轿车双质量飞轮动力特性研究

武汉理工大学

博士学位论文

轿车双质量飞轮动力特性研究

姓名：陈雷

申请学位级别：博士

专业：机械制造及其自动化

指导教师：江征风

20091001

武汉理工大学博士学位论文

摘要

汽车动力传动系统是一个多自由度的扭转振动系统，其扭振与噪声影响了汽车的安全性与舒适性，其中发动机转速与扭矩的波动是动力传动系统的扭振激励的主要因素。由于传统的离合器从动盘式扭振减振器受限于空间结构，减振效果有限。双质量飞轮作为一种新型扭振减振器，具有良好的减振性能，在国外得到了越来越广泛的应用。国内在此领域仍处于理论研究阶段。

通过对双质量飞轮国内外的研究成果以及发展趋势的分析，以周向长弧形弹簧式双质量飞轮为研究对象，在双质量飞轮转动惯量分配、各级扭转刚度取值以及长弧形弹簧弹性特性方面进行了深入研究。

首先，根据汽车动力传动系统的扭振当量原则与方法，分别建立了怠速工况与正常行驶工况下发动机、双质量飞轮以及传动系统的无阻尼多自由度扭振当量模型。在系统扭振模型的基础上，根据机械动力学与双质量飞轮的弹性特性，建立了双质量飞轮的设计模型，即第ｌ阶设计模型、第２阶设计模型。

其次，在双质量飞轮设计模型的基础上，分析了双质量飞轮转动惯量系数、扭转刚度、变速器与系统扭振频率的关系。进而，提出了双质量飞轮转动惯量系数、第１级扭转刚度的设计方法以及双质量飞轮与变速器匹配的方法。通过对周向长弧形弹簧安装形式的分析，推导出第２级扭转刚度与第１级扭转刚度的关系，从而得到第２级扭转刚度的设计方法。同时，提出了在正常行驶工况下优化第１、２级扭转刚度的原则与方法。在完成扭转刚度设计后，针对长弧形弹簧的结构特点，采用离散化方法对长弧形弹簧的弹性特性进行分析，推导出了长弧形弹簧的弹性特性公式，并讨论了其适用条件。

第三，利用双质量飞轮怠速实验与静刚度实验验证双质量飞轮设计模型与设计理论的正确性。利用该设计方法，为ｖＭ柴油发动机匹配周向长弧形弹簧式力传动系统的固有频率与扭振振型的分析，研究双质量飞轮的固有扭振特性。

最后，利用ＶＣ＋＋编程语言，将双质量飞轮设计理论与固有扭振特性分析方法集成到双质量飞轮设计与分析软件系统，具有较大的实用价值。

关键词：双质量飞轮，固有特性，周向弧形弹簧，弹性特性，转动惯量系数双质量飞轮，并通过动力学仿真验证其工作性能。同时，通过对双质量飞轮动

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

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Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍｏｆＤＭＦｄｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｗｈｉｃｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆＤＭＦａｎｄｔｈｅａｎａｌｙｚｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆ。ｎａｔｕｒｅｔｏｒｓｉｏｎａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｖｅｃｈｉｌｅｐｏｗｅｒｔｒａｉｎｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＶＣ＋＋ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｌａｎｇｕａｇｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤｕａｌＭａｓｓＦｌｙｗｈｅｅｌ，Ｎａｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ＣｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌａｒＣｓｐｒｉｎｇ，Ｅｌａｓｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｅｓ．Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｉｎｅｒｔｉａｃｏｅｍｃｉｅｎｔ

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：媪日期：

学位论文使用授权书２００９．１０．２０

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伊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）研究生（签名）：陈当导师（签名移勿讯．翔２００９．１０．２０

第一章绪论

１１双质量飞轮概述

１１１课题研究的背景

从２００６年起，中国汽车产量队平均每年１５％的速度增长［】Ｉ，这会带来对汽车燃油需求的急剧增加以及大量温室气体与有害气体的排放出。由于国际能源危机以及国家对生态环境保护的日益重视，汽车行业正面临极大的挑战。汽车发动机应该朝更低的燃油消耗，更少的有害尾气体排放量方向发展。近年来轿车以及客车趋于大型化，发动机的功率和扭矩也在不断增大。图１一Ｉ显示了１９８３年至今ＢＭＷ轿车发动机的扭矩变化情况，可以看出在２０年的时间内，发动机的扭矩增大了１倍闭。

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图卜ｌＢＭＷ轿车发动机扭矩变化图

汽车发动机主要分为汽油发动机与柴油发动机。各自特点如表卜１所示

表卜１汽油发动机与柴油发动机性能对比

类型转速（ｒ／ｍＥｎｌ扭矩燃油消耗振动噪声温室气体排放量

汽油机８０００小高小大

柴油机４０００太低大小

可以看出，汽油机的缺点是燃油消耗较高、扭矩较小以及温室气体排放量大【３】；柴油发动机与汽油机相比温室气体排放量低了大约４５％，其缺点是振动噪声较大，有害颗粒排放量大【４】。柴油发动机的两个缺点是导致前期柴油汽车较少的主要原因。随着发动机技术的发展，涡轮增压、中冷、直喷、尾气催化转换和颗粒捕集器等先进技术逐步被应用在了柴油发动机上，使得其尾气排放已达到欧Ⅲ、欧Ⅳ排放标准。解决柴油汽车的振动噪声成为了汽车行业的主要研究方向。

汽车的振动和噪声主要来自汽车动力传动系统，而发动机又是汽车动力传动系统的振动激励源，特别是柴油发动机，由于其扭矩较大，曲轴和活塞机构的往返惯性力矩和气缸中气体的压力也大，会在工作时产生较大的扭转振动【５１。汽车动力传动系统在激励的作用下，工作时会发生扭转振动，进而导致变速器的齿轮传动系统产生噪声，致使零部件损坏，从而影响汽车动力传动系统的使用寿命和汽车乘坐的舒适性。在不可能消除扭振激励源的情况下，如何有效地隔离来自于发动机的振动以及减小整个动力传动系统的扭振尤为重要【６１。

在控制汽车动力传动系统的扭振方面，国内主要采用的方法是在发动机与变速器之间安装带有摩擦阻尼和减振弹簧的多级非线性离合器从动盘式扭振减振器，起到了一定的效果【７１。但是离合器式减振器受限制于空间，存在以下局限性【８】：

（１）由于离合器从动盘式扭振减振器的减振弹簧扭转角度较小，故其扭转刚度较大（大约为１０４Ｎ．ｍ／ｒａｄ），不能在怠速工况下，将系统的第ｌ阶固有频率调节至怠速以下，减振效果有限；

（２）离合器盘毂与从动盘摩擦片之间的布置空间有限，不能很好地满足弹性元件、阻尼元件布置上的要求。

汽车在怠速时，由于没有负载，发动机的转速波动较大，因而怠速工况下较易发生扭转振动，导致变速箱产生较大振动噪声。图１．２为怠速工况下传统离合器式动力传动系统扭振模型【９’，该系统第１阶扭振频率的范围在１７～７０Ｈｚ内【１１１。一般，发动机的怠速在８００＂－＇１０００ｒ／ｍｉｎ左右。可以看出，怠速工况下极易发生扭转共振。

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图１－２怠速工况下离合器式动力传动系统的扭振模型１９１

双质量飞轮（ＤｕａｌＭａｓｓＦｌｙＷｈｅｅｌ，简称ＤＭＦ）【２Ｊ式扭振减振器就是在这种新的需求下产生的。双质量飞轮式扭振减振器，简称双质量飞轮，是减小汽车动力传动系统扭转振动的一个十分有效的装置，是２０世纪８０年代中期出现的一种新式汽车动力传动系扭振减振器【ｌｏ。１３１。双质量飞轮是离合器与双质量飞轮的集成体，将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，形成双质量飞轮式扭振减振器【１４１，使得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，并且由于其减振弹簧的安装半径更大，相对扭转角更大，弹簧的刚度更小，减振效果更加理想【ｌ５１。另外，由于其结构的独特性，可利用其转动惯量和扭转刚度的变化来调节动力传动系的扭振固有特性，减少在怠速与正常行驶速度区间内的共振点，并利用其阻尼来衰减系统的振动幅值【ｌ们。目前，国外排量在２．０Ｌ以上的各种车型都基本上采用了双质量飞轮，但由于国内汽车技术起步晚，其在国内尚处于研究阶段，中高级轿车上采用的双质量飞轮全部为国外进口产品【１７。引。

双质量飞轮结构和工作原理都不同于传动离合器从动盘式扭转减振器，固其转动惯量的设计、扭转刚度的设计、阻尼系数设计以及扭振弹簧弹性特性的设计都需要重新建立。

１．１．２离合器从动盘式扭转减振器

汽车离合器安装在发动机与动力传动系统之间，用来分离或接合前后两者之间动力联系，同时控制发动机的扭转振动【６１。离合器的主要作用：

（１）车辆平稳起步；

（２）平稳换档；

（３）防止传动系统过载；（４）抑制发动机以及动力传动系统的振动噪声。

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汽车离合器可分为：摩擦式离合器、液力偶合器、电磁离合器等几种。摩擦式离合器又分为湿式和干式两种【１８】。常用的膜片弹簧离合器结构见图卜３。

飞轮

从动盘

压盘

膜片弹簧

图１－３膜片弹簧离合器结构示意图

离合器主要由四部分组成，即主动部分、从动部分：压紧机构和操纵机构。主动部分由离合器壳体、压盘等机件组成【６１。离合器壳体与飞轮靠螺栓连接，压盘与离合器盖之间靠多个传动片来传递扭矩。从动部分是由单片、双片或多片从动盘所组成，通过摩擦力来将动力传递到变速器的输入轴【１９１。从动盘由从动盘本体，摩擦片和从动盘毂三个基本部分组成【６】。为了使汽车能平稳起步，离合器应柔性接合，这就需要从动盘在轴向具有一定弹性。

离合器接合时，发动机输出的扭矩经飞轮和压盘传给了从动盘两侧的摩擦片，从而带动从动盘本体以及与之铆接在一起的减振器盘转动。减振器盘又通过多个短直减振器弹簧把扭矩传给了从动盘，进而将动力传递到传动系统。发动机的扭转振动会使从动盘毂相对于从动盘本体和减振器盘来回转动，在它们之间的阻尼片靠摩擦消耗扭转振动的能量，将扭转振动衰减下来。

１．１．３双质量飞轮简介及发展历史

一、双质量飞轮简介

双质量飞轮式扭振减振器将扭振减振器从离合器从动盘中取出，将其布置到发动机飞轮中间。因此，双质量飞轮既具有飞轮固有的功能（改善曲轴转速的均匀性），又具有扭转减振器的功能。

由于发动机飞轮的直径较大，减振器布置空间可以被扩大很多，扭振弹簧的扭转刚度可为离合器从动盘式扭转减振器的１／２０至１／３０１１３Ｊ。传统的单质量飞轮被一分为二后，主次飞轮两边的转动惯量也就可以调节。由于双质量飞轮具

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有低刚度和可调的转动惯量等特点，其具有良好的减振效果，特别是对汽车怠速工况下的扭振噪声控制‘２∞１１。对于汽车正常行驶工况和怠速工况下不可避免的扭转振动，如发动机启动和熄火过程中不可避免的通过共振区，其阻尼元件也能衰减系统的扭振振幅【２ｌ】。

图卜４双质量飞轮式动力传动系统示意图【２３】

双质量飞轮式动力传动系统的构造如图１．４所示【２３】。双质量飞轮一般由三部分构成：初级飞轮、次级飞轮以及扭转减振器。初级飞轮与发动机的曲轴通过螺栓联接，次级飞轮与离合器壳体用螺钉联接，扭振减振器将初级飞轮和次级飞轮联结在一起，并将发动机扭矩从初级飞轮传递到次级飞轮，进而传递到后端传动系统。

二、双质量飞轮发展历史

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图１－５ＬｕＫ公司双质量飞轮产量

由于离合器从动盘式扭转减振器的局限性，为了更有效地抑制发动机扭振，欧洲从２０世纪８０年代后期开始重点对汽车发动机的扭转振动进行研究，特别是柴油发动机的扭振。经过２０多年发展，一种新型的扭振减振器一双质量飞轮

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式减振器诞生了【９】。１９８４年，丰田公司的一款涡轮增压柴油机“ＭＡＲＫＩＩ”汽车首次匹配了双质量飞轮，该ＤＭＦ结构与离合器从动盘式扭转减振器相似【２４】。１９８５年德国宝马公司（ＢＭｗ）首次将双质量飞轮作为产品装备到车辆上，该车型为ＢＭＷ３２４Ｄ，当时该车被称为“Ｗｏｒｌｄ’ＳＱｕｉｅｔｅｓｔＤｉｅｓｅｌ（世界上最安静的柴油机）’’。之后，宝马汽车公司相继在ＢＭＷ５２４ＴＤ、ＢＭＷ５２５、ＢＭＷ５２８Ｅ车上装备了双质量飞轮，使得这些汽车动力传动系统扭振和噪声有明显下降，提高了乘坐的舒适性与安全性【９１。

最开始生产的ＤＭＦ仅采用了无润滑的阻尼元件，阻尼元件由多组短直型的弹簧组成，在圆周上均匀分布着８个或更多切向放置的弹簧【１２】。由于没有润滑，弹簧的磨损严重。１９８７年前后，出现了第一个黄油润滑的双质量飞轮，黄油放置在弹簧室的沟槽中，对弹簧与弹簧室接触处进行润滑【９】，在一定程度上解决了弹簧磨损的问题。１９８９年出现了弧形弹簧式双质量飞轮，这是ＤＭＦ设计上的一个重大突破，同时成本因此大大降低。最初，双质量飞轮的主飞轮是铸钢或锻钢件。后来，鲁克（ＬｕＫ）公司利用冲压成形的金属板零件制成了除次级飞轮质量以外的所有零件【９１。１９９５年，为了增加主飞轮的转动惯量，鲁克（ＬｕＫ）公司利用金属板开发了折叠式双质量飞轮，这为广泛地应用双质量飞轮奠定了基础【¨＇１２１。大量的改进设计使得双质量飞轮的产量大幅度上升。图１．５显示了Ｌｕｋ公司双质量飞轮的产量变化，可以看出双质量飞轮的需求越来越大Ｉｎ，１２，２５１。

到上世纪９０年代，国外ＤＭＦ的设计与加工方法已基本趋于成熟，产量也急剧增长，尤其以德国和法国的ＤＭＦ产品为最多。双质量飞轮产品应用范围由柴油发动机车型发展到汽油发动机车型、大客车、中低档轿车等。目前，排量在２．０Ｌ以上的柴油发动机有８５％采用了ＤＭＦ，排量在２．ＯＬ以上的汽油发动机有７５％采用了ＤＭＦ；排量在１．６．２．０Ｌ的柴油发动机有２１％采用了ＤＭＦ，排量在１．６．２．ＯＬ的汽油发动机有１７％采用了ＤＭＦ；排量在１．６Ｌ以下的发动机较少采用ＤＭＦＯ’２０！。

目前，包括美国ＧＭ和Ｆｏｒｄ，德国ｖｗ和ＢＭＷ，日本Ｔｏｙｏｔａ、Ｈｏｎｄａ和Ｎｉｓｓａｎ，法国Ｒｅｎａｕｌｔ和ＰＳＡ，韩国Ｈｙｕｎｄａｉ以及意大利Ｆｉａｔ等公司的多种车型都装备了ＤＭＦ减振器【ｌ¨。国内少量型号汽车（如：ＡｕｄｉＡ６，宝来等）也逐步使用了双质量飞轮式减振器，但全部采用进口产品【ｌ７’１８】。

世界三大ＤＭＦ制造商为德国的ＬｕＫ和ＺＦＳａｃｈｓ［２６】、法国的Ｖａｌｅｏ，其中ＬｕＫ公司占据了ＤＭＦ市场的大部分份额。２００８年１月，ＬｕＫ公司的第５０００万个双质量飞轮在德国总部的工厂下线，标志着双质量飞轮的应用又上了一个更高的的台阶Ｉｚ¨。

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１．１４双质量飞轮的典型结构

目前，根据双质量飞轮所采用的弹性元件、阻尼类型以及支撑轴承可分为以下几类ｒｉｏ．２４１：

（１）根据双质量飞轮所采用的弹性元件分类，有螺旋弹簧式和橡胶弹簧式两种，螺旋弹簧式又可根据弹簧的＿１１ｉ置分为径向弹簧式和周向弹簧式．其中周向弹簧式又分为长弧形弹簧式和短轻直弹簧式。

（２）根据双质量飞轮所采用的摩擦阻尼分类，有干摩擦阻尼式、粘性摩擦阻尼式和空气阻尼式。

（３）根据双质量飞轮所采用的轴承类型分类，有滚动轴承式、滑动轴承式和推力轴承式。

一、周向长弧形弹簧式双质量飞轮（ＣｉｒｅｕｒａｆｅｒｅｎｔｉａｌＳｐｒｉｎｇＤｕａｌＭａｓｓＦｌｙｗｈｅｅｌ．简称ＣＳ．ＤＭＦ）

周向弧形弹簧式双质量飞轮集成了传统离合器式扭振减振器和发动机曲轴端单质量飞轮２个部件，主要包括第１质量，第２质量和扭转减振器３个部分｛ｚｓ－３ｓ］。典型周向弧形弹簧式双质量飞轮结构如图ｌ一６所示。第１质量包括主飞轮、弹簧滑道、密封圈和启动齿圈；第２质量为次级飞轮和拨盘；扭转减振器由弹性机构和阻尼机构组成，即周向长弧形弹簧和粘性油脂。第１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，并通过径向和轴向滑动轴承支承在第１质量上，两部分可以相对转动。主飞轮的弧形滑道中安装两对或三对弧形弹簧，由于布置半径较大，允许其有较大的扭转角，弧形弹簧的扭转角范围可达到：３０Ｌ７０。ｐ９Ｉ。滑道中充满了粘性油脂，产生阻尼作用，

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同时也可以减小弧形弹簧的磨损。次飞轮与援盘铆结一起，通过拨盘压缩弹簧，带动第２质量转动并传递扭矩。每对周向弧形弹簧可由两根直径和旋向不同、内外弧形弹簧相嵌套构成，形成多级扭转刚度，具有很好的非线性弹性特性。这种ＣＳＤＭＦ是日前在世界上应用最为广泛的双质量飞轮。

ＣＳ—ＤＭＦ扭转刚度小，控制扭振和噪声的效果好，是一种减振性能卓越的扭转减振器。其主要缺点是黄油密封困难，同时阻尼力大小不易控制，加工精度要求高。ＣＳ—ＤＭＦ弹性元件除了采用长弧形弹簧之外，其拨盘还可以安装多组短轻直弹簧（见图１—７）或者离。Ｉｉ，摆（见图１－８），形成复合型的双质量飞轮１２８－３８】。

图１—７拨盘装配短弹簧的ＣＳ—ＤＭＦ图卜８拨盘装配离心摆的ＣＳ．ＤＭＦ

ＳｈｏｒｔＳｐｒｉｎｇＤｕａｌＭａｓｓ二、周向短直弹簧式双质量飞轮（Ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ

Ｆｌｙｗｈｔｔｌ，简称ＣＳＳ．ＤＭＦ）

周向短直弹簧式双质量飞轮采用的弹性元件为短直弹簧，由于其短且分布半径小，使得离心力减小，径向弯曲和周向变形也较小，因而弹簧的使用寿命大大增加””。

ＣＳＳ—ＤＭＦ（如图１－９（ｅ）所示）的结构与ＣＳ—ＤＭＦ相似，通过选择弹簧的线性刚度、弹簧帽与滑块或滑块之间的初始距离等可实现减振器的多级非线性弹性特性口”。其弹性元件可由多个组合弹簧组成，布置在主飞轮的弹簧室内，并由驱动盘将多个组合弹簧并联起来。每个组合弹簧由分布半径相同的多个短直弹簧通过滑块和弹簧帽串联而成口…。弹簧帽和滑块是弹性元件中的重要零件，它们是组合弹簧的滑动支架和导向件，同时起限位作用，实现了直螺旋弹簧传递扭矩的功能，使得每个组合弹簧相当于一个长弧形弹簧ｐ“。随着发动机输出扭矩的增大，当主次飞轮的相对扭转角度增大到使第一级组合弹簧两侧的滑块和与弹簧帽接触时，该组弹簧不再变形。此时ＤＭＦ的总扭转刚度为剩下弹簧的串联刚度．即总扭转刚度就变大，因此实现了多级非线性弹性特性。通常，ＣＳＳ—ＤＭＦ具有三级扭转刚度。第级在发动机怠速工况下起作用；第二级在汽车正常行

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驶工况下起作用；第三级在传递更大扭矩时起作用。这种ＤＭＦ也可很好地降低发动机启动和熄火过程中的扭振和噪声［３５－３８】。

醴固

㈦

图卜９周向短直弹簧式减振弹簧

ＣＳＳ—ＤＭＦ采用可滑动式弹性支撑架（如图１－９ｆａ））将弹簧与滑道隔开，使得两者之间没有滑磨发生，这会太大提高弹簧寿命咀及可靠性。另外还有一种行星齿轮结构的ＣＳＳＤＭＦ，如图１－９（ｂ）所示。可以看出，ＣＳＳ—ＤＭＦ需要增加弹簧座和弹簧滑套等，这就增加了零件的数目，加大了制造精度的要求，提高了生产和装配复杂度【１０矧。

旅飞轮传动销

譬”ｎⅫ∥妊

圈卜ｌＯＲＳ—ＤＭＦ结构示意图㈣莽主飞轮传动销图卜１１ＲＳ—ＤＭＦ工作原理圈ｆｌ

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三、径向短直弹簧式双质量飞轮（Ｒａｄｉａｌ

ＲＳ．ＤＭＦ）ＳｐｒｉｎｇＤｕａｌＭａｓｓＦｌｙｗｈｅｅｌ，简称

径向短真弹簧式双质量飞轮（见图１－１０）的结构特点是其弹性元件为多组径向直弹簧，每组安装在由飞轮侧板、从动板组成的沿飞轮径向的弹簧室中，利用传动销将侧板和从动板分别与主飞轮和次飞轮相连。当发动机没有扭矩输入时，弹簧处在沿飞轮径向的初始位置；当主飞轮上承受扭矩ｒ时．主飞轮和次飞轮之间会产生相对转角卢，减振弹簧产生径向压缩变形Ａ／（如图１－１１所示）１ｎ’４２，４３１。其中．ｍｒ２分别为主次飞轮传动销的半径。其扭转剐度随着传递扭矩的增加而逐渐增大，具有良好的非线性弹性特性。ＲＳ—ＤＩＶＩＦ扭振减振器有如下优点：

（１）弹簧只产生的径向压缩变形，减ｄ＇Ｙ弹簧的磨损［２４】；

（２）结构简单，降低了加工工艺与装配复杂度的要求。

四、橡胶式双质量飞轮（Ｒｕｂｂｅｒ

ＰｕＳ－ＤＭＦ）ＳｐｒｉｎｇＤｕａ［ＭａｓｓＦｌｙＷｈｅｅｌ，简称

橡胶式双质量飞轮（如图１．１２所示）的弹性元件为橡胶，这样就不存在弹簧磨损问题，能提高ＤＭＦ的使用寿命与可靠性ｉ３５，３６］。橡胶具有较好的非线性弹性特性，使得ＤＭＦ的弹性特性更为理想和合理，而且橡胶式双质量飞轮简化了ＤＭＦ的复杂结构口“。其与之前几种ＤＭＦ相比，也存在以下缺点：

（１）橡胶阻尼一般较小，长时间工作后橡胶发热，会使阻尼下降；

（２）橡胶容易老化。阉卜１２橡胶式双质量飞轮㈣图卜１３空气阻尼式取质量飞轮㈣

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五、空气阻尼式取质量飞轮（Ａｉｒ

ＡＤ—ＤＭＦ）ＤａｍｐＤｕａｌＭａｓｓＦｌｙＷｈｅｅｌ㈣，简称

前面几种双质量飞轮都采用了干摩擦阻尼或粘性阻尼，粘性阻尼～般都是

将粘性材料密封在弹簧室内，而干摩擦阻尼一般是在主次飞轮之问添加摩擦材料来实现。空气阻尼式（ＡＤ—ＤＭＦ）双质量飞轮是采用空气阻尼来抑制振幅‘２”。ＡＤ—ＤＭＦ的弹性元件是由三组行驶级弹簧和三组怠速级弹簧交叉布置而成，如图１１３所示。其中每组怠速级弹簧由两个端头、中间杜状橡胶块及两个弹簧组成，端头与柱状橡胶块形成封闭腔宣，传递扭矩时封闭腔室受压，空气经端头中ｆｕＪ的排气孔排出，起到阻尼的作用Ⅲｌ。

Ａ、液力式双质晕飞轮（ＨｙｄｒａｕｌｉｃＴｏｒｓｉｏｎＤａｍｐｅｒＤｕａｌＭａｓｓＦｌｙＷｈｅｅｌｔ４４，４５１，

简称ＨＤ—ＤＭＦ）

图卜１４液力式双质量飞轮川

液力式双质量飞轮结构如例卜１４所示，其工作原理：油路连接叫Ｆ的主次

飞轮，液压泵驱动油液传递扭矩：在不同的工况下，通过控制备阀体的工作状态柬控制阻尼的大小；利用减振弹簧室来衰减扭矩波动，并通过控制弹簧室大小来控制ＤＭＦ极限转角１４４，４５ｌ。ＨＯ—ＤＭＦ具有优良减振性能，结构紧凑，但液压控制系统复杂，加工制造成本较高，目前应用较少口ｑ。

七、三质量飞轮式扭振减振器

三质量飞轮式扭振减振器是一种用于平衡传动系周期性变化的扭矩和摆振

的装置（见图１．１５），其包含三个质量体和一个离合器，前两个质量体构成一个双质量飞轮，用于隔离来自发动机的扭振噪声，主飞轮通过支撑在固定于飞轮壳体上的行星齿轮驱动第三质量．第三质量的旋转方向与曲轴相反，还包括

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若干连杆，用来控制飞轮质量的相对运动【２０ｌ。三质量飞轮还包括端止装置以及端止弹性装置以有效地限制飞轮在驱动与超速方向的相对转动，并能缓冲飞轮在接触端止装置之前的相对运动。

图卜１５三质量飞轮式扭转减振器㈣图卜１６转速相关型双质量飞轮㈣Ｉ

七、转速相关型双质量飞轮

转速相关型双质量飞轮，即扭转刚度随转速变化而变化，不受扭角变化的影响，其设计图如图１一１６所示。该双质量飞轮在低转速时具有低的刚度，以获得更低的固有扭振频率，在较高转速时具有较高的扭转刚度，以传递较大扭矩［２ｓ－３８１０该ＤＭＦ与较小的摩擦阻尼相结合，使汽车发动机常用工作转速远离动力传动系统的固有频率，尽量减小工作转速区域内的共振点，能有效地控制动力传动系统的扭振。【拍］。该类型的取质量飞轮还有～些尚未解决的技术难题，处于理论探讨的层次之上。

１１５双质量飞轮的工作原理

以应用最为广泛的长弧形弹簧式双质量飞轮（ＣＳ—ＤＭＦ）为例，介绍其减振原理。ＣＳ—ＤＭＦ本身为两自由度的扭振系统。怠速工况下，其与发动机和动力传动系统组成的扭振模型如图ｌ＿１７所示。通常，ＣＳ－ＤＭＦ具有两级扭转刚度，即第１级扭转刚度厨，第２级扭转剐度岛。

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Ｊ卅肛＜√卅加（『足ｌ

Ｋ２

．Ｕ

Ｃ

图１－１７ＣＳ－ＤＭＦ式动力传动系统扭振模型

乃发动机扭矩；

乃：ＤＩＶＩＦ第１质量及发动机曲轴系的转动惯量；

以：ＤＭＦ第２质量及动力传动系统转动惯量；

Ｃ：ＣＳ．ＤＭＦ的阻尼系数；

卢，：第１质量的扭转角；

仍：第２质量的扭转角。

局较小，一般作用于怠速或者丁较小的工况下。当Ｔ≤Ｋ。Ｉ屈一厦ｌ，ＤＭＦ的扭转刚度Ｋ＝ＫＩ当Ｔ＞Ｋ。Ｉ届一厦Ｉ，肛Ｋｔ＋Ｋ２：根据机械动力学，自由振动方程如下：

Ｋ（屈一及）＋以届＋ｃ（ｐ。一∥：）一０

Ｋ（ｆ１２一层）＋以厦＋Ｃ（∥：一∥。）＝０

在计算系统的固有振动特性时，阻尼对固有频率的影响较小，为了方便计．算可暂不考虑，即：

Ｋ（ｆｌ。一厦）＋以Ｐｉ＝０

Ｋ（ｆ１２一届）＋山及＝０

设∞为其固有频率，第１质量和第２质量的振幅分别为Ａ，，Ａ２，那么ｆｌｌ＝Ａｌｓｉｎｏｇｔ，皮＝么２ｓｉｎａＪｔ，则振动方程如下：．旺哥［之跏瓣。

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图１－１８Ａ与∞的关系曲线图１－１９Ｋ、Ａ与∞的关系曲线利用系统矩阵方法可求出固有频率国＝。其中２＝ＪｄＪ２。

可以看出，通过调整ＤＭＦ的扭转刚度Ｋ以及第一质量和第二质量的转动惯量可以改变整个系统的扭振特性。ｌ与∞的关系如图１．１８所示，当２＝１时，系统的固有频率∞有最小值。以某发动机为例，在２＝２，２－－１，２＝０．５三种情况下不同扭转刚度所对应的固有频率如图１．１９所示。当Ｋ的取值范围在：１５０－－８００Ｎ ｍ／ｒａｄ的时候，再通过调整Ａ可以将系统的固有频率将至怠速以下（怠速一般在８００～１０００ｒ／ｍｉｎ左右）。由于ＣＳ－ＤＭＦ弧形弹簧扭转角度可以达到３０。．７０。，可以保证弧形弹簧扭转刚度足够低，使得系统的固有频率在怠速以下。一般匹配了ＤｌｄＦ的发动机在怠速工况下，其扭振频率可以调节在５～１０Ｈｚ之间，可以有效地减小怠速工况下动力传动系统的扭振噪声。

１．１．６双质量飞轮的工作性能

国内外对ＤＭＦ与离合器的工作性能做了很多仿真和实验对比，结果表明ＤＭＦ较之离合器能更好地控制动力传动系统的扭振噪声，并能降低由于发动机扭矩和速度波动引起的曲轴以及变速箱的附加载荷【４７。５４１。

一、对发动机扭振噪声的控制

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