手段加以缓解，因此发动机的振动成为汽车振动的主要来 源，如何使发动机和整车的振动得到最大程度上的减小，成为汽车离合器设计考虑的 主要性能指标，也随之带来更多的学术与技术上的要求。机械的仿真设计近年来越来 越受到国内外研究人员的重视与关注。国内外对此都进行了广泛而深入的研究，取得 了一系列具有理论和实际意义的结果，下面我们来了解国内外对双质量飞轮的研究情 况和计算机仿真技术的运用。 1 1 国内外研究现状 在汽车领域，汽车动力传动系统是一个多自由度的扭转振动系统，它其扭振型式 和传递方式以及其振动形式的耦合都非常复杂，难以解决，以至成为汽车振动和噪声 的主要来源之一“。在该系统在激励的作用条件下，就会产生扭振，从而产生不可避 免的扭振噪声，当激励频率与系统的固有频率重合时，将会出现严重的共振现象，汽 车传动系的扭振会产生很大的危害性，它会导致齿轮传动装置产生不良的噪声，并与 整车横向振动、传动系弯曲振动和驱动桥悬架系扭曲振动等互相耦合，产生复杂、结 构振动和车内噪声，致使汽车机件损坏，乘座舒适性要求下降。在控制汽车传动系统 的扭振和扭振噪声问题方面，现代汽车制造中广泛采用的是离合器从动式扭振减振器， 随着汽车工业的高速发展和人们生活水平的不断提高，对整车的舒适性要求提出了更 高的要求2 卜5 1 。因此就要求在发动机与传动系间设置扭振减振器对于消除汽车传动系 的主要低频扭振和降低变速器乃至主减器的齿轮噪声都是非常有效的，因此它早就成 为汽车传动系必不可少的一个重要组成部分。 1 1 1 离合器从动盘式扭振减振器发展概况 离合器从动盘式扭振减振器是置于离合器从动盘中的弹性阻尼式扭振减振器，其 功能作用是在汽车动力传动系中置入一个低刚度环节，并加入阻尼元件，以改变传动 系原有的各阶固有频率，从而达到隔离汽车发动机激励而控制传动系扭振的目的“1 。 锄a 1 0 0 1 1 - 1 0 1 1 1 1 e n g i n ei d l e i ij-i _ 斜! iki零 kj q 、! 、i刊 、 弋；州” 翟 1 j n 上 l i m e s 】 t i m e s l w i t h o u tt o r s i o nv i b r a t i o nd a m p e r w i t ht o r s i o nv i b r a t i o nd a m p e r 图1 1 不带扭转减振器与带有扭转减振器减振效果对比 我们知道，为了适应对汽车动力传动系统扭振和扭振所还带来的噪声控制的更高 要求，离合器从动盘式扭振减振器也由早期的单级线性型式发展到多级非线性型式， 而且各种新颖结构型式不断出现，其功能也在逐渐改进，更加完善，趋于成熟。当代 汽车离合器从动盘式扭振减振器已具有多种功能： a 制造中，我们在发动机与传动系的接合部分引入一个低刚度环节，降低了接合 部位的刚度条件，从而调节了动力传动系统的扭振固有特性，把主要的低阶共振临界 转速移出常用车速范围。 b 设计过程中，阻尼器增加了传动系统的扭振阻尼，可以达到有效地吸收振动能 量，减少扭振共振响应振幅，而且衰减因冲击而产生的瞬态扭振，改善了离合器接合平 顺性并易于设计成为非线性弹性特性。 c 控制汽车动力总成怠速时离合器变速器轴系的扭振，消减变速器怠速噪声，另 外还可以消减传动系在小转矩负荷下工作( 包括减振滑行) 时的主减速器与变速器的 扭振与噪声。 d 为了缓合非稳定工况下( 如快速接合离合器起步和紧急制动) 传动系的受扭振 冲击载荷和改善离合器的接合平顺性。离合器从动盘式扭振减振器的构造是达到功能 相吻合而设计和改善的，为了实现其a 、b 项功能，要求其扭转刚度应能适其当减小 而且阻尼应较大；而为实现其c 项功能，则要求其刚度和阻尼很小时；但为实现其功 能d ，又要求其极限工作扭矩应足够大，因而要求较大的扭转刚度。以上这些相互矛 盾的要求表明，简单的单级式线性扭振减振器不能满足上述多功能的要求，因此，国 内外各种汽车已广泛采用多级式非线性扭振减振器 卜1 ”。 由于离合器从动盘式扭振减振器在汽车动力传动系统扭振控制中起着不可缺少的 作用，因此对其研究受到广泛的重视，研究的主要内容包括： a ) 减振器设计方法的研究； b ) 减振器各性能参数的变化对汽车动力传动系统扭振和扭振噪声的影响规律； c 、减振器制造工艺的改进等方面。 随着科技的发展，现代汽车的离合器从动盘式扭振减振器的功能不断完善，新结 构、新工艺不断涌现，其中为提高减振器性能而采取的如下几方面的结构改进： 1 ) 加大减振器极限工作扭角的结构改进措施； 2 ) 改善摩擦阻尼特性的结构改进； 3 ) 实现扭振减振器各级之间平滑过渡的结构改进； 4 ) 怠速减振级的结构改进措施。 由于制造与工艺上的操作方便性和操作可行性，目前应用最多的是两级、三级弹 簧。分级是在结构设计时使几组弹簧按照一定的转角间隔顺次地进入工作状态而实现 的。如图1 2 所示( 长春一汽东光离合器股份有限公司) 减振带预减振型式的巾2 4 0 离 合器，转角可达1 9 度，传扭近4 0 0 n m 离合器。 图1 2 带预减振系统的离合器从动盘式扭振减振器 1 ：主减振弹簧i ；2 ：主减振弹簧i i ；3 ：弹簧座；4 ：主减振弹簧m ；9 ：内盘毂总成；1 0 ：碟形垫圈；1 1 ：摩擦垫 片：1 2 ；阻尼片i ；1 4 ：摩擦垫片 下图1 3 a 及图1 3 b 所示为图1 2 离合器的扭矩变形曲线及轴向压紧力变形 曲线。 3 & 9 ”匹 蕾料灌 聱： ，。量。一5 d 1 1 1 t g m 1 删- o n 黯- 。_ 2 1 w 州2 x 融m 1 ”w h ” i mn q ，( m 。 ，3 - 5 “1 * 叩f 缸叭m ) 1 。 # j s 一1 4 5 w 4 耐 d h 神加 咄4 t 口芦f 帅州 图13 a 扭矩变形曲线图13 b 轴向压紧力变形曲线 与上图比较可以看出，如f 图示卜4 所示为l u k 公司生产的从动盘式扭振减振 器变刚度设计，最大转角4 0 度最大传扭3 0 0 n m ，也同样采用多级减振弹簧及预 减振形式。 图1 , 4 l u k 公司从动盘总成产品 因此采用两级、三级弹簧，分级是在结构设计时使几组弹簧按照一定的转角曰隔 有顺次的进入t 作：敷态，来实现扭转减振的有效目的。 2 双质量飞轮式扭振减振器出现的背景 从汽车的出现，科技的发展，人们对舒适| 生要求越来越高。因此时离合器从动盘 式担振减振器的性能要求也不断提高。然而对离合器从动盘式扭振减振器的设计和 改进往往受限于离台器从动盘上的有限空间，难以工盘到对汽午动力传动系扭振投扭 振减噪控制的较高要求“”。在实际应用中也证明了离台器从动盘式扭振减振器存在 若烂严重弱点这主要表现在如f 几个方面： ( 1 ) 升：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 不能避免在患速转速的共振所带来的噪声危害。在笈动机实用转速范围 n 1 0 0 0 2 0 0 0 r m in ( 帽当于常片j 车速范围，此时发动机转矩约为最大转矩的8 0 一9 0 ) 内难以通过降低减振弹簧目崾k 以达到更大的减振效果。因为在从动盘结构中，减 振弹簧位置半径r l 较小其转角巾又受到限制( 最大约为1 2 9 一l j 。) ，如降低减振 弹簧刚度，就会增大转角并难以确保允许传递的转矩容量t e m a x 。 ( 2 ) 由于受结构空间限制，不能充分满足扭振减振器弹性元件、阻尼件布置要求，减 振器弹性元件设计尺寸小、剐度大、工作环境差，致使喊振器在使用过程中经常出现 弹簧断裂事故和弹簧松动失教等现象。 近年来载重汽车和客车趋于大型化随着发动机的大功率化总传动比的减小以 及超载情况的增多，增大了离舍器的热负荷和扭矩负荷离合器的使用条件日酷一日。 重型汽车的使用条件相当恶劣，尤其是自卸车多在山地和无路地带行驶，起步和换挡 次数非常频繁。为了提高整车及离舍器的使用寿命，彻底解决传动系扭振和噪声问题， 离合器从动盘式扭振减振器已经没有多少潜力，需要寻找新的解决途径。 3 双质量飞轮式扭振减振器的结构及性能 顿质量飞轮装置是喊小汽车动力传动系统扭转振动的一个十分有效的装置，是2 0 世纪8 0 年代中期出现的一种新式汽车动力传动系扭振减振器早期的双质量b 轮式 扭摄减振器基本上沿用了离台器从动盘式扭振减振器的结构，简单地说，是将扭振减 振器从离合器从动盘中取出，然后将其布置到发动机飞轮上，而形成双质量飞轮式扭 振减振器，使得发动机飞轮具有多种功能，即不但具有其原来的功能而且还具有扭 振减振器的功能可利用其质量和刚度的变化来调节传动系的扭振固有特性，并利用 其阻尼来衰减系统的振动幅值“”。 22 1 。 图i5 所示为双质量飞轮与原飞轮比较图： 图i5 a 单质量e 轮图i5 b 叔埔曩e 轮 双质量飞轮式扭振减振器先后在德国、闩本、法国、美国等国发明并获得应用的 一种新式汽车动力传动系扭振控制装置，其优良的性能已在大量试验研宄和实际应用 中得到证实。 例如装备这种减振器的德国b m w3 2 4 d 汽车曾被称之为“世界上最安静的柴油车”。 它能在很大程度地隔绝通往整个传动系的发动机转速不均匀，扭转振动和冲击，大幅 度地提高传动系的寿命和降低传动系的噪声。 双质量飞轮减振器功能是用以代替发动机飞轮，同时由于装有减振弹簧可以起到 原有飞轮不能起到的减振、降噪作用，同时使得离合器从动盘总成中没有减振器，从 而换档容易，其适用于转矩变化大的柴油汽车中。目前仅德国l u k 公司及世界各太汽 车公司，包括a u d i 、b 删、d a i m l e r c h r y s l e r 、v w 、f o r d 、p e u g e o t 、p a r s c h e 、r e n a u ll 和t o y o t a 等供应该种类型减振器，国内已有a u d i a b 、p a s s a t b 5 、等车型采用，在 国外、l e r c e d e s 、m a n 等大型公共汽车都已采用双质量飞轮技术“”。 暇质量飞轮式扭振减振器的基本结构有三大部分，即第一质量( 第一飞轮) 第二 质量( 第二飞轮) 和两质量之间的减振器。第一质量与发动机曲轴输出端法兰盘相联 接，第二质量通过一个轴承安装在第一质量上，第二质量与离合器壳相连接。第一、 第二质量之间可以有相对转动，它们之间通过减振器相连。如下图所示为双质量飞轮 扭振减振器( 16 a 图) 与离合器从动盘式扭振减振器( 16 b 图) 结构比较示意图： 瞄l6 a 取质量飞轮与曲轴、离台器联接结构图16 b 单质量屯轮与曲轴、离台器 示意图结掏示意图 圈( i7 ) 所示为双质量式扭振减振器的工作原理示意图，当发动机转矩变化时 臧振器段阻尼装置开始工作，使换挡轻便及减小斐速嚣齿轮的磨损。 下图 图1 8 职质量飞轮式扭振器典型结构示意图 下囝1 9 所示的是对单独安装有传统减振器与装有双质量飞轮式减振器减振4 档 变速器减振性能对比： t i o n e m 丑吨 吨酽且喵昏吨酽 图l9 对装有传统减振器与装宵积质量飞轮式减振器减振性能对比图 从图中可以看到，发动机输出的振动经双质量飞轮减振后到达变速箱时 已夫幅度下降， f 图1l o 所示为装有传统铸造e 轮和从动盘式扭振减振器( 上目所示 ，振幅 与装有 垫l】皋寻【dq善毛10主吾写 双质量飞轮式扭振减振器的发动机( 下图所示) 与变速箱扭转振动的测试，结果表明 装有双质量飞轮式扭振减振器能有效地减小低频振动。 _ 砷4 1 1 憎t q 恻m 荆一，叠 薯m 哺 o 骨 p i g 4 w 囊酶卿内硪鲈甜赢 甾， l n 鸳， 棒to ，t | 甘t a ，粕件i l l i f l iv 缸，t w a 1 f t 譬t h 坤付，t h 口n 叠r a _ 静口t 蝌矗e ，0i r f 囊 图1 1 0 装有从动盘式减振器与装有双质量 飞轮式减振器减振效果对比 1 1 4 双质量飞轮的结构类型 由于双质量飞轮减振器的卓越的减振性能，世界各大汽车公司纷纷积极投入进行 研究并先后开发出不同的双质量飞轮式扭振减振器，并成功地应用于多种车型，特别 是用于大功率柴油车发展到用于汽油车、大客车、中低档轿车上。双质量飞轮式扭振 减振器产品也由原来的单一的、简单的机械干摩擦式发展到液力阻尼式等等形成了众 多的结构型式及在此基础上的进一步改进型式2 5 1 - 2 9 1 1 、z f 双质量飞轮 行星齿轮式双质量飞轮在可能做到的最大直径处装置了几组常规螺旋减振弹簧， 弹簧受力压缩时，弹簧套和塑料滑块接触而改变弹簧刚度，使减振特性完全被压缩。 总之，相对于传统离合器，行星双质量飞轮主要有以下优点： 显著改善车辆在启动和停车时的噪音 车辆可以在更低的转速下运行，从而减少了燃油消耗 由于从动盘没有扭转减振器，换档更平稳 使用寿命更长 外形尺寸要小于传统离合器 8 w 审- 图11 2 弧形弹簧双质量飞轮 3 、e x e d y 双质量飞轮直弹簧式如图l _ 1 3 所示： 直弹簧式由于长度短，易制造，工艺性好。 成功，也足双质量 压弹簧组件。由于液压弹簧组件可起弹簧和阻尼作用，将该组件装于飞轮总成第一质 量和第二质量之间，发动机工作时将连杆拉出，并且液压弹簧组件的两个铰接点在 个圆周上可绕饺接点在一个圆周上可绕铰接轴转动，但这只是在理论上进行探讨，实 际中采用液压组件结构布置与封油都是难以实现的。 图i1 5 液压弹簧组件 1 ：齿日：2 ：第一质量：3 ：弹簧组件4 ：第= 质嚣：j ：轴m 2 、径向弹簧型扭撮减振器，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，其侧动和从动板通过两个传动销分别与飞轮的第 一、第二质量相连。当飞轮受到转矩的作用时，其第一、第二质量之问产生相对转角、 减振弹簧产生轴向压缩变形。 3 、采用板结簧式结构一国内专利。变刚度设计，最大转角叮达8 0 度，传扭可达 1 7 0 0 n m ，配装4 3 0 离合器总成。 圈l1 6 板结簧式 当第一飞轮转动时，带动滑块沿第二质量上桃核形运动同时推动板簧，达到力 矩平_ = 舞时板簧停止变形，带动第二质量两第一质量转动从而输出扭矩。由于第一 赝与；_ 与菊- 二质量较薄，冲压件无法实现，采用铸钢件变形量大，堆l l 保证质量要求 此结确批量化生产难以达到。 压弹簧组件。由于液压弹簧组件可起弹簧和阻尼作用，将该组件装于飞轮总成第一质 量和第二质量之间，发动机工作时将连杆拉出，并且液压弹簧组件的两个铰接点在 个圆周上可绕饺接点在一个圆周上可绕铰接轴转动，但这只是在理论上进行探讨，实 际中采用液压组件结构布置与封油都是难以实现的。 图i1 5 液压弹簧组件 1 ：齿日：2 ：第一质量：3 ：弹簧组件4 ：第= 质嚣：j ：轴m 2 、径向弹簧型扭撮减振器，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，其侧动和从动板通过两个传动销分别与飞轮的第 一、第二质量相连。当飞轮受到转矩的作用时，其第一、第二质量之问产生相对转角、 减振弹簧产生轴向压缩变形。 3 、采用板结簧式结构一国内专利。变刚度设计，最大转角叮达8 0 度，传扭可达 1 7 0 0 n m ，配装4 3 0 离合器总成。 圈l1 6 板结簧式 当第一飞轮转动时，带动滑块沿第二质量上桃核形运动同时推动板簧，达到力 矩平_ = 舞时板簧停止变形，带动第二质量两第一质量转动从而输出扭矩。由于第一 赝与；_ 与菊- 二质量较薄，冲压件无法实现，采用铸钢件变形量大，堆l l 保证质量要求 此结确批量化生产难以达到。 4 、泵式离合器国内专利产品离台器总成与飞轮为一体，采用齿轮泵油原理及 偏心齿轮结构很新颖，具有e 1 新性；但设计起来较复杂，需要考虑的因索也很多( 如 密封、容裉效率等) ，同时零件的加工难度大，而且内齿轮泵不适合压力高的场合使用 ( 欧美发达国家设计的内齿轮泵的最大压力不超过2 5 m p a ) ，因为压力图卜l7 装捷逑轿 车的泵制式离台器越高，轴承所受的力越大，产生的噪音也大，且寿命短。同时，压 力越高，内泄漏越大，效率越低，发动机曲轴与变速器输入轴转速差也越大a 下图所 示为泵式离舍器两主要零件： 图l 17 装捷选轿车的泵制式离台器 图l1 9 泵制式离合嚣壳体 1 1 5 计算机仿真技术的应用与实现 科技发不断发展，其计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其 相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。计算 机仿真( 模拟) 早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。 其原理可追溯到1 7 7 3 年法国自然学家g l l b u f f o n 为估计圆周率值所进行的物理实 验。根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、 模拟数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。2 0 世纪5 0 年代计算机仿真主要采用 模拟机：6 0 年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大 规模复杂系统对仿真时限的要求；到了7 0 年代模拟一数字混合机曾一度应用于飞行仿 真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；8 0 年代后由于并行处理技术的 发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。现在，计算机仿真技术已经在机械制造、 航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领 域得到了广泛的应用。 1 1 5 1 计算机仿真在复杂机械加工过程研究方面的应用 日前，各种技术日趋成熟，机械加工过程，是机械行业进行生产的基础。利用计 算机仿真，有助于发现其机理，为提高机械加工性能提供理论支持。如磨削方面，吉 林大学的王龙山教授等提出了依赖于时间变化的描述磨削过程的各个数学模型，通过 计算机模拟可以预测和估计磨削行为和磨削质量、为磨削过程优化、智能控制、虚拟 磨削创造了必要的前提。李国发博士等研究了变进给磨削过程磨削功率的模型，利用 计算机仿真得到h p - 匕v 够应用于实际磨削过程的最佳磨削方案。还有山东大学机械工程学 院的王霖等研究了磨削温度场的计算机仿真系统，实现了对磨削温度场的预测及优化， 为研究各加工参数对磨削温度场的影响提供了理论依据。铣削方面，同济大学机械工 程系的李沪曾教授等建立了多齿端铣切削过程动力学模型，开发了切削振动仿真的微 机通用软件，采用数字仿真方法研究了平面端铣切削振动的原理和条件。佳木斯大学 的任福君教授等研究了电火花切割多轴加工复杂曲面的计算机图形仿真技术。上海交 通大学的楼乐明博士等建立了电火花加工的工艺仿真系统，实现了加工效果的预测、 加工参数的优化。挤压成型方面。上海交通大学的储灿东博士建立了连续挤压的计算 机仿真模型，并通过模拟实验得出了连续挤压全过程的应力场、应变场和温度场。 1 1 5 2 计算机仿真在汽车制造研究方面的应用 汽车制造是机械行业的一个重要组成部分，它有很多实验课题，难度大、实验成 本高，计算机仿真技术的引入，有效的缓解了这一方面的问题。如发动机方面，装甲 兵工程学院机械系的毕小平教授等建立了多缸柴油机起动过程的计算机仿真模型，其 仿真结果与实际测量值比较吻合，可用于多缸柴油机的起动性能仿真。江苏理工大学 的蔡忆昔实现了对进气管内气体流动的动态仿真，直观描述了瞬态过程，为多缸发动 机换气过程的研究提供了有效的方法。汽车流场方面，华东理工大学信息学院的吕明 1 3 忠博士等成功的模拟出了汽车尾流场的气流分离和拖曳涡流现象，建立了两种车型的 汽车外流场空气动力学模型，并进行了仿真实验，取得了满意结果。碰撞实验方面， 浙江大学动力机械及车辆工程研究所的詹樟松博士根据汽车碰撞的事故形态与乘员伤 害之间的规律，建立了乘员动力学响应的数学模型，并开发出了相应的仿真软件，该 系统可部分代替实车碰撞实验进行汽车被动安全性能的研究。其他方面，例如，汽车 工程学院的熊坚对汽车的制动过程进行了仿真研究，长春一汽大众汽车有限公司的姚 革等通过仿真研究了汽车转向的轻便性问题等。 1 1 5 3 计算机仿真在齿轮设计方面的应用 齿轮是机械产品的主要基础部件，对其进行仿真研究具有重要意义，很多的科研 工作者在这方面做了相关的研究。如太原理工大学的庞桂兵等采用v i s u a ll i s p 语言 从几何角度讨论了任意端面齿形的齿轮建模及其传动仿真，山东矿业学院的张广军等 利用计算机仿真研究了圆弧针齿行星传动的动力学问题，南京航空航天大学机电工程 学院的曾英等通过计算机仿真探讨了主动齿轮与刀具齿数差、齿数比、模数等主要参 数对正交面齿轮传动接触点的影响。计算机仿真在齿轮泵的齿轮的设计与制造中，也 有着重要的应用。 1 1 5 4 计算机仿真在故障诊断方面的应用 故障诊断是机械研究中的一个重要领域，以往的研究主要是对经验案例的汇集和 小规模的工况模拟实验，其局限性较大。计算机仿真技术的介入，使我们提高了故障 机理研究、故障定量分析和对故障进行预测和诊断的能力。北京机械工业学院机械工 程系的张胜等利用计算机仿真的方法计算了不平衡转子上关键点的振动烈度，与试验 台测试数据基本一致，为进一步对旋转机械故障作精确诊断奠定了基础。福建农业大 学机电工程系的黄键教授用计算机仿真代替故障定位法来对电喷发动机进行故障诊 断，取得了良好的效果。 1 1 5 5 计算机仿真在疲劳寿命判断方面的应用 在机械的元件运行中，机械本身的疲劳性问题的产生是不可避免。为了研究疲劳 问题，往往要做大量的疲劳实验，这不仅耗时、耗费人力、物力，而且对于有些复杂 的问题，目前还无法在试验机上实现。计算机仿真技术为解决这一问题提供了新的疲 劳试验研究途径。东北大学机械工程与自动化学院的王雷博士等利用调质4 5 钢的单轴 试验数据和正火4 5 钢的多轴拉扭试验数据建立的仿真模型，能够比较精确的预测单轴 疲劳和多轴疲劳的寿命。郭浩等将随机离散仿真方法运用于模拟材料性能变化的全过 程，通过仿真统计出其寿命的分布，预测精度较高。武汉科技大学的郭宏等利用线性 相关原理实现了机械零件寿命判定的计算机仿真，这种方法计算工作量较小，判定准 确性较高。 1 4 1 2 问题的提出 双质量飞轮减振器功能是用以代替发动机飞轮，同时由于装有减振弹簧可以起到 原有飞轮不能起到的减振、降噪作用，同时使得离合器从动盘总成中没有减振器，从 而换档容易，尤其适用于转矩变化大的柴油汽车中。双质量飞轮的开发和应用对解决 汽车的振动问题起到了积极的推动作用。该部件技术含量高、加工难度大、性能指标 严格，在国际汽车零部件行业中，处于领先水平，是汽车工业的发展趋势。双质量飞 轮设计制造在国外已是成熟技术，在国内尽管有一些汽车公司和大学开展了研究，但 还没有投入生产。国内一些装备有双质量飞轮扭振减振器的中高档轿车( 如a u d i a 6 等) ， 使用的都是进口产品，在当前产品的市场寿命周期不断缩短，要求企业不断推出新产 品，提高设计、开发、制造能力的今天，为了确保企业市场竞争力，增强企业实力， 寻求新的利润增长点，国内准备开发的双质量飞轮系列产品，根据我国现有实际情况 及我公司生产离合器产品的优势，可尽量利用原有飞轮空间结构，可直接替换飞轮即 可使用，让用户使用更方便、性能更优越，也是企业对技术创新的有益补充和完善。 1 3 本文的研究内容 研究内容如下： l 、通过实际开发设计与制造来完成d m f 3 5 0 双质量飞轮减振器。 2 、对d m f 3 5 0 双质量飞轮减振器进行计算机仿真。 3 、通过计算机仿真得出的数据，再结合实际的工程实验来对比双质量飞轮d m f 3 5 0 离合器理论数据与实际数据。 4 、通过对比得出结论，来制定制造工艺性及采用新工艺，新方法对双质量飞轮实 际制造及企业进行批量化生产有实际意义。根据发展目标及市场需求情况，决定开发 与研究d m f 3 5 0 双质量飞轮总成，确定所配发动机型号：c a 4 1 l o 1 2 5 z l l ，发动机最 大传递扭矩转速：5 8 0 n m 1 4 0 0 r p m ，飞轮厚度空间尺寸：3 8 m m 离合器：采用d s 3 5 0 。 1 5 第二章双质量飞轮结构性能与动力学分析 2 1 双质量飞轮结构与性能 我们知道，传统意义上的离合器从动盘式扭振减振器是在离合器从动盘总成中特 设了一个扭振减振器，其中离合器中的减振器是由弹性元件和阻尼元件组成，而双质 量飞轮减振器主要由以下三部分所构成：第一飞轮( 第一质量) 、第二飞轮( 第二质量) 与两飞轮( 质量) 间的扭振减振器。第一飞轮与汽车的发动机曲轴输出端曲轴相连接， 第二飞轮通过轴承安装在第一飞轮上，而第二飞轮与离合器相连，第一和第二飞轮之 间可以有相对运动，而且两飞轮间通过减振器相互连接，初级飞轮i 与轴承座以螺栓 与之和曲轴连接，通过运动过程中，减振弹簧带动减振盘( 减振盘与二级飞轮连接) ， 从而将汽车发动机动力经减振后传至二级飞轮再传至离合器中，由于减振器移植到双 质量买办中，因此从动盘中没有减振器的设计装置。设计初时，初级飞轮分总成与二 级飞轮转动惯量之比接近于1 ，而且由于在设计中减振弹簧分布半径较大，可选用刚度 较低的减振弹簧来实现较大的扭振转角，( 扭振转角是原结构十倍以上) 于是可将发动 机变速器振动系统的固有频率大大降低伽。 双质量飞轮式扭振减振器隔振的实质是在汽车发动机这个传动系的主要扭振激励 源后面加了一个机械式的低通滤波器，将其扭振激励的高频成分滤去，以免高频激励 与传动系的某阶固有频率重合而发生共振工况，产生不利影响，从而使正常行驶车速 范围内没有共振发生，较之离合器从动盘式扭振减振器，双质量飞轮式扭振减振器有 其以下的主要优点3 ： a ) 在汽车发动机工作时，有效的可降低汽车发动机变速器振动系统的固有频率，以避 免在怠速时发生的共振现象。 b ) 在整车设计实验中，通过修改质量、刚度、阻尼，实现对汽车动力传动系扭振的综 合控制，在汽车的各种行驶工况下都具有优良的减振隔振效果。 c ) 为了寻求最优化产品设计，设计中克服了离合器从动盘式扭振减振器的缺点和不 足，加大了减振弹簧的分布半径，降低减振弹簧扭转刚度，并且增大扭振转角，提 高了减振性能和隔振性能。 d ) 由于双质量飞轮减振器的减振效果明显，于是在汽车变速器中可以采用粘度较低的 齿轮油，其不会产生齿轮冲击噪声，并可以改善冬季的换挡过程的顺畅度。而离合 器从动盘总成取消减振器，因此其转动惯量小，换档更其容易。 e ) 抑制启动或停车时发动机产生的噪声。 f ) 没有迫使驾驶员提前换档的振动噪声。 g ) 在汽车发动机全部转速范围内表现其优良的减振性能。 h ) 使其汽车传动系统各部件的使用寿命加长，提高了传动系传动效率，与液力传动系 1 6 统相比，没有明显的能量损失，相反，会减小汽车的燃料消耗量，提高经济性。 i ) 在沿用离合器从动盘式扭振减振器的结构及设计、制造方法过程中，虽然成本较传 统的离合器从动盘式扭振减振器略高，但从性能和价格比较看，双质量飞轮扭振减 振器具有显著的优越性能。 2 2 双质量飞轮性能的动力学分析 2 2 1 初步汽车动力传动系统受迫振动模拟计算 研究汽车动力传动系统在受迫振动时动态响应的重要手段是其汽车动力传动系统 受迫振动模拟计算，也是预测汽车动力传动系统在引入双质量飞轮式扭振减振器后系 统动态响应的基本手段，与此同时也是实现汽车动力传动系统扭振减振器优化设计的 一个重要环节，也是汽车动力传动系统扭振分析不可缺少的重要部分之一。 由上述我们可知道，汽车动力传动系受迫振动模拟计算的过程是：首先依据建模 原则建立实际汽车动力传动系统受迫振动的当量力学模型，其次是确定模型中的基本 参数，其中包括其质量、刚度、阻尼和激励，再次是列微分方程组，求出各单元的动 态响j 立。 本文所设计双质量飞轮扭振减振器是为c a 4 1 1 0 z l l 2 5 发动机配套的产品，由于汽 车动力传动系统的质量和弹性分布很不均匀和很不一致性，因此在进行扭振分析时我 们应采用多自由度集中质量、弹性、阻尼的离散化分析模型，经过长期的研究和实践， 我们总结出了确定汽车动力传动系统的当量力学模型中的质量、刚度、阻尼的一般原 则。本文以c a l 0 8 2 国产中型货车为研究对象，依据建模的原则和模拟计算的需要建 立了简易动力传动系统的受迫振动计算当量力学模型3 。如图2 - 1 所示： 图2 1 动力学模型 模型中各参数为t 为转动惯量( k g c m 2 ) ，k 为扭转刚度( k g c m r a d ) ，i 为转 动件组成编号。 1 7 具体说明如下： 发动机第一缸曲轴连杆组；k 发动机第一缸曲轴轴径； 厶发动机第二缸曲轴连杆组；憋发动机第二缸曲轴轴径； ，3 发动机第三缸曲轴连杆组； 墨发动机第三缸曲轴轴径； l 发动机第四缸曲轴连杆组；k 发动机第四缸曲轴轴径； ，。双质量飞轮第一质量； k 双质量飞轮式减振器； ，。变速器第一轴、常啮合齿轮、部分中间轴； 疋变速器第一轴； c 双质量飞轮式扭振减振器阻尼。 其中上述参数的确定：根据模型中的质量参数i 和刚度参数l ( 可依据有关资料的 实测数据确定，阻尼参数c 的确定依据经验公式及同类车型类比得到。 根据牛顿第二定律，由图示所给出的简化模型我们可以建立出如下系统受迫振动 的微分方程组，如下： ，巾。+ k ( 毒l 一巾2 ) 一0 ，由2 + k ( 巾2 一巾1 ) + 毛( 由2 一巾3 ) 一0 ，巾3 + 砭( 巾3 一巾：) + 墨( 巾3 一由。) - 0 ，由。+ k ( 巾4 一巾3 ) + 墨( 巾。一由5 ) 一0 ( 2 1 ) ，币5 + 蜀( 由5 一巾。) + 墨( 巾5 一由6 ) 一0 ，由6 + 墨( 巾6 一巾5 ) + k 6 ( 由6 一巾5 ) - 0 ，7 由7 + 瓦( 由7 一由6 ) 一0 上述微分方程组可用矩阵形式表达为： f ，1 丕+ f c l $ + k 1 由= 0( 2 2 ) 其中 刀为质量矩阵， 朋为刚度矩阵， 胡为阻尼矩阵。 解微分方程式( 2 1 ) ，就可以得出系统的各阶固有频率，同样可以很方便地利用 计算机求解矩阵方程式( 2 2 ) ，对上面所得到的系统受迫振动微分方程组式( 2 1 ) 进 行数值积分可得出动力传动系统受迫振动时各处的响应n 。微分方程的数值积分方法 有多种，线性加速度逐步积分方法中的l j r ils o n 一0 法和n e w a r k b 法等就是可以直接 其对微分方程进行数值积分的有效方法，它们计算效率高，计算结果准确稳定。本文 1 8 使用w i l s o n - o 法进行二阶微分方程组的数值积分求得。 w i l s o n - 0 法的计算过程如下： 设系统运动平衡方程的矩阵形式为： 【m 矽+ c l u “k - r ( 2 3 ) 其中 明、 翻、 用分别为质量、阻尼、刚度矩阵，口、矽、u 分别为单元加速 度、速度、位移向量，r 为外载荷向量。 根据w i l s o n - e 法实际上是直接积分法的推广，直接积分法就是在相隔t 的一些 离散的时间区间上的解满足式( 2 3 ) 。其分别设砜、玩、玩表示初始时刻( t = o ) 的 位移、速度和加速度的向量，为求得式( 2 3 ) 从t = o 到t = t 区间上的解，因此把区间 全程划分为若干相等的时间区间( x t = t n ) 。若在时刻0 ，a t 、2 a t ，t ，t + a t ， t 上确定式( 2 3 ) 的解为己知，再用在时刻o ，a t 、2 a t ，t 的解的方法就是直接 积分法。直接积分法有中心差分法、h o w b o l t 法、w i l s o n 一0 法、n e w n a r k - b 法等。 再其线性加速度法是假定加速度从时刻t 到时刻t + a t 为线性变化。而w ii s o n - e 法则假定加速度从时刻t 到时刻t + t 为线性变化，其中0 1 o 。当0 = 1 0 时 为线性加速度法的格式，要使方程的解无条件稳定则必须使0 1 3 7 ，通常选取0 = 1 4 科l o 我们令t 表示时间的增量，其中0 t oa t 于是从t 到t + a t 的时间区间假 设有： 矿+ a ，- 玩+ 丁乏( u t + o a t - - 玩) ( 2 4 ) 积分上式得到： 玩+ ti 玩+ 玩t + 虿石( u t + oax 玩) ( 2 5 ) 积分式( 2 5 ) 得到： u t + ta n 玑+ 玩t + 兰玩f 2 + 面击t 3 ( u t + ea , - 玩) ( 2 6 ) 由式( 2 5 ) 和式( 6 ) 解出时刻t + t 上有： u t + 9 & t 一矽+ 主( 谚则，一谚姒舢，- q + 。r 谚+ 竿澎龇，+ 撕) ( 2 7 ) u + e 。，q + o f 谚+ _ 0 2 at 2 【，f + 。a ，+ 2 疗) ( 2 8 ) 由式( 2 8 ) 和( 2 7 ) 就可以利用玑棚。来求出玩+ 。，和谚+ 。a ，为： 1 9 q 舢t2 赤觚舢t q ) 一击u 一弛 ( 2 9 ) 矽。，上“7 。，一【，) 一撕一二二竺三痧 ( 2 1 0