（机械制造及其自动化专业论文）双质量飞轮系统扭振特性研究.pdf

摘要 汽车动力传动系统扭转振动是影响发动机工作可靠性和使用寿命的主要因 素之一。该系统如同其它弹性系统一样，在发动机燃气爆发压力、运动件质量 及其往复惯性力和行驶阻力矩变化等激振作用下，产生扭转振动。当激励力矩 的频率与系统固有频率相同或相接近，就会产生共振，影响乘坐舒适性以及汽 车通过性甚至危及汽车的寿命、等等。随着发动机向超高速、轻型、大功率方 向发展，其扭转振动问题日趋严重，对振动控制的要求却日益严格，因此，对 汽车动力传动系统扭转振动问题的研究具有重要意义。 本论文以江铃某款匹配了柴油发动机和双质量飞轮d m f 的越野车动力传 动系统为对象，重点对其动力传动系统的以下方面进行研究：( 1 ) 系统扭振模型 的建立；( 2 ) 自由扭振计算、激振分析以及发动机激励下的强迫扭振分析；( 3 ) 汽车动力传动系统扭振特性分析软件设计；( 4 ) 仿真计算与试验验证。 首先介绍了汽车扭振特性分析研究相关的国内外发展现状，特别是扭振系 统建模方法、计算方法以及双质量飞轮减振器相关状况等，并提出了研究的内 容，目的及意义。 其次，介绍了扭振系统当量建模的理论，根据扭振系统当量转化原则并结 合发动机的结构特点，利用三维设计软件与有限元分析方法，对发动机、 变速器及其后传动系统各部件进行等效转化，建立汽车动力传动系统不同档位 下的扭振动力学计算模型； 第三，根据扭振计算和分析理论，对汽车双质量飞轮动力传动系统的自 由扭振进行分析和计算，对发动机激振源进行了简谐分析，并用动力放大系数 法计算了双质量飞轮动力传动系统在发动机激振下的强迫扭转振动； 第四，集成汽车动力传动系统扭振特性分析的方法，设计并开发了汽车动 力传动系统扭振特性分析软件，实现快速高效的自由扭振、发动机激振、强迫 扭振的计算分析； 最后，利用机械系统动力学软件a d a m s 进行仿真计算，与理论计算结果对 比，具有良好的符合性，这充分证明了双质量飞轮动力传动系统具有的优良减 振特性。 关键词：双质量飞轮，扭转振动，动力传动系统，当量转化，简谐分析 a b s t r a c t t o r s i o n a lv i b r a t i o no fp o w e rt r a i ns y s t e mi so n eo ft h em a i nf a c t o r sw h i c h a f f e c t sw o r k i n gr e l i a b i l i t ya n dl i f e s p a no fe n g i n e ，嬲w e l la sr i d ec o m f o r t l i k eo t h e r e l a s t i cs y s t e m ，i tc a u s e st o r s i o n a lv i b r a t i o nu n d e ra c t u a t i n ga c t i o n ss u c h 弱p i s t o n p r e s s u r e ，w e i g h to fm o v i n gp a r t s ，r e c i p r o c a t i n gi n e r t i af o r c e ，r e s i s t a n c em o m e n t d u r i n gd r i v i n g w h e nt h ef r e q u e n c e so fa c t u a t i n gt o r q u ee q u a l so ri sc l o s et o t h e f r e q u e n c e so fn a t u r a lc h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c e s ，i tc a nc a u s er e s o n a n c e ，e n d a n g e r v e h i c l el i f es p a n , r i d ec o m f o r t , p a s s i n ga b i l i t ya n d8 0o n w i t he n g i n ed e v e l o p m e n t t u r n i n gt oh i g h e rs p e e d ，l i g h t e rs i z ea n dm o r ep o w e r f u ld i r e c t i o nn o w a d a y s ，t h e t o r s i o n a lv i b r a t i o nb e c o m e sm o r es e r i o u s ，o nt h eo t h e rh a n d , t h er e q u i r e m e n t s b e c o m e st om o r es t r i c t ，笛ar e s u l t , i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c eo fs t u d y i n gt o r s i o n a l v i b r a t i o no fp o w e rt r a i ns y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st o r s i o n a lv i b r a t i o no fp o w e rt r a i ns y s t e mo fat y p eo f s u va u t o m o b i l em a t c h i n gv md i s e la n dd u a lm a s sf l y w h e e l ( d m f ) ，m a i n l y i n c l u d e s4a s p e c t s ：( 1 ) t o r s i o n a lv i b r a t i o ns y s t e mm o d e lw a sb u i l t ；( 2 ) t h en a t u r a l c h a r a c t e r i s t i cw a sc a l c u l a t e d ，a n a l y s i so fa c t u a t i n ga c t i o na n dr e s p o n s eo ff o r c e d v i b r a t i o n ；( 3 ) as o f t w a r es o l v i n ga n a l y s i so ft o r s i o n a lv i b r a t i o no fp o w e rt r a i ns y s t e m w a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d ；( 4 ) s i m u l a t i n gc a l c u l a t i o na n dt e s tv e r i f i c a t i o n f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft o r s i o n a lv i b r a t i o n a n a l y s i so fp o w e rt r a i ns y s t e ma th o m ea n da b r o a d ，e s p e c i a l l ya b o u tm o d e lb u i l d i n g m e t h o d ，c a l c u l a t i n gm e t h o d ，a sw e l la sd m fd a m p e r a n dt h e nt h es t u d yc o n t e n ta n d i t ss i g n i f i c a n c ew e r ei l l u s t r a t e d s e c o n d l y , t h e o r yo fe q u i v a l e n tm o l e lb u i l d i n go ft o r s i o n a lv i b r a t i o ns y s t e mw a s i n t r o d u c e d ，b ym e a n so f3 dd e s i g ns o f t w a r ea n df e am e t h o d ，b a s e do ne q u i v a l e n t m o d e lb u i l d i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fv me n g i n e ，t h ee q u i v a l e n tm o d e lo fp o w e r t r a i ns y s t e mu n d e rd i f f e r e n tg r a d eg e a r s h i f tw a sb u i l t t h i r d l y , o nt h eb a s i so ft o r s i o n a lv i b r a t i o nt h e o r ya n da n a l y s i sm e t h o d ，n a t u r a l c h a r a c t e r i s t i co fp o w e rt r a i ns y s t e mo ft h ea u t o m o b i l em a t c h i n gv md i s e la n dd m f w a sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d ，a n dh a r m o n i ca n a l y s i so ft h ee n g i n ew a sd o n e i nl i g h t o fd y n a m i cm a g n i f i c a t i o nf a c t o rm e t h o d ，t h er e s p o n s eo ft h es y s t e mw i t hd m fu n d e r e n g i n ec o m p e l i n gw a sc a l c u l a t e d 1 1 f o u r t h l y , t o r s i o n a lv i b r a t i o nt h e o r ya n da n a l y s i sm e t h o dw a si n t e g r a t e dt od e s i g n at o r s i o n a lv i b r a t i o na n a l y s i ss o r w a r eo fp o w e rt r a i ns y s t e m ，w h i c hc h * lr e a l i z e e f f i c i e n tc a l c u l a t i o n ，a n a l y s i so fn a t u r a lc h a r a c t e r i s t i ca n de n g i n ea c t u a t i o n & r e s p o n s eo ff o r c e dv i b r a t i o n f i n a l l y , s i m u l a t i o no fd y n a m i ca n a l y s i sw a sd o n eb yt h es o f t w a r ea d a m s ， w h i c hw a sc o m p a r e dw i t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，b o t hr e s u l t sa g r e e dw i t hv e r y w e l l t h e r e f o r e ，f r o mt h es t u d yo ft h i sd i s s e r t a t i o n , w ec a nf u l l yc o n f i r mt h a td m f p o w e r t r a i n t r a n s m i s s i o ns y s t e mp o s s e s s s e sb e t t e r d a m p i n ge f f e c t t h a no t h e r p o w e r t r a i nt r a n s m i s s i o ns y s t e m k e y w o r d s ：d u a lm a s sf l y w h e e l ( d m f ) ，t o r s i o n a lv i b r a t i o n ，p o w e rt r a i ns y s t e m ， e q u i v a l e n tt r a n s f o r m a t i o n , h a r m o n i ca n a l y s i s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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。 签名 日期： 关于论文使用授权的说明 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) 签名导师签名：期： 邛 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 汽车动力传动系由发动机、变速器、传动轴、驱动桥总成、车轮等部件组 成，是一个复杂的轴系振动系统，它存在三种振动类型，包括横向振动、纵向 振动和扭转振动。在轴系振动系统中，扭转振动比其他两种振动更容易产生事 故n 1 。它会危及到汽车的使用寿命和乘坐舒适性甚至人身安全，因此，汽车动 力传动系统的扭转振动是一个值得研究的课题。 1 1 汽车动力传动系统扭振特性研究概况 1 1 1 国内外研究概况 国外从十九世纪末就开始研究轴系的扭振乜h 制。1 9 1 6 年德国盖格尔发表了 用机械式盖格尔扭振仪晦1 测量轴系扭转振动的文章，扭转振动的研究进入实测 和试验阶段儿3 1 ，初步建立了一些经验上的和理论上对扭振研究的方法，如自由 扭振的霍尔茨( h o l z e r ) 表格法或托列法，可对共振进行近似计算，而非共振区 的计算仍缺乏有效办法。二十世纪6 0 8 0 年代，由于计算机技术的发展，发动 机向高转速大功率方向发展，扭振更加剧烈，而对汽车的舒适性、疲劳强度、 噪声控制等要求不断提高，促使对扭振的研究全面发展，在计算机上采用霍尔 茨法、托列法、能量法和放大系数法等进行扭振计算和分析，提出了传递矩阵 法、系统矩阵法及有限单元法等方法口1 ，使扭振计算精度提高，非共振区强迫 扭振计算得以解决。由于先进实验装置如光电式、磁电式设备的出现，扭振测 量更精确，范围更广泛。二十世纪9 0 年代以后扭振研究进入纵深发展期，一方 面，通过对耦合振动、偏振、滚振以及非线性振动的研究，建立了更精确的统 一力学模型，如k o u j if u j i i 建立了发动机曲轴平面模型踊1 ，用传递矩阵法求 出曲轴的扭转振动和弯曲振动的解，k w a k a b a y a s h i 进一步提出发动机曲轴三 维空间模型呻3 ，用传递矩阵法求出了曲轴扭振、轴向及两个横向振动的解，并 讨论了几种振动间的耦合关系。 我国对汽车扭振的研究主要始于二十世纪8 0 年代初，并取得一定进展。一 些学者将试验模态分析和模态综合技术用在汽车传动系扭转振动的研究，对传 动系统扭振的试验研究也取得较大进展，张准、彭玉莺n 们n u 等探讨将试验模态 武汉理工大学硕士学位论文 分析用于轴的扭振特性研究，研究表明用试验模态分析轴的扭振是可行的，但 试验模态分析的扭振激励及其响应信号较难采集，该方法未被广泛应用。有限 元理论的发展为精确计算提供了条件，三维有限元分析最为理想，应用越来越 广泛。吉林大学的龚海军h 1 等人就用有限元软件对柴油机扭振分析，并对发动 机减振器的匹配进行了研究，浙江大学的王才峄n 幻等用虚拟样机软件a d a m s 和 有限元分析软件a n s y s 对发动机曲轴轴系用多体动力学的方法进行了扭振研 究，将来还应将发动机曲轴，凸轮轴等等发动机的振动因素综合考虑实现发动 机整机的振动模拟，重庆大学杨碲n 3 1 等也采用多体动力学多汽车扭振进行了分 析，并用a d a m s 软件对发动机的曲轴扭转振动系统建立了虚拟样机模型并用有 限元方法对曲轴轴系进行了扭振特性分析和对比，提出了扭振控制的一些措施， 如扭转减振器的改进设计和通过调整飞轮惯量及改变发火顺序来控制扭振的目 的，此外对发动机遇到紧急情况，如单缸熄火n 钉情况下的扭振也有专门研究。 1 1 2 扭振计算模型的建立方法 在汽车上用作扭振计算的模型可分为两大类：一类是集中质量参数模型， 另一类是均布参数模型h 儿1 2 儿1 5 1 。 ( 1 ) 集中质量模型 该模型将动力传动轴系离散成若干具有转动惯量的圆盘、无质量的弹性轴 以及内部和外部阻尼。这种模型也被称为轴盘模型，其建立过程比较完善，目 前被广泛采用，其分析过程是将汽车动力传动系统的轴系转换为振动计算模型一 当量系统。如某汽车动力传动系统可当量转化为如图i - 1 所示的简化系统，则 其振动方程为具有n 个集中质量的2 n 阶方程组。这种模型的优点是物理概念清 晰，使用简单，计算方便，本文就采用该方法进行研究分析和计算。 ( 2 ) 均布参数模型 该模型的轴系质量沿轴线连续分布，比集中质量模型更接近实际n 6 1 。目前 除对曲轴实体直接进行剖分作为有限元计算模型以外，还有阶梯轴模型，是减 小集中参数模型离散化误差的一种方法，它将轴系等效处理成连续的阶梯轴模 型，具有连续的质量分布。 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) 实际车辆的简化传动轴系示意图 等效的n 个集中质量系 ( b ) 当量轴系 图1 - 1 由实际轴系转换成集中质量系统 1 1 3 扭振计算分析研究方法 ( 1 ) 霍尔茨( h o l z e r ) 列表法 霍尔茨法是一种试算法，可求得振型及自由扭振频率、各质量的相对振幅、 各轴段的相对弹性力矩及应力标尺。基本原理是系统中惯性力矩和弹性力矩平 衡，各集中质量弹性力矩之和为o ，无阻尼自由振动剩余力矩为0 ，试算频率即 为该振型的固有频率。用于估算低阶自由扭振频率，工程中广泛应用 4 1 1 2 1 i s 1 7 。 ( 2 ) 传递矩阵法 采用点传递矩阵和场传递矩阵来研究曲轴的振动。其矩阵的维数不随系统 自由度的增加而增加，各阶振型计算方法相同，计算简单，编程方便，计算需 要的资源少，广泛应在曲轴振动问题上。但在分析自由度较多的复杂轴系时， 由于传递矩阵的误差积累，计算精度下降，高阶频率的计算精度较低。 ( 3 ) 有限元法 有限元法根据变分原理求解数学物理方程的一种数值计算方法，它将轴系 离散为若干个单元，靠节点连接、承载及传递载荷，可较真实地模拟复杂轴系 形状，计算精度较高，但耗时长、占用资源大、编程复杂等u 引。 ( 4 ) 模态分析法 该方法将复杂多自由度系统分解为多个子系统。求出各子系统的若干低阶 模态后根据相邻子系统的位移协调关系或力平衡关系将各子系统组合成整体的 运动微分方程组，导出减缩自由度的综合特征值，从而导出系统自由扭振频率、 振型和响应。该方法减少了系统的自由度，比有限元法显著降低了计算耗时及 武汉理工大学硕士学位论文 内存。若子系统划分合理，可获得较满意的计算精度n 1 。 ( 5 ) 弹性波传递法 由扭转弹性波沿轴向传播特性，弹性波以行波形式向轴线的正、反向传播， 当其中之一经反射或延时后与另一行波相遇，若两者相位合适将叠加成驻波引 起扭振。该法可分析连续参数分布、瞬态边界条件轴系的瞬态响应、稳态响应 及其它振动特性。它仅需解线性方程组，计算量小，可精确快速的分析振动n 引。 ( 6 ) 非线性研究 构造较真实的系统模型通常要考虑各种非线性因素，如变惯量、非线性部 件等，目前模型大都用等效转动惯量( 常量) 考虑活塞、连杆的惯性，而实际是 与转角有关的变量。非线性振动问题已开始受到关注h 儿1 2 1 5 1 。 1 2 扭转振动减振器 为减少汽车动力传动系统的扭振和噪声，采取了多方面措施，例如，采用 多缸发动机；提高加工和制造质量减少零部件的动不平衡量及往复惯性质量； 添加减振皮带轮等。但实践证明，对汽车动力传动系扭振及噪声的控制重点在 发动机与传动系的联接环节上n 9 瑚1 ，即在二者之间用扭振减振器以达到减振和 降噪的作用，扭转减振器的减振效果可从图1 - 2 示乜妇看出。 1ime嘲t,mefsl 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 rw i l ht o r s i o nv i b r a t i o nd a m p e r 图1 - 2 无扭转减振器与有扭转减振器的汽车发动机与变速器加速度变化情况 1 2 1 离合器从动盘式扭转减振器 对扭振及其噪声控制的传统方法是用离合器从动盘式扭振减振器，使动力 传动系中置入一个低刚度环节，并加入适当阻尼，达到隔离发动机激励而控制 传动系扭振的目的。传统离合器从动盘式扭振减振器经过了一系列的转变乜2 儿2 劓， 4 铲苎ll暑藿8宣 武汉理i 大学硕十学位沦文 其典型结构如图13 所示 图l _ 3 统离合器及其从动盘式扭转减振器 髓着汽车性能不断提列以及刘乘座舒适性要求的小断提高，对扭振减振器 的性能要求也不断提高，离台器从动髓式扭振减振器越来越难达到对传动系扭 振控制的较高要求，在实际应用中存在如下不足“：( 1 ) 从动盘结构空问有限， 减振阻尼元器件等很难充分向置：( 2 ) 受空削限制，弹性元件设计尺寸小，刚度、 强度不好满足；( 3 ) t 作扭转角小( 一般为5 - - 1 0 。) ，扣转刚度人，隔振差，振 动噪声严重；( 4 ) 受结构限制，蜮人工作扭矩和转角偏小，减振器工作压力有限。 为，较为彻底解决传动系扭振和噪声问题，需要寻找新的替代产品。积质 量飞轮式扭振减振器便应运而生并得以发腔。双质量飞轮，d u a l m a s s f 1 y w h e e l ( 缩写d ) ，它相当于个机械式低通滤波器，能够将发动机曲轴输 山端的扭转振动高频部分滤掉，以消除对传动系的扣振激励，且_ u 以克服离合 器从动盘式 = i 振减振器的缺点“。；”1 。 122 双质量飞轮( d m f ) 式扭转减振器 双质量飞轮( d m f ) 的减振效果得到了更好的发挥，工作原理是：它将传统飞 轮( 后文称为译质量飞轮s m f ，s i n g l em a s sf l y w h e e l ) 分成两个质量网盘，一 个主飞轮，与发动机曲轴相连，另一个为副b 轮，通过刚性离合器与变速器相 连，两个质最间是扭振日出振器，j 】以传递扭矩并隔离曲轴j 变速器间的扭振。 改变主、副b 轮惯龟和扭转减振器的刚度及阻尼可调节动力传动系的扭振特性。 双质量b 轮有弧形螺旋弹簧式、短轻弹簧式、j 暇制弹簧位置式、橡胶弹簧 武、k 螺旋弹簧式、液力式和多层弹簧式等结构形式。；。最常用的是长螺旋 弧形弹簧式双质量e 轮( d m f c s ) “，本文研究的v m 发动机就匹配了该类型d m i ? 。 d m fc s 集成了离台器从动盘式扭振减振器和单质量飞轮两个部件，主要包 括第l 质量，第2 质量和扭转减振器二个部分。第1 质量山生飞轮、弹簧滑道、 密封圈和启动齿幽等构成，第2 质量包括次级e 轮和拨盘；扭转减振嚣由弹性 机构和阻尼机构组成，其结构如图卜4 所示，第l 质量与发动机的曲轴通过螺 栓联接，第2 质量与离合器壳体用螺钉联接，井通过径向和轴向滑动轴承安装 在第1 质量上，两部分可以相对转动。主e 轮的弧形滑道中安装两对弧形弹簧， 由1 如置半径较大，允讷其有较大的扭转角滑道中充满了粘性油脂，产2 阻 尼作用，同时可减小弧形弹簧的磨损。别e 轮与拨姑铆结，通过拨盘艇缩弹簧t 带动第2 质量转动并传递扭矩。每对周向弧形扭振弹簧由两根直径和殷向不同、 内外弧形弹簧相嵌套构成，形成2 级扭转刚度，即患速绒和】r 常行驶级。息速 时发动机扭矩较小，外圈射l 弧形弹簧i ：作，扭转刚度较小，叮将共振转速降低 到怠速以下；1 f 常行驶时发动机扣矩较大，粗、细弹簧并联作用，扭转刚度较 大，加上阻尼作片i ，具有很好的非线十牛弹性特性。 麓麟燮黧 a ) 戕质量e 轮总城削( b ) 上e 轮与副e 轮部装幽( c ) 性离台器装配蚓 * o d 一“一。“1 ” ( d ) 坤c 质址e 轮爆炸幽 图卜4k 螺旋弧形弹簧式双质量飞轮结构 与传统离合器扭转减振器十1 1 l l ，d ”有如f 优点”】：( 1 ) 减振、隔离，消除 噪l - ：d m f 采用了双级或多级减振元件，扩大了其扭转减振器的工作范围，既 町改善怠速时的扭振，又可减少征常 况下的扭振，并有良好的隔振降噪作i h ： ( 2 ) 低转速运行，节省燃油：d m f 降低了扭振，减小附加转矩，发动机川在相对 武汉理工大学硕士学位论文 较低转速运行，节省了燃油；( 3 ) 减小变速器和曲轴负荷：同样的因附加转矩减 小且可隔离发动机与传动系统的振动，路面不平等引起载荷不均所产生的扭振 附加力矩不能完全传递到发动机，曲轴载荷得以减小，其减振、负荷曲线见图 卜5 口引啪1 ：( 4 ) 减振器空间布置容易，可设计较大的弹性元件尺寸满足刚度、强 度。d m f 可在较大半径范围内布置扭转减振弹簧或弹性元件，其工作扭转角可 达4 5 - - 6 0 。，因而可满足多个工况下的刚度、强度要求。 图卜5 双质量飞轮的转速一加速度特性与转速一负载特性 3 课题研究的意义和内容 1 3 1 课题研究的意义 目前车用发动机向大功率、高速、并在小轿车上用柴油机取代汽油机方向 发展，其往复惯性力和气压爆力引起的各谐次扭转振动总激振力矩幅值加大， 更低主谐次扭转共振进入发动机工作转速范围内，振动问题日趋严重，而对振 动控制却日益严格，对汽车动力传动系统扭振特性分析研究具有重要的意义。 由于轴系扭转振动是动力传动系统固有的动力学特性，是不可能消除的， 但经过计算分析后可采取措施，使扭振程度降到许可程度。这种用双质量飞轮 取代单质量飞轮的汽车扭振系统，不但更改了发动机轴系扭振系统的固有特性， 而且变更了传动系统扭振固有特性，即将原来属于发动机扭振系统的单质量飞 轮变为双质量飞轮，使其主飞轮属于曲轴扭振系统，副飞轮属于传动系统扭振 系统，且两部分间通过大柔度扭转弹簧连接，使曲轴的附加扭转应力大幅降低， 同时降低汽车的振动和噪声，保护正时齿轮、凸轮轴、飞轮螺栓等不受破坏。 双质量飞轮在国内尚属新兴产品，本文正对双质量飞轮的动力传动系统研 究，使双质量飞轮在汽车减振方面充分发挥作用，为发动机对双质量飞轮的匹 7 武汉理工大学硕士学位论文 配技术带来一定的指导意义，为企业带来经济效益，满足人们日益增长的需求。 1 3 2 本文的主要研究内容 ( 1 ) 研究目标： 针对汽车发动机及其匹配的双质量飞轮动力传动系统，进行扭振特性分 析研究，建立双质量飞轮动力传动系统的扭振特性分析方法，并将这些方法集 成在一个动力传动系统特性分析软件中，搭建发动机扭振试验台验证双质量飞 轮在发动机动力传动系统上的优良减振性能。 ( 2 ) 研究内容： 双质量飞轮动力传动系统扭振系统模型的建立及方法 研究汽车动力传动系统扭转模型当量转化理论，根据双质量飞轮动力传动 系统特点，对其系统内的v m 发动机、变速器、驱动桥及整车质量等进行当量转 化，建立一种既合理，又简化得当的扭转振动系统模型，并总结出对双质量飞 轮扭振系统在当量模型的等效转化方法： 双质量飞轮动力传动扭振系统自由扭振特性、发动机激振及其激振下的 强迫扭转振动计算分析及方法 用m a t l a b 软件对汽车发动机与双质量飞轮动力传动系统扭振系统固有 频率计算，得到系统固有频率以及各阶振型，对发动机激励进行简谐分析，并 计算发动机激励下的强迫扭转振动，使之与单质量飞轮的汽车动力传动系统扭 振系统进行对比分析，从理论上说明双质量飞轮的动力传动系统优良减振特性， 并总结其中各个分析的方法； 汽车动力传动系统扭振特性分析软件设计 为实际工程计算和研究带来便利，对前面的计算分析方法进行总结，将它 们集成设计成一款计算分析软件，实现汽车动力传动系统的自由扭振、激振简 谐分析以及强迫扭振的计算和分析等功能； 汽车动力传动系统的动力学仿真与试验验证 用机械系统动力学软件a d a m s 对扭振系统进行自由扭振和动态激励下的扭 振仿真计算，并通过搭建发动机扭转振动试验台架，进一步对理论进行验证。 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章双质量飞轮动力传动系统计算模型 根据简化前后系统的动能和势能保持不变的原则，将系统简化为由无弹性 的惯性盘和无质量的弹性轴组成的当量系统，计算和分析扭振特性。目前汽车 动力传动系扭振理论计算分析方法己较成熟，建立的模型具有较高的精度，采 用的计算程序快捷高效，基本能够分析、解决汽车动力传动系的扭转振动问题。 实际汽车动力传动系统中，振动的圆盘和轴的区分并不明显，轴系中每一 小质量都是既有惯量又有弹性的振动体，这样的模型显然是无法处理的。因此 必须按照振动特性不变的原则，将实际的轴系简化成能进行数学计算的理想系 统，建立汽车动力传动系统的计算模型，即建立等效的当量系统，与原系统的 各轴段的扭振刚度( 简称刚度) 和质量圆盘的转动惯量( 简称惯量) 分别相等。 2 1 汽车动力传动系统的结构特点与转化原则 通常假定实际汽车动力传动系统由多个只有转动惯量的集中质量和只有弹 性的轴段组成，即采用集中质量模型组成的当量系统，它与实际系统是等效的。 实践证明，对当量系统计算，其结果与实测值可基本相符，能够满足工程要求 1 。对一般汽车动力传动系，在当量转化时应注意其结构上的如下特点啪儿删： ( 1 ) 动力传动系中的变速器处于不同档位时，构成轴系的结构参数不同， 因此具有不同的当量系统； ( 2 ) 传动系是一个多质量的扭振系统，含有多个质量，如变速器、万向节、 主差系统、左右半轴等； ( 3 ) 各轴段间存在速比，当以曲轴为转速基准时，需将其他不同转速轴段 上的惯量、刚度转化为当量惯量和刚度： ( 4 ) 传动系包括许多旋转的集中质量、分布质量、往复质量和平移质量， 它们依靠弹性联接成为复杂扭转振动系统。对轴系中一些结构复杂和特殊部件， 如发动机、离合器、变速器、驱动桥等，建立模型时要进行必要的简化处理。 本文对某匹配发动机和双质量飞轮( d m f ) 的越野车的动力传动系统进行 扭振特性研究。该型发动机为江陵公司引进意大利的一款新型四冲程柴油 机，在某些结构上的特殊性，在建模当量化的过程中要加以注意： 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 在发动机曲轴的第三缸与第四缸之间的曲腕上安装了一个以曲轴轴线 为中心的大齿圈，用以连接平衡轴，该结构使曲轴的结构不完全对称，因此其 单位气缸上的等效参数不尽相同； ( 2 ) 该发动机可匹配双质量飞轮d m f ，也可匹配等惯量的单质量飞轮s m f ， 匹配d m f 与s m f 的系统在结构上存在差异，则它们的系统扭振特性也差异。 因此在当量化的过程中，既要考虑汽车的共有特点，又要考虑匹配双质量 飞轮和发动机的特殊性进行简化和建模。 当量转化时，如果把整个发动机简化为一个质量，以及忽略例如传动轴的 转动惯量，将造成不允许的误差。但在误差允许范围内，总是力求一个最简单 的当量系统，系统中质量数目和惯量与刚度公式的精确程度都会影响等效效果， 在转化时，有以下原则可以参考口旧儿3 盯： ( 1 ) 以每一曲柄中心线为单缸转动惯量的集中点，对于单轴多列发动机， 则将同排的运动质量合并为一集中质量； ( 2 ) 以较大转动惯量部件的中心线为质量集中点，如飞轮及一些大齿轮等； ( 3 ) 一般认为齿轮传动弯曲变形很小，可将各齿轮的转动惯量按其传动比 关系合并为一个质量，并以该轮系所在主动齿轮的中心线为质量的集中点； ( 4 ) 带传动因带柔性大，被带动部件对系统扭振特性的影响可不予考虑； ( 5 ) 有弹性联轴节或气胎离合器时，应把主、被动部分分成两个集中质量， 弹性元件的刚度即主、被动两部分间的刚度值； ( 6 ) 每相邻集中质量之间连接轴的转动惯量，当轴较短时可忽略，较长的 轴段可将其惯量平均分配到两端集中质量上，如中间轴根数较多，可把连接盘 的接合面作为质量的集中点，把每个中间轴的转动惯量平分到相邻连接盘上； ( 7 ) 每相邻两集中质量点间的连接轴，以轴的弹性值为它们的当量轴段； ( 8 ) 对于干摩擦片或离合器，一般可近似认为是刚性连接。 以上是一些常用的处理方法，在实践中，应按照具体情况加以灵活变化。 2 2 扭振动力学计算模型的当量转化理论基础 2 2 1 弹性参数的当量转化 由材料力学可知h ，对于扭振系统来说，在长度为l 的轴两端加一扭矩m ， 则轴被扭转的角位移a 巾为： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 口；旦：一m：mea m e ( 2 1 ) 口= 一= 一= 1 ， 式中，m 一扭矩( n m ) ；l 一长度( m ) ；g 一材料剪切弹性模量( n m 2 ) ；j p - 截面极 惯性矩( m 4 ) ；k 一轴的扭转刚度( n m r a d ) ；e 一柔度( r a d n i n ) 。 当轴的材料和直径确定后，刚度就与长度成反比，即 k ：生：= 匠3 2 ( 2 2 ) 轴的弹性参数有这几种情况，一是形状简单的轴，如光轴，可用理论公式 ( 2 2 ) 直接计算，其次是较复杂的轴，如阶梯轴、曲轴，需将其分解为若干简单 的单元再求每个单元件的刚度，按一定原则求总刚度，并进行适当修正。在实 际中遇到如阶梯轴、套合轴，即轴的串联与并联，可以按照如下原则进行计算： ( 1 ) 轴在串联时，轴两端有扭矩m ，总的变形为各个轴段变形之和，则有： ? + + 1 簟m + i m + + 丢 3 ， ：m ( 上+ 土+ + 上) ：丝 诤w 、k lk 2k 。 k 上：上+ 上+ + 上 ( 2 4 ) 一= 一i - 一一1 卜一 、厶， k k lk 2 k n ( 2 ) 轴在并联时，各轴段变形相等，它们传递的力矩总和等于总扭矩，即： m = m l + m 2 + + m 。= 仍k l + a q ，2 k 2 + + 缈。k 。 ( 2 5 ) 因为a ( p i = 9 2 = = 纸，所以 m = a a p ( k l + k 2 + + k 。) = 够k ( 2 - 6 ) 由此可知总柔度等于各轴段柔度倒数之和，即 k = k l + k 2 + + k 。 ( 2 7 ) 2 2 2 轴的惯量参数当量转化 物体的转动惯量i 可用下式( 2 - 8 ) 计算： ，= p 2 d m ( 2 8 ) o 式中，r 一微块至回转轴的距离；d m - 微块质量。 武汉理t 大学硕士学位论文 转动惯量亦可表示为 i = 聊r ( 2 9 ) 式中，尺一惯性半径 f r2 d i n 瓦2 ：上：i ( 2 1 0 ) 肘肌 还可以用飞轮矩g d 2 表示 ，：小r ：鱼吐 ( 2 一1 1 ) ，= 小= 竖 k z l l ， 4 9 式中，g 一重量( n ) ；g 一重力加速度，9 8 1 ( m s 2 ) ；d 一直径( m ) 。 在己知物体绕过重心的、轴回转的转动惯量之后，可用惯性矩的平行轴原 理即可求得绕任意一个轴与过重心的回转轴相平行的轴转动惯量，即： i=mh2+i，(2-12) 式中，i 。一绕过重心的回转轴的转动惯量；m 物体重量；h 一为任意回转轴与 过重心回转轴的距离。 2 2 3 增、减速系统的当量转化 在汽车动力传动系统中，存在齿轮变速器与减速器的变速传动。在扭转计 算时，通常把系统简化成按原主动轴回转的系统，因此被动轴上零件的转动惯 量及轴段柔度必需作相应的转化h 羽。图2 - 1 所示为转化前后的示意图。 图2 1 增、减速系统的当量转化 设n 主或主、n 从或( i ) 从为主从动轴的转速；d 圭、u 从分别为主、从动齿轮节 圆直径。其传递的扭矩为m 主及m 从，则有： z = 等= 等= 套= 传动比 ，l 从彩从l ，主 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 转动惯量的转化 把从动轴转化到主动轴上，转化前后动能应相等1 m m l ， 量为i 当，则有圭i m c o m2 - - - 圭，从国从2 成立，因此得： ，当= 玖i 2 转化后将主、动动轴转动惯量合并，即如+ h f 2 。 ( 2 ) 轴段扭转刚度的转化 把从动轴转化到主动轴，转化前后的势能应相等小3 m 1 ， 转刚度为k 当，则有 设转化后的转动惯 ( 2 - 1 3 ) 设转化后的轴段扭 圭矧伊。1 + i ) 2 = 圭州阜1 一半) 2 式中，由m - 为第m 质量的扭转角；巾m + l - 为第m + l 质量的扭转角。 所以有 k 当= k 从i 2 2 3v m 汽车动力传动系统的扭振模型 ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 本文以江陵某匹配v m 发动机和双质量飞轮越野车的动力传动系统为研究 对象( 简化结构示意如图2 2 ) 。该车采用意大利进口的型直列四缸四冲程柴 油发动机，并配备了双质量飞轮和等转动惯量的单质量飞轮，其变速器有5 个 前进档和1 个倒档。该车的动力传动系包括发动机、双质量飞轮+ 刚性离合器 单质量飞轮+ 传统离合器、变速器、万向传动装置、主减速器、半轴和车轮等( 后 文称双质量飞轮+ 刚性离合器的动力传动系统为双质量飞轮动力传动系统或d m f 系统，称单质量飞轮+ 传统离合器的动力传动系统为单质量飞轮动力传动系统或 s m f 系统) 。由于变速器各档位不同速比，形成了不同的扭振系统，而它们当量 化的过程都相同，因此仅以前三档为例对该系统进行当量化建模。 2 3 1v m 发动机的当量转化 发动机在汽车动力传动系统的最前端，由于不涉及传动比的影响，它的各 部件转动惯量及扭转刚度不受档位变化的影响。该型直列四缸四冲程柴油发 动机曲轴轴系主要部件三维模型如图2 - 3 ( a ) 示，它在结构上有如下特点需注意： ( 1 ) 其前端的传动，如风扇、发电机、凸轮轴、水泵等都是依靠契形带或同步 1 3 武汝理1 人学碗十学位沧文 带传动，根据扭振转化当量原则( 见21 转化原则第4 点) ，这蝗部件i u 于皮带 的隔离小考虑其对扭振的影响：( 2 ) 该v m 发动机l b 于! i ! 弧时未包台平衡轴( 平 衡轴是u j 选部件) ，崮此在当量转化及后面的计算中办不考虑平衡轴对扭振的影 响；( 3 ) 该发动机的机油泵和真空泵都是靠曲轴自口端减振皮带轮与第缸之问 的真空机油泵齿轮传动的，因此在对机油泵和真空泵与量计算过程中需将这f l i 个部分等效到曲轴轴线h 图22v 汽车动力传动系统结构简幽 综t 考虑，对丁垓v m 发动机，主要考虑以下部件：减振皮带轮、真空机油 泵、曲轴及连朴活塞以及飞轮等部分i | ij ：段发动机可匹配双质量e 轮或单质 量飞轮，因而匹配币同结构的离合器导致转动噬量及扭转川度也相应不同， 故将e 轮与离合器单独讨论。f 而依次对发动机的这些部件进行当量化计算。 a 曲轴轴系二l 二要部仆模型b 减振皮带轮枕型 图2 - 3v m 发动机曲轴轴系j 减振皮带轮模型 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 1 ) 减振皮带轮 减振皮带轮模型见图2 - 3 ( b ) ，根据厂家提供的资料，其主要参数有：外环 惯量i 为0 0 0 5 1 5 k g m 2 ，内环惯量i 。为0 0 0 9 7 8 k g m 2 ，频率4 9 0 h z ，由两个 质量扭转系统固有频率公式矿n = 争鲁，h ：，以及厂= 2 - 脚；- - ( m ) 2 ，得： i i 聿i ， “ k = 格锄。2 = 器( 2 - 1 6 ) k 。：! 兰旦里! ! ：! 二! q ! 业宰( 2 幸万幸4 9 0 ) z ：3 1 9 7 7 0 3 ( h z )“4 0 0 0 9 7 8 + 0 0 0 5 1 5 、 ( 2 ) 机油真空泵 真空机油泵参数如下表2 一l ： 表2 - 1 真空机油泵参数 驱动齿轮齿数z 。 4 4 真空机油泵驱动齿轮惯量( k g m 2 ) 0 0 0 0 2 7 7 7 l 机油泵齿轮齿数z z 3 5机油泵装配体转动部分惯量( k g m 2 )0 0 0 0 3 4 9 9 9 真空泵齿轮齿数z 。 3 1真空泵装配体转动部分惯量( k g i l l 2 )0 0 0 0 0 9 4 0 2 由于真空泵和机油泵均采用齿轮传动，根据2 2 3 增、减速系统的当量转 化方法，需要将这两个泵等效到曲轴上计算，因此根据传动比公式( 2 - 1 2 ) 得： i 1 2 = z 2 z 。= 3 5 4 4 = 0 7 9 5 4 5 5 及i 1 3 = z a z = 3 1 4 4 =