摩擦式双级分段变刚度汽车双质量飞轮设计理论研究及应用

第 4 8卷第 1 5期 2 0 1 2 年8 月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG VO 1 4 8 Aug N0 1 5 2 0 1 2 DoI l 0 39 01 JM E 2 01 2 1 5 1 5 0 摩擦式双级分段变刚度汽车双质量飞轮 设计理论研究及应用水 宋立权 周建东 2 吴荣华 尹玉明 罗书明 田宏艳 樊照钟 f 1 重庆大学机械传动国家重点实验室重庆4 0 0 0 4 4 2 重庆 电子工程职业学院重庆4 0 1 3 3 1 3 重庆光大产业有限公司 重庆4 0 1 1 2 0 摘要 提出基于摩擦的双级分段变刚度汽车双质量飞轮的设计理论 实现了兼顾低转速 低转矩小扭转角下具有小刚度的柔 性和大扭转角时具有高反抗转矩和大刚度的设计要求 分析所提出的摩擦式双级分段变刚度双质量飞轮结构及工作原理 对 所能实现的二级过载保护的结构实现进行剖析 导出摩擦式双级分段变刚度双质量飞轮转矩特性的数学力学模型 试验表明 转矩特性的测试结果与所构建模型的仿真分析基本一致 研究扭转刚度对传动系一 二阶共振转速的影响 将利用摩擦实现 增大转矩和过载保护 的理念 引入 双质 量飞轮的设计 为高性 能双质量飞轮产 品的开发提供 了设计思路 揭示 出引入摩擦 的双 级分段变刚度双质量飞轮减振器优 良减震的内在本质 关键词 双质量飞轮扭振减振器机械振动学共振转速转矩特性 中图分类号 T K 4 1 3 T G4 5 7 T H1 3 3 Re s e a r c h a n d App l i c a t i o n o n De s i g n Th e o r y o f Fr i c t i o n Du a l M a s s Fl y wh e e l wi t h Do u b l e s t a g e Pi e c e wi s e Va r i a bl e S t i f f ne s s S ONG Li q u a n ZHOU J i a n d o n g W U Ro n g h u a YI N Yumi n g LUO S h u mi n g TI AN Ho n g y a n F AN Zh a o z h o ng 1 S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Me c h a n i c a l T r a n s mi s s i o n C h o n g q i n g Un i v e r s i t y C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 4 2 Ch o n g q i n g Co l l e g e o f E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g Ch o n g q i n g 4 0 1 3 3 1 3 C h o n g q i n g G u a n g d a I n d u s t r y C o L t d C h o n g q i n g 4 0 1 1 2 0 Ab s t r a c t Th e d e s i g n t h e o r y o f f r i c t i o n d o u b l e s t a g e p i e c e wi s e v a r i a b l e s t i ffn e s s d u a l ma s s fly wh e e l i s p r o p o s e d Us i n g t h e g i v e n d e s i g n me t h o d t h e fle x i b i l i t y wi t h l o w s p r i n g r a t e o f d u a l ma s s fl y wh e e l a t l o w s p e e d l o w t o r q u e a n d l o w wi n d u p a n g l e c a n b e r e a l i z e d a n d h i g h s p rin g r a t e an d h i g h c o u n t e r t o r q u e a t h i g h wi n d u p a n g l e c a n a l s o b e a c h i e v e d T h e s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f t h e p r o p o s e d f r i c t i o n d o u b l e s t a g e p i e c e wi s e v a r i a b l e s t i ff n e s s d u a l ma s s fl y wh e e l i s a n a l y z e d Th e s t r u c t u r e f o r t wo s t a g e o v e r l o a d p r o t e c t i o n i s d e s i g n e d t h e n t h e ma t h e ma t i c a l m e c h an i c a l mo d e l o f t o r q u e c h a r a c t e ris t i c s o f f r i c t i o n d o u b l e s t a g e p i e c e wi s e v a r i a b l e s t i ffn e s s d u a l ma s s fl yw h e e l i s d e r i v e d a n d t h e t e s t s h o w t h a t t h e t e s t r e s u l t s o f t o r q u e c h a r a c t e ris t i c s i s c o n s i s t e n t wi t h t h e s i mu l a t i o n a n a l y s i s o f t h e c o n s t r uc t e d mo d e 1 Th e a ffe c t i o n o f s p ri n g r a t e o n t r a n s mi s s i o n s y s t e m S fi r s t an d s e c o n d o r d e r r e s o n a n c e s p e e d i s r e s e a r c h e d Th e i d e a t h a t u s i n g f r i c t i o n t o i n c r e a s e t o r q u e a n d t o r e a l i z e o v e r l o a d p r o t e c t i o n i s i n t r o d u c e d i n t o t h e d e s i g n o f d u a l m a s s fl y wh e e l S O t h e d e s i gn me t h o d f o r h i g h q u a l i t y d u a l ma s s flyw h e e l c a n b e g o t t h e i n t r i n s i c n a t u r e fo r v i b r a t i o n d a mp e r o f d o u b l e s t a g e p i e c e wi s e v a r i a b l e s t i ffn e s s d u a l ma s s fl yw h e e l i s a l s o r e v e a l e d Ke y wo r d s Du a l ma s s fly wh e e l T o r s i o n a l d a mp e r M e c h an i c a l v i b r a t i o n Re s o n a n c e s p e e d T o r q u e c h a r a c t e r i s t i c s 0 前言 传统 的汽车动力总成 中采用 离合器从动盘式 重庆市科委重点科技攻关资助项 目 CS P C 2 0 0 8 A B 6 0 8 5 2 0 1 1 0 6 2 0收 到初稿 2 0 1 1 1 2 2 8收到修改稿 扭振减振器 已难以达到减振 降噪的要求 2 0世纪 8 0 年代 中期 德 国 L U K 公司率先提出了双质量飞轮 扭振 减振器 D u a l ma s s fl y wh e e l t o r s i o n a l d a mp e r DF M 对汽车驾驶舒适性作 出了决定性 的重要贡 献 作为汽车动力传动系的重要组成部件 双质量 飞轮 的应用对于 降低整车传 动系的扭转振动和噪 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 机械工程学报 第 4 8 卷第 1 5期 t a n 一 O u o l 一 P lm TI 02 02 1 1 弹簧力 Q 2 的大小为 Q z 2 R zk z n sin 12 设次级飞轮 7外侧面上的直线段 A C与弹簧座 3 的接触点为 C 直线 A C方程方程为 Y k A c x A Y 1 3 式中 k a 为直线 AC的斜率 由图 1 知 c t a l ll 詈 一 一 77 l c o t r 77 1 4 点的坐标 X A 一 R 1 s i n r Y R l c o s 7 以A为 圆心 L A c 为半径的圆的方程为 一 Y Y A c 1 5 弹簧座 3 与次级飞轮 7外侧面上的直平面段 的 反力 2 作用线方程为 Y k M x c Y c 1 6 k M为反力 2 作用线的斜率 足 一 二 一 一 u m r r 式 1 5 和式 1 6 联立 求得接触点 C的坐标为 一 一 蜀 i n 一6 i n 一 一 丽 k A c b 蜀 c s 77 6 c s 一 77 弹簧座 3 与次级飞轮 7外侧面上的全反力 作用线方程为 Y 尼 X c Y c 1 7 为全反力 作用线的斜率 k F R t a锄n r 一 Y 一 22 羹 奈 8 式中 为弹簧座 3 与次级飞轮 7 外侧面间的摩擦 角 a r c t an 1 2 为摩擦 因数 弹簧座 3 与初级飞轮 5内壁的全反力 作用 线方程为 Y 尼 一 Y e 1 9 t an t a n a r c t a n x E a r c t a I l 丝 一 xE 扭转角增大 扭转角减小 一 二 二 二 E k BD 一 弹簧力 Ql 大小及方 向分别 由式 7 和式 8 确 定 弹簧力 Q 2 大小及方 向分别由式 1 2 和式 1 4 确 定 全反力 2及 l 作用线的方 向分别由式 1 8 和 式 2 0 确 定 由力平衡方程式Q I Q2 0 求出各作用力的大小 作出力多边形如图 8所示 图 8 力多边形 由图 8求得 Q1 与 Q 2 的夹角 a r c t a nI kt D kQlm I Q1 与 Q 2 的合力 4 Q 2 m Q 2 2 Q 1 m Q 2 c o s g Q 2 与 Q 2 的夹角 屈 s 1与 2 的夹角 ar ct a nl kFa1 kFR2 弹簧座 3 与 次级飞轮 7间全反力 2 1 2 第二级传递的转 2 2 回转中心到全反力 作用线 的距离 式中 为全反力 l 作用线斜率 E点为弹簧力 Q z 作用线与全反力 2 作用线的交点 Y c k F 2 xc 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 1 2年 8月 宋立权等 摩擦式双级分段变刚度汽车双质量飞轮设计理论研究及应用 1 5 5 双质量飞轮工作在第二级时的最大扭转角 仍 第二级扭转刚度 3 扭振系统固有频率与共振转速 由文献 1 o 1 系统的固有角频率 f CO o 0 一 b x b 一 4 a c 2 3 z 式中口 常数 a J 3 发动机曲轴和初级飞轮的转动惯量之和 广次级飞轮和离合器从动盘的转动惯量 以 传动系统等效转动惯量 b 常数 b J 3 1 一 双质量 飞轮 的扭转 刚度 对不 同工作 段 i 分别为 l 或 2 b 传 动系统等效扭转刚度 c 常数 C 一 k n k s J 1 J 2 一 二 阶 共 振 转 速 分 别 为 n 3 0 a h 兀 n 2 3 0 o 9 2 7 c 4 理论计算与试验分析 开发 出用于 2 0 L小轿车发动机摩擦式双级双 质 量 飞轮 基 本参 数如 下 毛 1 0 4 0 N I l l lT I 27 01 N mm 4 l O 25 R1 96 I T I 1 T I R 2 1 0 5 mn l 7 1 5 一级扭转角为 0 l 4 含 空转角 0 二级扭转角为 1 4 2 5 9 9 0 1 9 2 2 4 2 4 L A c 5 6 mm J 1 O 1 4 k g d2 0 05 kg me J 3 2 0 6 k g 5 5 6 N r r U 油脂润滑 摩擦因数 z 2 0 0 6 用提 出的设计理论开发出 C A D软件 绘制出理 论计算与测试试验转矩 扭转角特性曲线如图 9所 示 其中 吩 别为扭转角增大和减小时的理论 计算转矩 为令摩擦因数 1 fl 2 0的理论计算转 矩 分别为扭转角增大和减小时的测试转矩 由图 9曲线知 不考虑摩擦的转矩 死与实际存 在大的误差 考虑摩擦的 及 T A BC段理论计算 值与试验测试数据 吻合 而 C D 段 的试验测试数据 大于理论计算值 其原因在于扭转角大于 2 O o 后 弹簧座开始相互楔入 增大了反抗转矩 对其研究 需要采用有限元分析方法 E Z 辩 扭转角a l 图 9 摩擦式双质量 飞轮转 矩特性 曲线 试验在重庆大学力学实验中心微机控制电子扭 转试验机上进行 设定加载最大扭转角为 2 5 o 扭转 角步长为 0 1 均匀步长 试验遍历时间为 1 0 7 6 S 取理论计算 的 A B段 口 4 l 4 时的 计算 最大扭转刚度 k r B D 段 1 4 2 5 时的 计算 最大扭转刚度 系统 固有角频率和共振转速计 算结果如表 1 所示 发动机参数如表 2所示 表 1 系统固有频率与共振转速 表2 2 0 L发动机参数 参数 数值 最大输 出转矩 N m 最大转矩转速 n d d mm 1 最高转速 n j d mi n 1 怠速转速 n 4 r mi n 1 8 3 4 5 0 0 6 5 0 0 7 5 0 由表 1 及表 2知 一阶共振转速低于怠速转速 而二阶共振转速高于发动机最高转速 使共振转速 完全被隔离与发动机 的工作转速之外 有效地消除 了共振对发动机和传动系的影响 分析表 1的 A B 段 二阶共振转速为 7 7 4 5 5 r mi n 但该段扭转 角 1 4 此时发动机在大大超过怠速的转速 下 运 行 汽 车 发 动 机 最 大 转 矩 转 速 点 一 般 为 4 0 0 0 4 5 0 0 r mi n 最大功率转速 点为 5 0 0 0 6 0 0 0 d mi n 不会产生一阶共振 针对 2 0 L发动机 其转动惯量 和 以 及 按文中给 出的值不变 由式 2 4 及式 2 5 算 出 传动系一阶 二阶共振转速随双质量飞轮扭转刚度 订的变化如图 1 0所示 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 1 5 6 机械工程学报 第 4 8卷第 1 5期 一 e 1 舌 蜷 E 7 7 7 7 羹 7 篙 7 O 5 1 0 l 5 2 O 扭转刚度 j IN m a 一阶共振转速n 1 扭转刚J 嚏 j N m b 二阶共振转速 2 图 1 0 共振转速随扭转刚度 k n的变化 由图 1 0知 扭转刚度 愈小 一阶共振转速 l 1 愈低 且变化 明显 而二阶共振转速 对 的变化 不敏感 为使一 阶共振 转速 z 1 降低到怠速转速 以 下 需较小 的 而较小的 不能在高转速 大 扭转角的条件下提供高反抗转矩 因此 采用双级 分段变刚度 的双质量 飞轮具有兼顾满足上述两方面 设计要求的优势 扭转角 增大和减小时 弹簧座与飞轮间的相 对运动方向不同 摩擦力方 向发生变化 从而得到 了两条转矩 曲线 理论 和 吸 测试 和 s 外载 荷增加 时 扭转角增大 扭矩沿 曲线变化 具有 高反抗转矩 外载荷减小时 扭转角减小 转矩沿 曲线变化 具有柔性阻抗 正是这种 良好 的转矩 自适用特性 进一步缓解 了对传动系的动力冲击 5 结论 1 利用形状约束所实现的二级过载保护具有 结构简单 可靠性高的特点 有效地保障 了减振器 失效时的行车安全 2 所提 出的分段变刚度双质量飞轮设计理论 实现 了兼顾低转速 低转矩小扭转角下具有小刚度 的柔性和大扭转角时具有高反抗转矩和大刚度的设 计要求 3 摩擦特性使得双质量飞轮工作时扭转角增 大和扭转角减小具有不 同的转矩特性 曲线 扭转角 增大表明外载荷增大 需更大 的扭转刚度和反抗转 矩 而扭转角减小 表明外载荷减小 为实现柔和 传动 相应刚度与反抗转矩可随之减小 4 摩擦特性对双质量飞轮的转矩特性不可忽 视 结构设计时利用摩擦特性而进行产品的设计与 开发 使之具有上述 的 自调节功能 将有利于提高 产 品的减振性能 参考文献 1 李伟 史文库 双质量飞轮 D MF 的研究综述 J 噪声 与振 动控 制 2 0 0 8 5 1 5 LI W e i S HI W e n k u S u mma r y o f s t u d i e s o n d u a l ma s s fl y wh e e l DMF J No i s e a n d Vi b r a t i o n C o n t r o l 2 0 0 8 5 1 5 2 S C H A P E R U S A WO D NY O MAHL T e t a 1 Mo d e l i n g a n d t o r q u e e s t i ma t i o n o f a n a u t o mo t i v e d u a l ma s s fl yw h e e l C P r o c e e d i n g s o f t h e A me r i c a n C o n t r o l Co n f e r e n c e J u n e 1 0 1 2 2 0 0 9 S t L o u i s MO US A 2 0 0 9 1 2 0 7 1 21 2 3 WAL T E R A L I NG E NF E L S E R C K I E N C KE U e t a 1 Cy l i n d e r b a l a n c i n g b a s e d o n r e c o n s t r u c t e d e n g i n e t o r q u e f o r v e h i c l e s fi t t e d wi th a d u a l ma s s fl y wh e e l D MF J S A E I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f P a s s e n g e r C a r s E l e c t r o n i c and E l e c t r i c a l S y s t e ms 2 0 0 9 l 1 8 1 0 8 1 9 4 T H E 0 D0 S S I A DE S S G NA NAK UMAR R M R A HNE J AT H e t a 1 E ffe c t o f a d u a l ma s s fl y wh e e l o n t h e i mp a c t i n d u c e d n o i s e i n v e h i c u l a r p o we r t r a i n s y s t e ms J A u t o mo b i l e E n g i n e e ri n g 2 0 0 6 2 2 0 6 7 4 7 7 6 1 5 丁原 潘毓学 双质量飞轮式扭振减振器扭振模型分 析 J 武汉理工大学学报 2 0 0 9 3 1 8 1 3 3 1 3 6 D1 NG Y u a n P AN Yu x u e An a ly s i s o f a d u a l ma s s fl y wh e e l d a mp e r mo d e l o n t o r s i o n a l o s c i l l a t i o n J J o u r n a l o f Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c l l I l O l O g y 2 0 0 9 3 l 8 1 3 3 1 3 6 6 J I A NG Z h e n g f e n g C HE N L e i Re s e a r c h o n t h e me t h o d o f c i r c u mf e r e n t i a l s p r i n g du al ma s s fl ywh e e l d a mp e r ma t c h i n g w i th d i e s e l e n g i n e J A d v anc e d D e s i g n a n d M a n u f a c t u r e I I 2 0 1 0 41 9 4 2 0 6 5 6 8 7 史文库 龙岩 卢玉东 多级非线性双质量飞轮参数 设计和优化 J 振动与冲击 2 0 0 9 2 8 5 9 2 9 6 S HI W e n k u LONG Yan L U Yu d o n g P a r a me t e r d e s i g n and o p ti mi z a t i o n o f mu l t i s t a g e n o n l i n e ar d u a l ma s s fl yw h e e l J J o u r n a l o f Vi b r a t i o n and S h o c k 2 0 0 9 2 8 5 9 2 9 6 8 S A T O R U O S HI G E T AO Y MI NE I C H I L e t a 1 R e s e a r c h o n i d l i n g r a tt l e o f manu a l t r ans mi s s i o n c S u r f a c e Ve h i c l e No i s e and Vi b r a ti o n Co n f e r e n c e P r o c e e d i n g s T r a v e r s e Ci ty MI US A S