（机械设计及理论专业论文）汽车双质量飞轮扭振系统结构分析与性能研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 双质量飞轮式扭振减振器作为汽车传动系的重要组成部件，在降低整车传动 系的扭转振动、缓解传动系的冲击等方面都有着很重要的作用。国外自上世纪8 0 年代即开展研究并成功应用，但到目前为止，国内还没有自主知识产权的双质量 飞轮产品，所有中高档轿车装备的双质量飞轮都是依靠国外进口。 论文在对双质量飞轮进行了深入细致的研究的基础上，探索摩擦对双质量飞 轮扭矩的影响，应用机械振动理论对其进行模态分析，揭示出影响系统一阶、二 阶固有频率的动力学参数，形成了一套基于摩擦的双质量飞轮设计理论并开发出 一套适用于双质量飞轮扭矩特性分析的计算机辅助设计软件系统，对指导双质量 飞轮产品的设计和缩短产品研发周期均具有重要的理论意义和工程价值。 论文课题来源于重庆市科委重点科技攻关项目( 项目编号：c s p c 2 0 0 8 a b 6 0 8 5 ) ，论文研究工作主要包括以下内容： 1 、系统研究了德国h 出公司、z fs a c h s 公司、q 盯公司等各个厂家所生产的 双质量飞轮，重点探讨了周向长弹簧型和周向短弹簧型双质量飞轮，说明了它们 各自的优缺点，在此基础上，创造性地提出了基于摩擦的双质量飞轮设计理念。 2 、对双质量飞轮进行了详尽的结构分析，首次将摩擦理论应用到对双质量飞 轮的扭矩特性研究中，研究了双质量飞轮在扭转角增大和减小时初级飞轮、次级 飞轮和弹簧座的受力变化及双质量飞轮传递扭矩的理论计算方法，进而获得了在 扭转角增大和减小时双质量飞轮扭转刚度的变化规律，通过试验，得出的结果与 理论分析结果一致，揭示出摩擦特性对双质量飞轮的动力特性影响。 3 、建立了汽车传动系的等效模型，应用机械振动理论分析了等效模型的固有 频率，为有效减振，分析了使系统一阶固有频率对应转速低于怠速和二阶固有频 率对应转速高于发动机最高转速的动力学参数匹配及参数对固有频率的灵敏度影 响，为双质量飞轮的性能设计提供了理论指导。 4 、在对摩擦式双质量飞轮研究的基础上，创造性的提出了一种新型的双级摩 擦式双质量飞轮，它具有扭转角大，可实现变刚度传递扭矩的特点，该技术已申 报国家发明专利，目前正由合作企业进行研制，将应用于重庆长安福特汽车公司 蒙迪欧2 0 发动机轿车。 5 、研制开发出了基于w i l 山阿噶环境下双质量飞轮设计与分析计算机辅助设计 软件系统，为双质量飞轮新产品开发提供了快速设计分析工具。 关t 词t 双质量飞轮，扭振减振器，机械振动理论，模态分析，固有频率 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t d u a lm 弱sf l y w l h e e l 一够p et o r s i o n a ld a m p e r 勰觚i n l p 删a u t o m o t i v ep 0 撇a i l l c 0 n l p o n e n t ，h 嬲av e r yi m p o r t a n tr o l eo n l cr e d u c t i o no fv e 缸c l e 仃j 删s s i o ns y s t e m s t o r s i o i l a lv i b r a t i o na n de a s i n g 廿l ei m p a c to f s m i s s i o nl i n e s ，e t c s i i l c e 也el a s t c e 曲q8 0 sr e l a t e ds t u d i e sh a v eb e e nc a r r i e do u ta b r o a da n ds u c c e s s 伽l ya p p l i e d ，b u t f 打m e r e1 1 a s1 1 0 ti 1 1 d 印e n d e n ti n t e l l e c t u a lp m p e r 眵r i g b t so fi m m 嬲sf l y w h e e l s p r o d u c t si i ld o m e s t i c ，a l lo fl l i 曲- e n dc a r se q u i p p e d 、) l ，i 廿ld u m m 弱sn ”m e e la r eb e e n r e l i e do nf o r e i g ni n l p o r t s o l l 舭b a s i so f 觚i i l d e p md e t a i l e d 咖d y0 nd u a l - m 鹊sn y w h e e l ，l ep a p e rs n j d y s t h ei i l l p a c to nt h e 衔c 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i o ns p e e dl o w e r l a nm ei d l i n gs p e e d a i l d c o n d - o r d e r s 删舶q u e n c yc o r r e s p o n d i i 冯r o 切缸o ns p e e d1 1 i 曲e rt l 瑚lt t 地 l l i 曲e s ts p e e do ft h ee i 培i n ea n dt l l ee 丘e c to ft l l ep a r a m e t e r so nt 1 1 e i l s i t i v i 够o ft h e m 曲r a lf 诧q u e n c i e s t i l i sp r o v i d e sm et h e o r e t i c mg u i d a l l c eo nd u a lm a s sn ”h e e l s p e r f o m l a n c ed e s i g n 4b 嬲e d0 n 1 es t u d yo ft 1 1 ef r i c t i o n - d u a lm a s sn ”v l l e e l ，t l l ep 印e rr a i s e dan c w 帅eo f7 i w o - 比喀ef r i c t i o n - d u a lm 嬲sf l 州1 e e l i th a dl a 唱er o t a c ea 1 1 9 l ea i l dc 锄r e a l i z e 衄塔而t t i n gt o r q u eb yv 撕a b l es t i 舫e s s 1 1 1 i st e c l l n o l o g ) rb a db e e n 印p l i e df o rn a t i o 砌 i i l 啪t i o np a t e m i ti sb e i n gd e v e l o p e db yt l l ec o o p e 硎v e 咖r i s e sa tp r e 吲1 t 觚d 、) l ，i l l b e 印p l i c a t e do nt 1 1 em o n d e o2 0 lm o t o rc a ro fc h o i k 姆i n gc h a l l g a i lf o r da u t o m o b i l e c o m p 锄y 5d e v e l o p e dac a ds y s t e mf o rd e s i 印a n da i l a l y s i so f 位d l l a lm 弱sn 恤e l b a s e do nu 1 ew i n d o w se n v i r o m e n t p r o v i d e di 己a p i dd e s i 印锄da i l a l y s i st o o l so fd u a l m 嬲sf l w v t l e e l sn e wp r o d u c t s k e y w o r d s ：d u mi n 嬲sn 州l e e l ，t o r s i o n md a m p e r ，m e c l 瑚l i c a lv i b r a t i o nt h e o m o 砌 a r l a l y s i s ，n a t 谢f r e q 咖c y m 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的歪k士学位论文 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 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：志孝噼 导师签名： 签字日期：砷甲6 铲 签字日期：为了- 垆 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 哒赫 下简称“章程 ) ，愿意将本人的馥士学位论文缘墨醌盔篮魅区盘泓睦铲砷狠 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名：盔睦孽作者签名：盎毖缉导师签名：尘垒：塑1 1 年石月铲日， 备注：审核通过的涉密论文不得签署搿授权书刀，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年一月日。 说明：本声明及授权书：陋装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 近年来随着汽车工业的高速发展，对整车的舒适性和可靠性提出了更高的要 求，作为汽车的重要性能指标之一，如何降低汽车传动系的扭转振动已越来越受 到人们的关注。本章从汽车传动系扭振着手，讨论了扭振的来源及现阶段降低扭 振的方法，探讨了采用离合器从动盘式扭转减振器和双质量飞轮式扭转减振器各 自的优劣，进而提出了本论文的研究内容及实用意义。 1 1 汽车动力传动系统的扭转振动概述 汽车动力传动系统的质量和刚度分布是很不均匀的，它是一个多自由度扭转 振动系统，它的振动激励的来源也是多方面的，除发动机的激励以外，如传动系 中万向节的不等速性，路面对车轮的周期性和非周期性冲击等都可以对汽车动力 传动系统形成激励，路面对汽车的影响可以通过改善道路条件以得到缓解，因此 在研究传动系振动时，发动机的扭转振动就成为最主要的激励源。 发动机的扭转振动传递到传动系会引起变速器和车架等其它部件产生振动和 噪音，接踵而来出现令人不愉快的变速器发出的嘎啦噪声和车身的轰鸣声。当振 源的激振频率与系统的固有频率相等时， 承受的载荷极大，应力也将成倍的增加， 就会出现严重的共振现象，此时各部件 而这种应力还具有周期性交变的性质， 这使得传动系零部件的疲劳寿命大大下降，同时，由于共振，对于乘客乘坐的舒 适性而言，产生的负作用也是极为明显的，因此，在设计工作中应该极力避免。 而众多实践和试验都证明，发动机的扭转振动是不可能彻底消除的，如果要 最大程度上加强对汽车动力传动系扭转振动的控制，设计和控制的重点主要应该 放在发动机与传动系的联接环节上。对于扭转振动的控制方法很多，比如直接增 大阻尼、安装阻振器、安装减振器等。其中，安装扭转减振器是现代汽车技术中 广泛采用的办法；事实也证明，扭转减振器的安装对于整车传动系统的减振是行 之有效的，它已成为汽车传动系不可缺少的一部分。 对于广泛使用的扭转减振器，如果从力学角度分析，可以得到它的减振原理。 在动力传动系统中加减振器，相当于在原扭转振动系统中增加一些参数来改变整 个系统的扭转振动特性。通常来说，增加的参数包括以下几个：惯量，刚度，阻 尼等。相比于没有增加扭转减振器的系统，新系统的扭转振动特性会根据设计的 需要，产生一些特定的差异，以达到减振目的。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 扭振减振器 摩擦减振器ii冲击碱振器l h 动力碱振器 燃i i 黼ll 熟i j 瓣i i 然惜羹 图1 1 扭振减振器的分类 f i g1 1t h ec l 勰s 坶o f 恤t 0 娼i o n a l p e r 由图1 1 可以看出，按照减振原理来分类，扭转减振器可以分为摩擦减振器、 冲击减振器、动力减振器等；同时也可以按照减振器安装的位置分，主要可以分 为发动机扭转减振器和传动系扭转减振器。目前最常用的离合器从动盘扭转减振 器和双质量飞轮式扭转减振器都属于传动系扭转减振器的范畴。其中，离合器从 动盘式扭转减振器是把减振器安装在离合器总成的从动盘上；双质量飞轮式扭转 减振器则是使用双质量飞轮的技术达到减振的效果。两种减振器相比，离合器从 动盘式扭转减振器成型比较早，技术更加成熟；双质量飞轮式扭转减振器作为一 种新式的扭转减振器，以其优良的性能逐渐受到重视。 1 2 离合器从动盘式扭振减振器发展概况 如前所述，在控制汽车动力传动系统的扭转振动和扭振噪声方面，当代汽车 广泛采用的措施是在离合器从动盘上加装一个扭转减振器，这种扭转减振器称为 离合器从动盘式扭转减振器( c l u t c ht o r s i o n a ld 锄p e r ，简称c t d ) 。离合器从动盘 式扭转减振器是目前国内普遍采用的扭振控制措施，它主要由弹性元件和阻尼元 件组成，其作用就是在汽车的动力传动系统中置入一个低刚度环节，并加入适当 的阻尼，以达到衰减发动机扭矩波动和控制传动系统扭振的目的。为适应不同的 工况，要求c t d 具有不同的刚度和阻尼特性。当代汽车离合器从动盘式扭振减振 器已具有多种功能【l 。 1 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，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。 2 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。 3 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 2 重庆人学硕士学位论文1 绪论 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。 4 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与其功能相适应的，为了实现其第1 、2 项功能，要求其扭转刚度应能适当减小而且阻尼应较大；而为实现其第3 项功能， 则要求其刚度和阻尼应很小；但为实现其功能4 ，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。 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，所以对其研究受到广泛的重视，研究的主要内容包括： 1 减振器设计方法的研究； 2 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； 3 减振器制造工艺的改进等方面。 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。 在离合器扭转减振器中，早期的弹簧只有一级，其扭转特性是线性的。单级 弹簧的扭转减振器在使用中存在着一个缺陷，不能同时满足减振性能和缓冲性能 的要求。这就要求减振器不能以相同的弹性元件和阻尼元件完成传动系的扭矩控 制任务，而要求其弹性和阻尼特性都随 着汽车工况的不同而变化，应该具有非 线性特性，具有良好减振性能的减振器 要求以及较大的极限转角和适当小的 扭转刚度；但要使减振器具有一定的缓 冲能力，又要求取适当大的极限转矩， 这是线性减振器难以解决的矛盾。这也 是目前广泛采用多级非线性减振器的 原因。 f 卅一 旷。 n 争tp i 彝 图1 2 三级非线性扭振减振器结构原理 和弹性特性曲线示意图 f i g1 2s 仃u c t u r e 锄dc h a r a c t e r i s t i cc u eo f l r e e _ c l a s sn o n l i n e 甜t o r s i o n a jd a i i l p e r 重庆大学磺士学位论文 绪论 由于制造方便，目前广泛采用的是两级、三缀弹簧一千摩擦阻尼减振罂。分 级的实现是在结构设计上采取措旄，使几组弹簧按照一定的转角间辐依次工作。 从发挥减振器的减振作用和改善其缓冲性能考唐，减振器豹级数越多越有利，但 是由于结构布置和设计困难等因素，级数过多是不现实的。圈1 2 是三级非线性扭 振减振器的典型结构原理和弹性特性曲线示意图。1 1 4 】 三缓式减振器各级的作用如下： 4 、第一级：角剐度最小( 只有最软的减振弹簧起作用) ，传动系的固有频率f 最小，应低于发动桃怠速时转速h ，的激振频率上，用于怠速工况。 h 、第二级：角剐度中等( 第二组减振弹簧开始起作用) 使传动系的固有频 率正为中等，应低于发动机常用工作转速k 时的激振频率正，用于驱动工况。 c 、第三级；角刚度最大( 三组减振弹簧都起作用) ，用于载荷急剧变化阶段 ( 突然起步和紧急制动) 以缓和传动系的最大瞬时动载荷。 可见为同时减轻各种噪声、增大扭转角，采用变扭转嚣d 度和变阻尼力矩是很 有必要的。 另如图示13 所示为l u k 生产的从动盘式扭振减振器的变刚度设计，最大转角 柏。，最大传制扭3 0 0 n m ，也采用多级减振弹簧及预减振形式。 豳1 毛描篱釜麓暨严品 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 随着对汽车乘座舒适性要求的不断提高，对离合器从动盘式扭振减振器的性能 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，往往都受限于 离合器从动盘上的有限空间，难以达到对汽车动力传动系扭振及扭振噪声控制的较 高要求。在实际应用中也已证明离合器从动盘式扭转减振器存在着一些严重弱点， 这主要表现在如下几个方面【1 4 】： 1 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 扭振减振器弹性元件、阻尼元件布置上的要求。 2 由于受离合器从动盘结构空间的限制，减振器弹性元件设计尺寸小，不能较好 地满足强度和刚度的要求，致使减振器在使用过程中经常出现弹簧折断事故和弹簧 松弛失效等现象。 3 由于离合器从动盘式扭振减振器的工作扭角小( 一般5 0 1 0 0 ) ，故其扭转刚度 大，致使减振器隔振效果差。 4 由于受结构的限制，离合器从动盘式扭振减振器的最大工作扭矩和最大扭转 角都偏小，其工作能力有限。 5 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， 如图1 4 所示为简化的两自由度振动模型和 固有频率曲线。 系统的固有频率 厂：上茎丛生! jc 2 万j 1 j ， 式中，k 一减振器的扭转刚度 以一发动机一侧的转动惯量 以一传动系一侧的转动惯量 当减振弹簧的刚度一定时，且以+ 以为固定 值时，系统的固有频率疋取决于两个转动惯量的 比值。当以= j ：时，固有频率达到最小值。 图1 4 转动惯量的影响 f i g1 41 1 圮i i n p a c to f i i l e n i a 在从动盘减振器中，一为发动机曲轴连杆机构、飞轮和离合器盖总成的转动 惯量，以是变速器的转动惯量，以 以，因此系统的固有频率一般不会太低，大 约为4 0 7 0 h z ，对应于四缸发动机转速聆。= 1 2 0 0 2 1 0 0 聊，六缸发动机转速 刀。= 8 0 0 1 4 0 0 聊，均高于发动机的怠速转速。因此不能避免在怠速转速时的共 振。在发动机实用转速范围刀。= 1 0 0 0 2 0 0 0 仞聊( 相当于常用车速范围，此时发动 机转矩约为最大转矩的8 0 9 0 ) 内，难以通过降低减振弹簧刚度以达到更大的 减振效果。因为在从动盘结构中，减振弹簧位置半径较小，其转角又受到限制( 最 重庆大学硕十学位论文 1 绪论 大约为1 2 0 1 5 0 ) ，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。 要进一步的解决动力传动系统的扭振和噪声问题，传统的离合器从动盘式扭 转减振器已经没有多少潜力，国外早已开始研发新型的扭转减振器，其中最典型 的就是双质量飞轮式扭转减振器( d u m m 嬲sf l 州l e e lt o r s i o n a ld 锄p e r ，简称 d m f ) 。这种新型的扭转减振器不仅能够克服传统的离合器从动盘式扭转减振器的 缺点和不足，而且可以有效的解决整车动力传动系统中的扭转振动和扭振噪声， 是扭转减振器发展史上的一个飞跃。 1 3 双质量飞轮国内外现状 如上所述，汽车技术的快速发展和人们对汽车行驶性能要求的不断提高，使 得传统的汽车传动系离合器从动盘式扭振减振器的性能已难以达到人们所要求的 高舒适性和高可靠性而对汽车动力传动系提出的扭振减振及噪声控制的较高要 求。然而，对离合器从动盘式扭振减振器的设计和改进，往往都受限于离合器从 动盘上的有限空间，减振器工作扭转角度小，扭转刚度大，难以达到对汽车动力 传动系扭振及扭振噪声控制的较高要求，由于减振性能不够理想，变速器转速的 波动仍然较高，共振转速仍在发动机工作转速内，特别是怠速状态时，在许多情 况下这种减振方式不能完全消除扭转振动引起的噪声。因此，为了彻底解决传动 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。上世纪八十年代中期出现的双质量飞轮式扭振减振器由于其优点多， 实用性能好，先后成功地应用于多种车型。 据j a s e 资料介绍，1 9 8 4 年8 月世界上第一次出现带扭振减振器的双质量飞 轮，它是日本丰田汽车公司装备到“m a r ki i ”汽车上的，该车装有2 l t 型增压柴 油发动机，该车基本上采用了离合器从动盘式扭振减振器的形式，但这是汽车动 力传动系双质量飞轮扭振减振器发展史上的一个转折点。 德国宝马公司( b m w ) 1 9 8 5 年底首次将双质量飞轮扭振减振器作为产品装备 车辆，该车型为b m w 3 2 4 d ，当时该车被称为“w o r l d sq u i e t e s td i e s e l ( 全世界最安 静的柴油机) ”。随后，宝马公司相继在b m w 5 2 4 t d 、b m w 5 2 5 、b m w 5 2 8 e 车上 装备了双质量飞轮式扭振减振器，使得这些汽车的动力传动系统的扭振和扭振噪 声得到了有效的控制，获得了广泛认可。 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 o 3 2 1 芍 0 1 5 9 1 鹎5 y e 暂 图1 5 双质量飞轮产量在德国汽车生产厂商的发展情况 f 埝1 5d e v e l o p m e n to fd m 匝wp 川u c t i o n 蠡”g e m 觚c 甜m 锄u 锄m i r e l s 1 6 l 以下 l t6 l ，2 o l2 o l 以上 图1 6 不同排量的汽油、柴油发动机装配双质量飞轮的比例 f i g 1 6p o r t i o f v e h i c l 骼w i md m f w f o rd i 彘r e n te n 西n ec l 勰s 在双质量飞轮的理论研究上也出现了大量的论文和专利产品。先是r e i l 【，w 等 人于2 0 0 4 年在v d ib e r i c h _ t e 上发表题为1 1 1 ec l u t c h t h eh e 矾o f 1 ed o u b l ec l u t c h g e a r b o x 的文章，比较了双质量飞轮式和从动盘式扭转减振器在双离合器中的应用， 并分别从干式离合器和湿式离合器的角度讨论其性能删。z f 公司的h 列吼u tb a c h 对双质量飞轮结构进行动力学建模，并在s i i n i l l i l l k 软件的环境下，以单频的振动 7 仅陋捌料v精芑爱一co墓e u i 塞_ 重庆大学硕十学位论文 1 绪论 作为输入，通过分析双质量飞轮次级飞轮的角加速度的时域曲线，来研究双质量 飞轮的减振效果【4 l 】。在t h e o d o s s i a d e s s 发表于2 0 0 6 年的文章中，提出了双质量飞 轮除了具有吸收发动机发出的激励扭矩的主要功能外，还能够有效地衰减传动系 发出的金属敲击声【4 2 】。1 k h y u i l ，k 等人于2 0 0 6 年提出用离散分析法来研究双质量 飞轮的性能，所采用的方法是把连接两飞轮的弹性元件建模为n 个离散的单元， 总结出用离散法对d m f 建模可以较好的模拟出车辆传动链的运动状况。 到二十世纪九十年代，d m f 产品已基本趋于成熟，世界上其他国家，如法国、 英国、美国、等汽车生产大国，都进行了双质量飞轮式扭振减振器产品的研制和 开发，出现了大量的专利产品，其中以德法两国的专利为最多，同时在s a e 上也 有研究双质量飞轮式扭转减振器的论文发表，而且d m f 产品也由原来简单的机械 干摩擦式发展到橡胶弹簧式、空气弹簧式、液力阻尼式等多种形式的现代化产品， 产品的应用范围也由柴油车发展到汽油车、大客车甚至商用车。在欧洲形成了三 大d m f 扭转减振器制造商德国s c l 啪m e r 和z fs a c h s 、法国、e o ，他们于 2 0 0 3 年的年产量就超过了5 5 0 万套。目前，欧洲汽车上已经广泛采用d m f 。2 0 0 8 年1 月份，隶属于德国s c h a e m e r 公司的l u k 制造商生产的第5 0 0 0 万个双质量飞 轮在德国下线，标志着双质量飞轮已进入了一个新的时期。目前，欧洲汽车上已 经广泛采用d ，传统的离合器从动盘式扭振减振器正逐渐退出历史舞台。 在我国，汽车工业起步较晚，起点较低，长期以来靠引进国外技术生产汽车。 自二十世纪八十年代起，我国的汽车工业进行了大规模的技术改造，各主要汽车 生产厂家和零部件生产厂家都先后引进了一些先进的设备和技术资料，整体技术 水平有了长足的进步，不少厂家已经吸收、消化了从动盘式扭振减振器的生产和 设计技术。在二十世纪九十年代中期，我国也开始了在d 领域的探索和研究工 作。首先是吉林工业大学和南汽离合器厂合作并在这一领域作了许多工作，之后 长春一东离合器股份有限公司、上海s a c h s 动力总成有限公司、湖北黄石、桂林福 达等也进行了d 的研发与配套工作。但迄今为止国内尚未有装配自主开发的 d m f 的车型上市，所有中高档轿车( 如a u d ia 6 等) 装备的双质量飞轮扭振减振 器使用的仍都是进口产品。究其原因在于目前国内对双质量飞轮的研究工作基本 都从弹性特性分析，没有进行更深入的研究，导致理论与试验相差比较大；且国 内的研究也没有与飞轮制造厂商及汽车生产厂家进行紧密有效的合作。 1 4 课题研究的主要内容及意义 论文作为重庆市科委重点科技攻关项目，在与重庆光大产业集团公司合作研 究的基础上，对双质量飞轮进行了深入细致的研究，首次将摩擦理论应用到对双 质量飞轮的扭矩特性研究并创造性的提出了一种新型的双级摩擦式双质量飞轮， 8 重庆大学硕士学位论文1 绪论 目前，正由合作企业进行研制，将应用于重庆长安福特汽车公司蒙迪欧2 0 发动机 轿车。 本文研究内容如下： 1 、系统研究分析了德国l u l 【公司、z fs a c l l s 公司、g a t 公司等各个厂家所生 产的双质量飞轮及其工作原理和性能，重点探讨了周向长弹簧型和周向短弹簧型 双质量飞轮，说明了它们各自的优缺点，在此基础上，创造性的提出了基于摩擦 的双质量飞轮设计理念。 2 、对摩擦式双质量飞轮进行了详尽的结构分析，首次将摩擦理论应用到对双 质量飞轮的扭矩特性研究中，研究了双质量飞轮在扭转角增大和减小时初级飞轮、 次级飞轮和弹簧座的受力变化及双质量飞轮传递扭矩的计算方法，进而获得了在 扭转角增大和减小时双质量飞轮扭转刚度的变化规律，建立了一套完整的分析双 质量飞轮的理论和方法，并通过对蒙迪欧2 0 l 发动机用双质量飞轮进行扭矩测试 试验，得出的结果与理论分析结果一致，揭示出摩擦特性对双质量飞轮的动力特 性影响。 3 、通过对装备有双质量飞轮汽车传动系的深入研究，建立了摩擦式双质量飞 轮传动系的等效模型，应用机械振动学理论分析了等效模型的固有频率，为有 效减振，分析了使系统一阶固有频率对应转速低于怠速和二阶固有频率对应转速 高于发动机最高转速的动力学参数匹配及参数对固有频率的灵敏度影响，为双质 量飞轮的性能设计提供了理论指导。 4 、通过对摩擦式双质量飞轮的深入研究，创造性的提出了一种新型的双级摩 擦式双质量飞轮，它具有扭转角大、可实现变刚度传递扭矩的特点，该技术已申 报国家发明专利，目前正由合作企业进行研制，将应用于重庆长安福特汽车公司 蒙迪欧2 0 l 发动机轿车。 5 、研制开发出了基于w i n d o w s 环境下双质量飞轮设计与分析计算机辅助设计 系统，为双质量飞轮新产品开发提供了快速设计分析工具。 论文选题意义： 双质量飞轮式扭振减振器作为汽车传动系的重要组成部件，在降低整车传动 系的扭转振动和噪声方面都有着很重要的作用。国内目前还未形成拥有自主知识 产权的双质量飞轮产品，所有中高档轿车装备的双质量飞轮都是依靠国外进口。 本文作为重庆市科委重点科技攻关项目( 项目编号：c s p c2 0 0 8 a b 6 0 8 5 ) ，对双质 量飞轮进行深入细致的研究，首次创新性的将摩擦理论运用到对双质量飞轮的扭 矩特性分析中，探索摩擦对双质量飞轮扭矩的影响，运用机械振动理论对其进行 模态分析，揭示影响系统一阶、二阶固有频率的动力学参数，形成一套全新的、 具有自主知识产权的双质量飞轮理论并开发出一套适用于双质量飞轮扭矩特性分 9 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 析的计算机辅助设计系统，对指导双质量飞轮产品的设计和缩短产品研发周期均 具有很重要的理论意义和工程价值。 1 5 课题的研究成果 l 、 与重庆光大产业有限公司合作申报国家发明专利双级摩擦式双质量飞 轮，专利号为2 0 0 8 1 0 2 3 7 2 5 9 2 ，目前正在初审阶段。 2 、 周向短弹簧双质量飞轮扭振减振器原理研究，发表于内燃机2 0 0 8 年第6 期。 3 、 引入摩擦的周向短弹簧汽车双质量飞轮，已通过机械工程学报复 审。 l o 重庆大学硕士学位论文 2 双质量飞轮的结构与性能 2 双质量飞轮的结构与性能 双质量飞轮式扭振减振器是在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，它对于汽车动力传动系的隔振和减振具有重要的意义。本章主 要阐述了各种结构形式的双质量飞轮及其工作原理和性能，分析了双质量飞轮的 使用效果。 2 1 双质量飞轮的结构 双质量飞轮式扭振减振器是离合器和飞轮总成的重要组成部件，而离合器与 飞轮在汽车动力总成中发挥着重要作用。因此，双质量飞轮是汽车动力总成的重 要零部件之一，其结构设计和性能参数匹配直接影响着整车的综合性能，尤其是 平顺性和乘员的舒适性，所以有必要弄清双质量飞轮在不同类型的离合器与发动 机、变速箱组成的动力总成树状图中的分支位置。【1 4 5 j 图2 1 双质量飞轮在动力总成结构树中所处的分支位置 f i 9 2 1t l l ep o s i t i o no f d m 匝i i ln l e 嘶肭玳仃e eo f p o w a n r a i n 重庆大学硕士学位论文2 双质量飞轮的结构与性能 图2 1 是双质量飞轮在动力总成结构树中所处的分支位置，从图中大致可以看 出双质量飞轮的作用和应用范围。 早期的双质量飞轮式扭振减振器基本上沿用了离合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 轮中间，就形成了双质量飞轮式 扭振减振器。使得发动机飞轮不 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。图2 2 为离合器从动盘式扭振减振器 与双质量飞轮式扭振减振器结 构比较示意图。 双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( 初级飞轮) 、第二质量( 次级 飞轮) 和两质量之间的减振器。第 ( a ) 离合器从动盘式扭振减振器 ( b ) 双质量飞轮式扭振减振器 1 、初级质量2 、减振器3 、次级质量 图2 2 两种扭振减振器结构比较示意图 f i g2 2t l l ec o m p a r i s o n0 f l et 、0t o r s j o n a jd a 脚p 盯 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( 一般为深沟球 轴承) 安装在第一质量上，第二质量上又安装有离合器壳等。第一、第二质量之间可 以有相对转动，减振器一般选用弹簧作为弹性元件。 2 2 双质量飞轮的典型结构分类及简要分析 作为对离合器从动盘式扭振减振器的继承和发展，早期的d m f 与传统的c t d 在结构上基本相似，都包括弹性减振元件、阻尼元件，一般都是用螺旋弹簧作为 弹性元件，干摩擦元件作为阻尼器。所不同的是扭转减振器的位置由离合器从动 盘转移到了发动机的飞轮中间，使发动机的飞轮由单飞轮演化成具有两个转动惯 量的双质量飞轮。 双质量飞轮的产生改变了以往c t d 只能通过改进其刚度和阻尼特性来进行减 振的局面，为动力传动系统的扭振控制提供了新的思路：可以通过改变转动惯量、 刚度和阻尼来综合控制动力传动系统的扭振问题。一方面，弹簧刚度的设计不再 受结构空间限制，可设计出满足要求的扭转刚度；另一方面，可以利用转动惯量 和扭转刚度的变化来调谐动力传动系统的固有频率，减少共振车速的工况数量。 双质量飞轮式扭振减振器的具体结构虽不尽相同，但都由初级飞轮、次级飞轮和 1 2 重庆大学硕士学位论文 2 取质量飞轮的结构与性能 扭振减振器等三部分组成。其经过二十多年的发展，也已出现了许多不同的形式它 们从不同的角度出发，着重解决一些实际问题，最终使双质量飞轮的性能得到不断 的提高。 目前，有以下几种典型的结构： 如图2 3 所 示根据所用的弹 性元件，有橡胶弹 簧式和螺旋弹簧式 两种，螺旋弹簧式 又可根据弹簧的布 置可分为径向弹簧 式和周向弹簧式， 其中周向弹簧式又 有长曲线弹簧式和 短轻弹簧式；就所 根据采用的 弹性元件分类 像肢弹簧式 。+ 删簧蚪髫鬻 螺旋弹簧式 v f 径向弹簧式 燃 瓣q 燃 采用的摩擦阻尼类