（车辆工程专业论文）使用双质量飞轮的动力传动系扭振特性研究及其关键参数优化.pdf

摘要 摘要 随着人们对轿车乘坐舒适性要求的不断提高，轿车动力传动系统产生的扭振 和噪声也越来越受到关注。而传统的离合器式扭振减振器由于本身结构的限制， 不能很好的抑制来自发动机的振动和噪声，从而影响整个动力传动系统的扭振特 性。由于双质量飞轮式扭振减振器有比离合器从动盘式扭振减振器更好的结构优 势，所以可以更大限度的衰减来自发动机的扭振，从而降低整个动力传动系统的 振动和噪声，提高轿车乘坐的舒适性。 作为双质量飞轮设计和匹配的前期理论论证，论文以上汽某轿车的动力传动 系统为研究对象，对双质量飞轮及整个动力传动系统进行建模，然后对其扭振特 性进行分析和计算，包括动力传动系的固有特性分析、受迫振动分析。在此基础 上对双质量飞轮关键参数进行优化。最后采用有限元法对优化后的双质量飞轮关 键零部件进行了强度计算，同时结合某轿车简单载荷谱，采用有限寿命疲劳设计 理论和方法，计算其疲劳寿命。 论文首先通过建立双质量飞轮式扭振减振器和离合器从动盘式扭振减振器 动力传动系的动力学模型，分析两种不同类型扭振减振器动力传动系在轿车j 下常 行驶和怠速工况下的固有特性。其次，为了更好的探索动力传动系中阻尼参数对 固有特性的影响，论文进行了动力传动系的复模念分析，从而得到相对实模态来 说更加详细的模态信息。然后研究轿车在高速行驶情况下动力传动系统的受迫振 动，在加载发动机激励的情况下对传动系各部件的输出特性进行了分析。 在以上研究的基础上，为了说明双质量飞轮的关键参数对动力传动系输出特 性的影响，对双质量飞轮的各个参数进行设计研究和优化，得到双质量飞轮关键 参数的最佳取值。同时为了保证双质量飞轮满足使用要求，采用有限元法和疲劳 累积损伤理论对优化后的双质量飞轮关键零件进行了有限元强度分析和疲劳寿 命的计算。 论文最后对双质量飞轮式动力传动系的研发工作作了简单的总结和展望。 关键词：双质量飞轮，动力传动系，固有特性，受迫振动，优化设计，强度分析， 疲劳寿命 a b s t r a c t a b s t r a c t a sp e o p l ea s kf o rm u c hm o r ed r i v i n gc o m f o r to fc a r , t h e yb e g i nt op a ym o r e a t t e n t i o no nt h ep r o b l e mo fv i b r a t i o na n dn o i s ew h i c hp r o d u c e db yp o w e r t r a i ns y s t e m f o rt h er e a s o no ft h ec o n f i g u r a t i o no f c l u t c h ，t h et r a d i t i o n a lp o w e r t r a i nw i t hac l u t c h c o u l dn o ti s o l a t et h ev i b r a t i o na n dn o s ew h i c hc o m e sf r o mt h ee n g i n es ow e l l s oi t w i l li n f l u e n c et h et o r s i o n a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h ep o w e r t r a i n c q m p a r i n gw i t h t h ec l u t c h ，d m f ( d u a lm a s sf l y w h e e l ) h a sab e t t e rc o n f i g u r a t i o n s oap o w e r t r a i n s y s t e mw h i c hw i t had m f c a nr e d u c ev i b r a t i o na n dn o s ec o m e sf r o mt h ee n g i n em o r e e f f e c t i v e l y , a n dp r o v i d em u c hm o r ed r i v i n gc o m f o r tf o rp e o p l e t h ep a p e re s t a b l i s h e dad m fm o d e la n da l s oap o w e r t r a i nm o d e lt oa n a l y z i n g t h ep o w e r t r a i nv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i cw i t had m f d e t a i l e d l yu s i n gt h ec a rw h i c h s u p p l i e db ys a i c t h ew o r ki n c l u d ea n a l y z i n gt h en a t u r a la n df o r c e dv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i co f p o w e r t r a i n ，o p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r so fd m f b yt h es a m et i m e ，w e c a r r yo u tt h ew o r kt oa n a l y z i n gt h es t r e s sa n df a t i g u el i f eo ft h ek e yp a r to fad m f a c c o r d i n gt of e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) a n dl i m i t e df a t i g u el i f et h e o r y t w od y n a m i cp o w e r t r a i nm o d e l sa r ee s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r o n ew i t had m f a n dt h eo t h e rw i t hac l u t c h f i r s to fa l l ，t h en a t u r a lc h a r a c t e r i s t i co fp o w e r t r a i n e q u i p p e dw i t hd i f f e r e n tt o r q u ei n s u l a t o r ( d m fo rc l u t c h ) i sa n a l y z e d i no r d e rt o u n d e r s t a n dh o wt h ed a m pw o r k so ni nt h ep o w e r t r a i ns y s t e m ，w es t a r tac o m p l e x m o d ea n a l y s i st og e tm u c hm o r ei n f o r m a t i o na b o u ts y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s e c o n d l y ，i n o r d e rt oa n a l y z et h ef o r c e dv i b r a t i o nd u r i n gt h eh i g hs p e e ds i t u a t i o n ，t h et o r q u ew h i c h p r o d u c e db ye n g i n ea r el o a d e do nt h ed y n a m i cp o w e r t r a i nm o d e l s t h eo u t p u t c h a r a c t e r i s t i co ne a c hp a r to ft h et r a n s m i s s i o ni sa n a l y z e di ns u c hs i t u a t i o n a f t e rf i n i s h e da l lt h ew o r ka b o v e , w eb e g i nt oa n a l y z et h ek e yp a r a m e t e r so f d m ft o e x p l a i n i n gh o wt h e s ep a r a m e t e r si n f l u e n c e do nt h et o r s i o n a lv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i co fp o w e r t r a i n t h e nw es t a r ta no p t i m u md e s i g nt oo p t i m i z i n gt h ev a l u e o f e a c hp a r a m e t e ru n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h ep o w e r t r a i nh a v eab e s to u t p u tr e s p o n s e a f t e rt h a t ，s t r e n g t ha n a l y s i sa n df a t i g u el i f ec a l c u l a t i n go ft h ed m fi sc a r r i e do u t a tl a s t ，ab r i e fc o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o ni si n t r o d u c e da b o u th o wt oa n a l y z i n ga p o w e r t r a i nw i t had m e k e yw o r d s ：d m f ( d u a lm a s sf l y w h e e l ) ，p o w e r t r a i n ，n a t u r a lc h a r a c t e r i s t i c ，f o r c e d v i b r a t i o n ，o p t i m u md e s i g n ，s t r e n g t ha n a l y s i s ，f a t i g u el i f e i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 尹叼年 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月 日 第l 章绪论 第1 章绪论 随着汽车工业的飞速发展和生活质量的不断提高，人们对汽车的使用要求也 越来越高，同时随着环保意识的不断加强，近年来，人们在改善总体效率的前提 下趋向于减小车辆的重量，从而提高能源的利用效率。一些标准业已推出，如对 提高发动机功率、最高速度、加速度、制动性能和平顺性以及降低制造成本等的 要求。这些因素都会对车辆的噪声和振动产生影响，而大多数的噪声和振动都来 源于车辆的动力传动系统，这些振动传到底盘都会使得汽车舒适性恶化。 动力传动系统是一个多自由度的扭转振动系统，其扭转振动激励、扭振形式 和传递方式及与其他振动形式的耦合都非常复杂。因此，对汽车动力传动系统的 研究和对扭振及噪声控制的问题，历来都是汽车工程设计人员所关注的热点。 1 1 双质量飞轮的产生背景 1 1 1 汽车动力传动系统分析 汽车动力传动系统是一个复杂的多质量非线性动力学系统，它具有多个激振 源。这些激励主要包括发动机汽缸中气体的压力和活塞、连杆、曲柄等运动部件 的往返惯性力，以及地面对车轮的周期性和非周期性冲击等。在汽车动力传动系 统各种类型的激励中，以发动机激励为主要激励，而且有很大的随机性，因此在 对汽车动力传动系统扭振和噪声的研究中，要特别关注发动机的激励。而随着汽 车使用条件的改善，特别是路面条件的改善，路面等激励往往可以忽略。 汽车动力传动系统是一个多自由度的扭转振动系统，该系统在发动机等的激 励作用下，产生扭转振动。当激励频率与系统固有频率重合时，将会出现严重的 共振现象，共振载荷会造成剧烈振动和噪声，从而降低汽车的使用寿命和乘坐舒 适性。 目前，对汽车动力传动系统的扭振及其扭振噪声的控制，主要有以下几种常 用的方法。在发动机方面，兼顾其他性能的情况下尽量采用多缸发动机；提高发 动机加工和制造质量，减少发动机的动不平衡量和惯性质量；在发动机曲轴前面 加装动力吸振器等。在传动系统方面，针对引起扭振噪声的原因而采取措施，如： 减少传动系各零部件的质量；增加变速器常啮合齿轮的个数；减少齿轮问隙等等。 汽车传动系振动和噪声地控制，目前采用较多的方法就是采用离合器从动盘式和 双质量飞轮式扭振减振器。 第l 章绪论 1 1 2 双质量飞轮的产生背景 由于生产成本等问题，以往的轿车往往只装配有离合器从动盘式扭振减振 器，但减振效果并不好，特别是在发动机怠速运转时，会由于共振而产生抖动现 象，极大的影响了轿车的乘座舒适性。而且对离合器从动盘式扭振减振器的设计 和改进，往往受限于离合器从动盘上的有限空间，难以达到对汽车动力传动系统 扭振及扭振噪声控制的较高要求。在实际应用过程中，离合器从动盘式扭振减振 器存在着一些严重的缺点，主要表现在以下两方面： 1 ) 不能使发动机变速器振动系统的固有频率降低到怠速频率以下，因此不能避 免在怠速转速时的共振。 2 ) 由于受离合器结构空间限制，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、刚度大、工作环境差，致使减振器在使用 过程中经常出现弹簧断裂和弹簧松动失效等现象。 由于离合器从动盘式扭振减振器的以上缺点，开发一种能更有效减振和降噪 的扭振减振器变得非常有实际意义，双质量飞轮扭振减振器就是在离合器从动盘 式扭振减振器的基础上研发出来的一种新型高效的扭振减振器。 双质量飞轮式扭振减振器与传统的离合器从动盘式扭振减振器相比较，最大 特点是弹性元件两端的质量分配发生了很大变化。由于双质量飞轮式扭振减振器 的结构特点，使得减振器发动机一侧的旋转质量变小，而传动系一侧的旋转质量 增大。从而使得传动系一侧的响应的幅度减小，若再加上减振器的缓冲和衰减， 所以传动系的扭振及其噪声得到有效地控制。相对离合器从动盘式扭振减振器来 说，双质量飞轮扭振减振器有以下的优势： 1 ) 可降低动力传动系统的固有频率，以避免怠速时的共振。 2 ) 通过修改转动惯量、刚度、阻尼，实现对汽车动力传动系统扭振的综合控制， 在汽车的正常行驶工况下具有优良的减振隔振效果。 ， 3 ) 克服了离合器从动盘式扭振减振器的缺点和不足，加大减振弹簧的分布半径， 降低减振弹簧扭转刚度，并增大扭振转角，提高了减振和隔振性能。 4 ) 由于双质量飞轮减振器的减振效果较好，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。而离合器从动盘总成取消减振器，转动惯量小，换 档容易。 5 ) 抑制启动、停车时发动机产生的噪声，提供发动机全部转速范围内优良的减 振性能。 6 ) 使传动系统各部件的使用寿命加长，提高了传动系传动效率，减小汽车的燃 料消耗量，提高经济性。 7 ) 可较多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。 2 第1 章绪论 1 2 双质量飞轮工作原理及分类 1 2 1 双质量飞轮工作原理及性能分析 作为对离合器从动盘式扭振减振器的继承和发展，双质量飞轮式扭振减振器 的具体结构虽不尽相同，但都由第一飞轮、第二飞轮和扭振减振器这三部分组成。 第一、第二质量之间通过扭振减振器相联，工作时它们之间有相对转动。双质量 飞轮式扭振减振器实质上是一种不但能传递低频转速变化，还能吸收高频转速变 化的低通滤波器。这样就可避免高频激励与传动系的某阶固有频率重合而发生共 振，从而使汽车在正常行驶车速范围内不会产生扭振共振。双质量飞轮基本结构 见图1 1 所示。 l23 风 if 卜 i 率 l 7 e 了l n 哼l 州| j _i 抄 筐 。 一 ( 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 图1 1 两种不同类型扭振减振器的基本结构 p 器 c 。r _ 卜 图1 2 双质量飞轮动力学模型 3 第1 章绪论 图1 2 所示为简化的双质量飞轮动力学模型，其中： i 。：双质量飞轮发动机一侧的转动惯量，单位k g m 2 。 1 2 ：双质量飞轮传动系一侧的转动惯量，单位k g m ? 。 p 1 ，0 2 ：分别为i l 和1 2 的角位移，单位r a d 。 k ：双质量飞轮的扭转刚度，单位n m r a d 。 e ：双质量飞轮干摩擦阻尼力矩，单位n m 。 乃伽c a t ：假定的正弦激励，6 0 为激励圆频率。 根据摩擦阻尼力矩大小的不同，可以分别建立其动力学方程式( 1 1 ) 、式 ( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 、式( 1 4 ) 。 当陋( 岛一嘭) l c 时 ，q + k ( o j 一岛) + c s i g n ( o ，一见) = t s i n o ) t ( 1 3 ) ，2 岛+ k ( 0 2 一岛) + f r s i g n ( 0 2 一q ) = 0 ( 1 4 ) 对于两自由度系统固有频率f 表示为： 1 jc = i z 万 ( 1 5 ) 由式( 1 5 ) 可以得出，系统固有频率与飞轮转动惯量i 。，i 。和扭转刚度k 有关。当i ，= i ：时，f 最小。由于离合器从动盘式的i z ) ) i 。，所以系统的固有频 率不会太低，通常在4 0 h z 7 0 h z 左右，对于四缸发动机来说，相当于发动机转 速，z ，= 1 2 0 0 2 1 0 0 r m i n 。该转速高于发动机的怠速转速。而双质量飞轮的转动惯 量比可以接近l ，加上减振弹簧分布半径增大，可以减小减振弹簧的刚度k ，所 以，双质量飞轮的固有频率可以很低，一般可以达到l o h z 左右。此时相当于四 缸发动机转速为3 0 0 r m i n ，远低于发动机怠速转速n ，。从而可以很好的避免发 动机在怠速和以上转速时发生共振。 1 2 2 双质量飞轮的分类和典型结构 双质量飞轮结构中最重要的元件就是弹性阻尼元件，所以其分类方法一般根 据所采用的弹性元件和阻尼类型来划分f l 】。主要分类如图1 3 所示。 4 第1 章绪论 在多年的发展过程中，双质量飞轮式扭振减振器出现了多种不同形式。人们 从不同的角度出发，研究解决实际应用中的一些问题，提出了各自的解决法案， 最终使双质量飞轮式扭振减振器的性能不断提高。下面介绍几种典型的双质量飞 轮结构。 1 ) 采用短、轻弹簧的双质量飞轮式扭振减振器 由于双质量飞轮的特殊构造和工作原理，飞轮的弹簧磨损比较厉害。为解决 这个问题，选择轻的弹簧，使离心力减小；同时又因弹簧长度短，径向弯曲和周 向变形也小，因而较好地解决了弹簧的寿命问题。为保证传递足够大的转矩，通 常有多组弹簧共同工作。为使减振器在各种不同工况下均能很好地工作，人们常 将弹簧分组，各组弹簧刚度不一样，起作用的时间不一样，从而获得良好的非线 性特性。具体结构见图1 4 、图1 5 。 图1 4 采用短、轻弹簧的舣质量飞轮 5 蓦 ，-i_。，、-l 匝产习一 晷熹 固 匿 第l 章绪论 图1 5 采用多组弹簧的双质量飞轮 2 ) 采用橡胶弹簧的双质量飞轮式扭振减振器 图1 6 所示的减振器用橡胶弹簧替代了前一方案中的钢丝螺旋弹簧。这种结 构就不存在前述的弹簧磨损的问题，同时由于橡胶的非线性弹性特性和高的内阻 尼，使得减振器的弹性特性更为合理，同时还简化了结构。其主要缺点是橡胶弹 簧易老化，长时间工作后，橡胶发热，阻尼力下降。 图1 6 采用橡胶弹簧的d m f 3 ) 采用粘性油脂阻尼、长螺旋弹簧的双质量飞轮式扭振减振器【2 j 如图1 7 所示，这种减振器在飞轮第一质量和减振器之间形成一个封闭的隔 腔。在隔腔内布置弹簧，同时在隔墙内充满油脂。由于油脂在对运动起阻尼作用 的同时也润滑弹簧，所以可加长弹簧长度，增加其有效压缩量，进而使飞轮两质 量间可有较大的相对扭转角( 一般可达2 0 - 3 0 0 ，最高可达4 5 0 ) 。由于其扭转刚 度小，共振频率低，因而控制扭振和噪声的能力增强。其主要缺点是密封困难， 同时阻尼力大小不易控制，加工精度要求高。这种双质量飞轮扭振减振器是目前 6 第1 章绪论 世界上最具有代表性的双质量飞轮。 图1 7 采用粘性阻尼、长螺旋弹簧的d m f 4 ) 径向双质量飞轮【3 】 径向双质量飞轮式扭振减振器的结构特点在于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，其侧板和从动板通过 两个传动销分别与飞轮的第一质量、第二质量相连。这样布置弹簧可使得减振器 具有非常理想的非线性弹性特性。与弹簧周向布置的减振器相比，径向双质量飞 轮式扭振减振器还有如下优点：弹性特性和阻尼特性比较稳定；受离心力的影响 比较小；结构比较简单。如图1 8 。 l - 第一质量传动销2 一第二质量传动销 图1 8 径向双质量飞轮结构原理图 5 ) 液力双质量飞轮式扭振减振器 如图1 9 所示为液力双质量飞轮式扭振减振器。这是八十年代末、九十年代 初出现的一种新型的双质量飞轮式扭振减振器。其基本工作原理为：油路连接飞 轮第一、第二质量，液压泵驱动油液传递动力，在不同的工况下，不同的阀体处 于不同的工作状态，控制阻尼的大小，利用减振弹簧室来平滑转矩波动，并由弹 7 第l 章绪论 簧室大小控制极限转角。这种形式的双质量飞轮式减振器的性能优良，结构紧凑 但加工制造成本较高，控制系统复杂。 幽i1 0 带滑动轴承的d m f 结构 13 双质量飞轮国内外研发现状 双质量飞轮是上世纪八十年代中期出现并发展起柬的一项技术。据j a s e 资 料介绍，双质量飞轮首次出现是在1 9 8 4 年，它被装在r 本丰田汽车公司 ( t o y o t a ) 的“m a r k ”汽车上。虽然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统双质量飞轮式扭振减振器发展史上的 一个转折点。 第1 章绪论 1 9 8 5 年，德国宝马公司( b m w ) 首次将双质量飞轮作为产品装备车辆，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 0 u 界上最安静的柴 油车) ”。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 牟e 装备 了职质量飞轮，大大降低了这些汽车动力传动系统的扭振和扭振噪卢。与此同时， 世界上其他国家，如法国、英围、美国等汽车生产大国，都进行了双质量飞轮产 品的研制和开发，其中尤其以德国和法国的成果最为显著。 到上世纪9 0 年代初双质量飞轮产品己基本趋于成熟。在此期间出现了大量 的专利产品，并且在s a e 上出现了研究双质量飞轮的论文5 。与此同时双质 量飞轮产品也山原来简单的机械干摩擦式发展到液力阻尼式机液一体化的现代 化产品，产品应用范围也由用于柴油牟发展到用于汽油车、大客车、中高档轿车 上。目前，欧洲汽车开始广泛使用这种新型扭振减振嚣，而传统从动盘式扭振减 振器正逐渐退出历史舞台。 目前，国外在双质量飞轮研发领域里做的比较优秀的主要有以h l 个公司； 1 ) l u k 公司j ：离台器的专业生产厂商l u k 公司也生产双质量飞轮，并为宝 马l 系列轿车配套，如图1 1 l 所示。 l u k 公司的新型双质量b 轮材料强度比传统的材料要高出3 0 i 右。利用 这此新的材料和新的设计，l u k 公司新一代飞轮的质量减少了2 0 * 0 左右，转动 睽量也减少了2 6 j t ：右。新的设计和改进满足了发动机动巷性能不断提高的各种 要求。l u k 公可通过减少初级飞轮钢质结构件的横截面积以尽可能地降低自振 频率，避免e 振的产生。同时l u k 公司也对弧形弹簧和连接件之间的滑动支承 件与滑块进行了改进，这种模块化的组件结构允许双质量飞轮采用不同刚性的弹 簧，有利于对各个不同的工作点及发动机的振动进行优化，并减轻了发动机重量。 垮 幽1 1 il u k 公司的， 】【质昔e 轮 圃 第1 章绪论 2 ) z f - s a c h s 公司：z f 公司生产的行星齿轮式双质量e 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。如陶1 1 2 所示。 削i1 2 z f 公司生产的d m f 3 ) g a t 公州：z f 公司与g i f 公司合资的g a t 驱动技术公司为16 l 汽油发动机 研发并生产了被称之为“m t d ”的机械式扭矩减振器。这种减振器的主减振器外 圈均匀地分布着5 个传动元件，可隔离发动机产生的高频振动，从而有效防止变 速器和车架的振动和噪声。当发动机启动与停止时，也包括汽午行驶中发动机低 速工作负载变化时，m t d 机械式扭矩减振器使发动机的振动情况大为改观，因 为它能够根据发动机转速自动地啮合，并与 减振器一样，通过几何形状的变化 和润滑介质的变化很好地满足车辆行驶的稳定性要求。轴向和径向的干式滑动配 合可以使两个飞轮质量很好地相互匹配。如图ii3 所示。 斟113 g a t 公司生产的d m f 4 ) e x e d y 公司：直弹簧式双质量飞轮由于长度短，易制造，工艺性好。如图 1 1 4 所示。 第l 章绪论 图11 4 e x e d y 公司取质量b 轮 国外对双质量飞轮的研究比较主要包括两个方面。第一：分析双质量飞轮的 结构，对双质量飞轮进行性能分析和仿真计算口l 【9 】；第二：结合汽车动力传动系 统柬分析坝质量飞轮对动力传动系的输出特性的影响和改善 10 】。研究方法主 要包括仿真分析法和实验台架法，考虑发动机的激励柬分析整车动力传动系统的 输出特性，从而对坝质量飞轮进行优化匹配。同时通过计算研究米确定双质量飞 轮参数的理想取值。具体研究内容见文献 1 2 1 3 】。 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、消化丁离台器从动盘式扭振减振器的生产和设 计技术。但对于双质量飞轮国内尽管有一些汽车公司和高校开展了研究，也生 产出了样件，但还没有投入生产。国内一些装备有双质量飞轮的中高档轿车主 要还是依靠进口。 随着我国汽车自主品牌研笈速度的加快、研友力度的加强，国内汽车制造厂 商和高校合作程度的加深，双质量飞轮的研发工作取得了很大的进展。目前的研 发工作主要还是集中在大型货车或高档轿车的双质量飞轮研发卜，研究方法包括 仿真分析和实验台架法，研究内容包括对双质量飞轮结构及弹簧特性的分析u 4 ； 双质量飞轮动力传动系统固有特性分析，采用计算机仿真和试验相结合的 方法来进行动力传动系统输出特性分析”“。 第1 章绪论 1 4 论文选题依据和意义 双质量飞轮动力传动系扭振特性研究及其关键参数优化课题是国家高技术 研究发展计划( 8 6 3 计划卜基于虚拟试验场的整车多学科多目标优化设计技术 ( 编号：2 0 0 7 a a 0 4 2 1 3 2 ) 的子课题，是双质量飞轮研发的重点项目。表明了双 质量飞轮研发从国外引进到自主研发的过渡。 随着我国汽车工业的不断发展，国产化和自主研发变得越来越重要，以往的 单靠引进国外技术和产品的做法已经没有办法适应我国汽车工业的发展。在此前 提下，国家加大了自主研发的投入，从而弥补自主研发领域国产化的空缺。根据 大量的市场调查发现，随着汽车乘坐舒适性要求的提高，国内的轿车已经开始配 备双质量飞轮，但还没有普及。国外一些汽车生产厂商已经广泛地将双质量飞轮 应用到中高档轿车中，而中低档轿车也开始使用双质量飞轮。在国内，一般只有 在大型柴油车上使用双质量飞轮，轿车上的双质量飞轮主要还是靠国外引进。但 是国内轿车市场对其需求较大，在中高档轿车上使用双质量飞轮变成一种趋势。 可以预见，自主开发双质量飞轮扭振减振器，实现双质量飞轮扭振减振器的国产 化，具有广阔的市场前景和战略意义。 1 5 论文主要研究内容 本文研究目的是通过对轿车动力传动系统建模和仿真；对比分析双质量飞轮 式和离合器从动盘式动力传动系统在汽车正常行驶以及怠速、高速行驶情况下的 扭振特性；对动力传动系统扭振的主要影响因素进行研究；在此基础上对双质量 飞轮的关键参数进行优化设计，得出双质量飞轮参数的最佳取值，以针对不同的 动力传动系统，更好的实现双质量飞轮的设计匹配。主要研究内容包括： 1 ) 建立双质量飞轮式和离合器从动盘式扭振减振器的动力传动系统的动力学模 型，计算两种不同类型减振器动力传动系统的固有频率和振型，然后对动力传动 系进行怠速扭振分析，同时计算两种动力传动系统的复模态，得出阻尼对动力传 动系固有特性的影响。 2 ) 建立双质量飞轮三维实体模型，采用a d a m s 软件对双质量飞轮进行仿真分 析，得到双质量飞轮的输出特性曲线。然后建立动力传动系统的集中质量弹性 阻尼一离散化模型，并加载发动机激励，进行两种不同类型扭振减振器动力传动 系统高速行驶时的受迫振动分析，得出动力传动系统中各个部件的输出响应。 3 ) 确定动力传动系统中双质量飞轮的优化设计变量，选择正确的优化方法，建 立合理的优化目标函数和约束条件，在动力传动系统最佳输出响应前提下，对双 1 2 第l 章绪论 质量飞轮各参数的最佳取值范围进行设计研究。 4 ) 在设计研究的基础上，对双质量飞轮关键参数进行单独优化以及综合优化， 得到各个参数的最佳取值。 5 ) 采用有限元方法对优化后的双质量飞轮关键零部件进行强度计算和校核。 6 ) 采用有限寿命设计理论和方法进行d m f 关键零部件疲劳寿命的计算。 第2 章双质量飞轮动力传动系同有特性分析 第2 章双质量飞轮动力传动系固有特性分析 车辆动力传动系统通常由发动机、传动系以及车辆的驱动部分和车辆质量组 成。这些元件构成了一个扭转振动系统，有着自己的固有特性，即固有频率和固 有振型。车辆在正常行驶过程中，发动机气缸内周期性变化的燃气压力和发动机 部件往复运动时的惯性力以及车辆行驶过程中变化的阻力等都会作用到传动系 统，引起传动系统的扭转振动。当发动机的工作频率在传动系统的固有频率附近 或与其相重合时，传动系统会产生较大的扭转振幅，引起较大的动态应力，从而 导致传动系统相关零部件寿命的下降，甚至因为强度不足而损坏，严重影响车辆 的工作可靠性和使用寿命。所以对整车动力传动系固有频率和固有振型的研究意 义重大。 本章以某轿车动力传动系统为研究对象，对采用离合器从动盘式扭振减振器 和采用双质量飞轮式扭振减振器的动力传动系进行固有特性的计算以及对比研 究。 2 1 动力传动系固有特性实模态分析n 阳 2 1 1 实模态基本理论 对于一个1 1 自由度的无阻尼自由振动系统，如果选定一个常规的物理坐标 系，以各个自由度的位移为变量，那么其运动微分方程可以表示为： m 扛) + 足 扛 = o ) ( 2 1 ) 式中 m 和 k 】分别为系统的质量矩阵和刚度矩阵，它们都是n x n 维的实对称矩 阵，1 x ) 为n 维列位移向量。 设该微分方程的解为) = 口 s i n c ot ，代入上式经整理后可得到： 缈2 【m 】 + k 】) = ( o ) ( 2 2 ) 【a 扛 = 国2 扛) ( 2 3 ) 式中：【a 】- 【m 4 k 称为系统矩阵。 由式( 2 3 ) 可以得n - ( 【a 】一缈2 i ) 就是 a 的特征矩阵， a 的特征方程就 是 d e t 旺a l 一国2 【，】) = n 似一( 0 2 ) = o ( 2 4 ) 1 4 第2 章双质量飞轮动力传动系同有特性分析 由此解得n 个特征值名，将五，分别代入式( 2 3 ) 便可以得到相应的特征向 量( 佴) ，即丑和( 佛) 之间满足： a ( 孵) = 霹( 纬) ，y = l ，2 ，3 1 1 ( 2 5 ) 系统矩阵 a 的第，阶特征值z ，就是系统作第r 阶自由振动时振动固有频率 ( 也称作模态频率) 的平方值。特征值的数目既等于系统矩阵的阶数；也等于系统 的自由度数。对应于每个特征值，相应的有一列特征向量，特征向量 佴) 又称 为第，阶特征振型，或称为固有振型，也可以称为固有模态振型。 系统各阶特征向量关于质量矩阵和刚度矩阵正交，用矩阵形式可以表达为 眵r 阻肜】= 阻，】，眵r k 髟】_ k ，】，k ，批，】= k 】 ( 2 6 ) 式中： + 阻，】= 讲昭k 。，m ：加。】，k ，】_ d i a g k 。，k 2 k 。】 k j - 旃昭k ，置z j ，眵】= 氟) ， 攻) 丸) 】 ( 2 7 ) 其中研，称为广义质量又称模态质量，后，称为广义刚度又称模态刚度。只有当特 征向量 体) 作确定的正则化处理后，它们的数值大小才会确定。阻，】称为广义 质量阵或者模态质量矩阵，医，】称为广义刚度阵或者模态刚度矩阵，【矽】称为模 态振型矩阵或者简称为模态矩阵。 对于有阻尼振动系统，如果阻尼矩阵 c 】- 口 m + f l k 】，其中口和为常数， 满足眵】r 【c 移】= 眵r m 】+ k 眦】_ 口阻，】+ k ，】= 【c ，】，则称这种阻尼为 g e y l e i g h 阻尼。在物理坐标系中，n 自由度的r e y l e i g h 阻尼强迫振动系统的运动 方程为 阻戤 + 【c k ) + 医 = 扩 ( 2 8 ) 一般情况下 m 】和 k 】至少有一个为非对角矩阵，因此上式是一组耦合方程。 如果以满秩的模态矩阵 作为新坐标系的基向量矩阵，对变量扛 进行一种 线性变换 = 白) ( 2 9 ) 则可将式( 2 8 ) 变换如下： 眵】7 融髟托) + 眵】7 【c 髟】舀) + 眵】7 k 肜b ) = 眵】r 扩) 阻，】话) + 【c ，】舀) + i x ，】白 = 眵r 杪) ( 2 1 0 ) 由于阻，】、【c ，】和k ，】都是对角矩阵，因此在新的坐标系中系统运动方程是 一组无耦合的方程，从( 2 8 ) 到( 2 1 0 ) 的过程实现了微分方程的解耦。新的坐 标系被称为模态坐标系，) 即为模态坐标向量。 第2 章双质量飞轮动力传动系同有特性分析 使方程( 2 8 ) 解耦的数学变换过程就是将在物理坐标系统中描述的物理模 型转化为在模态坐标系统中描述的模态模型。从物理意义上来认识，这是一种从 力的平衡方程变为能量平衡方程的过程。方程( 2 8 ) 是根据d a l e m b e r t 原理和 h o o k 定律建立的，其理论基础就是力的平衡。而在模念坐标系中，模态坐标g ，代 表在位移向量中第i 阶固有振型( 模态振型) 所作的贡献，方程( 2 1 0 ) 实质上 是能量平衡方程。任何一阶固有振型的存在，并不依赖于其它固有振型是否同时 存在。这就模态坐标得以解耦的原因。 2 1 2 动力传动系扭振建模 由于轿车动力传动系统的质量和弹性分布很不均匀，采用多柔体方法建立其 动力学模型时，模型较为复杂，而且计算量大、求解困难。因此，在进行扭振分 析时，将动力传动系统简化为多自由度集中质量一弹性一阻尼离散化模型处理。 经过长期的研究和实践，人们总结出了确定轿车动力传动系的当量力学模型中的 质量、刚度、阻尼的一般原则。本章在建立模型时主要遵循以下几个原则【1 9 j ： 1 ) 将扭转弹性小、转动惯量大的构件( 如齿轮等) ，简化为刚体惯量块； 2 ) 将扭转弹性大、转动惯量小的构件，简化为无惯量的扭转弹簧； 3 ) 对于扭转弹性较大、转动惯量大的构件，其刚度的影响分配到其附近的扭转 弹簧上； 4 ) 对于扭转弹性大、转动惯量较大的构件，其转动惯量的影响分配到附近的惯 量块上； 5 ) 因阻尼对振动固有特性的影响不大，故不予考虑； 6 ) 将各轴的刚度及其上的惯量进行等效转化； 7 ) 车辆平动部分的影响以等效的方式转化到传动系统的基准轴上； 下面以上汽某轿车动力传动系统为研究对象，依照以上的建模原则和仿真计 算需要，分别建立了1 3 自由度的双质量飞轮式扭振减振器和离合器从动盘式扭 振减振器动力传动系的当量力学模型【2 0 1 。如图2 1 、图2 2 所示。 1 6 第2 章双质量飞轮动力传动系同有特性分析 j l 丁2 m im 2 厂、厂、 j 3丁4 m 3 m 厂、厂、 丁5 j 6 j t t 叠丁9 丁1 0 j l lj 1 2 j i s j 8 图2 1 离合器从动盘式扭振减振器传动系动力学模型 恐必必必厂、厂、厂、厂、 j 3j 4 j 5j 6 j 1 了20 00 0 丁7 j 8 k 8 。x 9 ，。w 。2 图2 2d m f 式扭振减振器传动系动力学模型 其中：j i 代表零部件的转动惯量；k i 代表零部件的扭转刚度；m i 表示发动机各曲 柄连杆机构激励扭矩。 j 1 一发动机附件、减振器外环转动惯量； j 2 一发动机曲轴前端总成转动惯量； j 3 一第一曲柄连杆机构转动惯量； j 仁第二曲柄连杆机构转动惯量； j 5 一第三曲柄连杆机构转动惯量； j 仁第四曲柄连杆机构转动惯量； j 7 i 曲轴末端总成、离合器压盘总成转动惯量( 图2 1 ) ； j 7 一双质量飞轮第一质量转动惯量( 图2 2 ) ； j 8 一离合器从动盘总成、从动盘毂转动惯量( 图2 1 ) ； j 8 一双质量飞轮第二质量转动惯量( 图2 2 ) ； j 9 _ 变速器第一轴转动惯量； 1 7 第2 章双质量飞轮动力传动系同有特性分析 j 1 旺变速器第二轴转动惯量； j 1l 一主减速器传动齿轮转动惯量； j 1 2 一差速器、两个半轴之半转动惯量； j 1 3 一两个半轴之半、驱动轮和轿车平动部分转动惯量； k l 一发动机附件及其减振器至曲轴前端总成扭转刚度； k 2 一发动机减振器至第一曲柄连杆机构扭转刚度； k 3 一第一曲柄连杆机构至第二曲柄连杆机构扭转刚度； k 仁第二曲柄连杆机构至第三曲柄连杆机构扭转刚度； k 5 一第三曲柄连杆机构至第四曲柄连杆机构扭转刚度； k 仁第四曲柄连杆机构至曲轴木端总成扭转刚度； k 卜离合器从动盘扭振减振器扭转刚度( 图2 1 ) ； k 7 一双质量飞轮扭振减振器扭转刚度( 图2 2 ) ； k 8 一变速器第一_ 轴扭转刚度； k 9 - 变速器第二轴扭转刚度； k l 旺主减速器传动齿轮轴扭转刚度； k i1 一差速器轴扭转刚度； k 1 2 一两个半轴、车轮刚度； 2 1 3 模型中各参数的确定 当量模型中各个参数( i 】转动惯量、【k 】扭转刚度) 的确定比较复杂，其中 发动机部分由上汽齿轮三厂提供，传动系部分参数则是结合经验公式以及汽车工 程手册【2 l j 同时参考同类型车某档位工况下的数据得到。其中双质量飞轮转动惯 量分配参考第1 章分析计算得到的结果，这里暂定双质量飞轮第一质量和第二质 量比为1 ：1 。扭转刚度则根据研究经验给出，扭转刚度则暂定为传统离合器从 动盘式扭振减振器刚度的1 7 。参数具体见附表 一】、附表 二】。 2 1 4 动力传动系扭转振动方程 研究表明，机械动力传动系的振动阻尼一般较小。参考关于汽车动力传动系 扭振研究的资料，发现通过计算确定的无阻尼固有振动频率和实测的频率往往能 很好的吻合，而且阻尼参数的确定和计算比较困难，所以先对其无阻尼扭振固有 特性进行分析。 根据牛顿第二定律，结合轿车动力传动系简化模型( 图2 1 ，图2 2 ) 可以得 到振动方程组为： 第2 章双质量飞轮动力传动系| 古l 有特性分析 ，l 1 + k l ( l 一2 ) = m l ，2 2 + k l ( 2 一1 ) + k 2 ( 2 一3 ) = m 2 1 3 0 3 + k 2 ( 0 3 一2 ) + k 3 ( 3 一4 ) = m 3 ( 2 1 1 ) ，4 4 + k 3 ( 4 一3 ) + k 4 ( 4 一5 ) = m 4 厶3 1 3 + k 1 2 ( 1 3 一1 2 ) = 0 其中 i 为转动惯量矩