汽車(chē)雙質(zhì)量飛輪啟動(dòng)工況的仿真分析與研究

張貴輝，陳 闖，石 磊，李 健，張忠仁，馬俊明

(吉林大華機(jī)械制造有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000)

雙質(zhì)量飛輪自20世紀(jì)80年代誕生以來(lái)，已在整車(chē)上應(yīng)用了近40年。相對(duì)于離合器從動(dòng)盤(pán)扭轉(zhuǎn)減振器，雙質(zhì)量飛輪通過(guò)降低扭轉(zhuǎn)剛度、增大初次級(jí)質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，極大地衰減了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩的波動(dòng)，為整車(chē)NVH特性的提升做出了巨大貢獻(xiàn)[1-4]。但由于將整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率降低到了怠速以下，導(dǎo)致每次車(chē)輛在啟動(dòng)過(guò)程中都要經(jīng)過(guò)雙質(zhì)量飛輪共振點(diǎn)，如果設(shè)計(jì)不合理，共振能量會(huì)較大，導(dǎo)致對(duì)雙質(zhì)量飛輪的沖擊過(guò)大，產(chǎn)生啟動(dòng)異響及整車(chē)異常抖動(dòng)。

本文針對(duì)某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)搭載DCT變速箱的整車(chē)建立啟動(dòng)工況的動(dòng)力學(xué)仿真模型，并針對(duì)雙質(zhì)量飛輪的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了仿真分析優(yōu)化，明確了此問(wèn)題的改善方向，為解決該類問(wèn)題提供了一定的參考。

1 雙質(zhì)量飛輪的結(jié)構(gòu)和工作原理

長(zhǎng)弧形彈簧式雙質(zhì)量飛輪是當(dāng)今整車(chē)上應(yīng)用最廣泛、性能最優(yōu)的一種雙質(zhì)量飛輪結(jié)構(gòu)[5-6]，主要由初級(jí)質(zhì)量、彈簧系統(tǒng)和次級(jí)質(zhì)量組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該結(jié)構(gòu)的雙質(zhì)量飛輪的特點(diǎn)主要為在初、次級(jí)質(zhì)量中間的環(huán)形油腔內(nèi)置有長(zhǎng)弧形彈簧減振系統(tǒng)，

長(zhǎng)弧形彈簧可以在油腔內(nèi)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)滑動(dòng)，通過(guò)傳力板傳遞扭矩。同時(shí)，環(huán)形油腔內(nèi)充滿阻尼脂，用來(lái)減少?gòu)椈膳c其他零件的摩擦，最大限度進(jìn)行減振隔振[7-8]。由于啟動(dòng)工況產(chǎn)生的沖擊扭矩較大，故當(dāng)雙質(zhì)量飛輪初、次級(jí)質(zhì)量的接觸瞬間就容易產(chǎn)生異響及整車(chē)抖動(dòng)，降低弧形彈簧的使用壽命[9]，因此，在設(shè)計(jì)初期應(yīng)考慮雙質(zhì)量飛輪在啟動(dòng)工況的扭轉(zhuǎn)特性，避免過(guò)大的沖擊情況出現(xiàn)。

2 基于啟動(dòng)工況的仿真建模與分析

為進(jìn)一步摸索雙質(zhì)量飛輪各關(guān)鍵性能參數(shù)與整車(chē)啟動(dòng)工況的關(guān)系，本文應(yīng)用AMESim軟件建立基于啟動(dòng)工況的仿真模型。對(duì)影響雙質(zhì)量飛輪啟動(dòng)性能的初、次級(jí)質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、自由轉(zhuǎn)角(雙質(zhì)量飛輪自由轉(zhuǎn)角是在初級(jí)質(zhì)量相對(duì)次級(jí)質(zhì)量做正反兩個(gè)方向扭轉(zhuǎn)的過(guò)程中，從零位分別扭轉(zhuǎn)到彈簧正好開(kāi)始?jí)嚎s時(shí)的臨界狀態(tài)的扭轉(zhuǎn)角度的絕對(duì)值之和)[10-11]、基礎(chǔ)阻尼力矩、彈簧剛度進(jìn)行仿真分析，得出各關(guān)鍵性能參數(shù)對(duì)整車(chē)啟動(dòng)工況異響和抖動(dòng)的影響趨勢(shì)，明確問(wèn)題的解決方向。根據(jù)上述要求，基于整車(chē)啟動(dòng)工況的雙質(zhì)量飛輪仿真模型如圖2所示。

2.1 初級(jí)質(zhì)量慣量的影響分析

本文研究的雙質(zhì)量飛輪單體模型已經(jīng)完成了前期初步調(diào)較，滿足分析要求。為了分析在啟動(dòng)工況下初級(jí)質(zhì)量慣量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭振衰減效果的影響，現(xiàn)保持次級(jí)質(zhì)量慣量、扭轉(zhuǎn)剛度、基礎(chǔ)阻尼力矩、自由轉(zhuǎn)角不變，設(shè)置不同的初級(jí)質(zhì)量慣量進(jìn)行仿真分析，參數(shù)的具體數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 初級(jí)質(zhì)量慣量影響分析的相關(guān)參數(shù)

不同初級(jí)質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況的影響如圖3所示，初次級(jí)質(zhì)量的相對(duì)轉(zhuǎn)角和次級(jí)質(zhì)量的轉(zhuǎn)速波動(dòng)都是隨著初級(jí)質(zhì)量慣量的增加而減小，但減少的并不明顯，初級(jí)飛輪慣量為0.08和0.12 kg·m2時(shí)，相對(duì)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速波動(dòng)已差別不大，同時(shí)由于在設(shè)計(jì)上初級(jí)飛輪的慣量一般由顧客指定數(shù)值，故一般不對(duì)此參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2.2 次級(jí)質(zhì)量慣量的影響分析

為了分析在啟動(dòng)工況下次級(jí)質(zhì)量慣量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭振衰減效果的影響，現(xiàn)保持初級(jí)質(zhì)量慣量、扭轉(zhuǎn)剛度、基礎(chǔ)阻尼力矩、自由轉(zhuǎn)角不變，設(shè)置不同的次級(jí)質(zhì)量慣量進(jìn)行仿真分析，參數(shù)的具體數(shù)值見(jiàn)表2。

不同次級(jí)質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況的影響如圖4所示，初次級(jí)質(zhì)量的相對(duì)轉(zhuǎn)角和次級(jí)質(zhì)量的轉(zhuǎn)速波動(dòng)都是隨著次級(jí)質(zhì)量慣量的增大而變大，同時(shí)次級(jí)質(zhì)量慣量越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的快速啟動(dòng)，故在進(jìn)行雙質(zhì)量飛輪設(shè)計(jì)

表2 次級(jí)質(zhì)量慣量影響分析的相關(guān)參數(shù)

時(shí)，次級(jí)質(zhì)量慣量應(yīng)綜合考慮，不能設(shè)計(jì)的太大。又由于次級(jí)質(zhì)量慣量越小，影響正常行駛工況的NVH衰減，故不調(diào)整此參數(shù)解決此問(wèn)題。

a)初級(jí)質(zhì)量與次級(jí)質(zhì)量的相對(duì)轉(zhuǎn)角

2.3 扭轉(zhuǎn)剛度的影響分析

為了分析在啟動(dòng)工況下扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的影響，現(xiàn)保持初級(jí)質(zhì)量慣量、次級(jí)質(zhì)量慣量、基礎(chǔ)阻尼力矩、自由轉(zhuǎn)角不變，設(shè)置不同的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行仿真分析，參數(shù)的具體數(shù)值見(jiàn)表3。

不同扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況影響如圖5所示。通過(guò)對(duì)不同扭轉(zhuǎn)剛度的仿真分析結(jié)果可以看出，扭轉(zhuǎn)剛度越大，初次級(jí)質(zhì)量的相當(dāng)轉(zhuǎn)角和次級(jí)飛輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)越大，越不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，所以降

表3 扭轉(zhuǎn)剛度影響分析的相關(guān)參數(shù)

低雙質(zhì)量飛輪的扭轉(zhuǎn)剛度可以減小啟動(dòng)工況的沖擊，降低抖動(dòng)和異響。

a) 初級(jí)質(zhì)量與次級(jí)質(zhì)量的相對(duì)轉(zhuǎn)角

2.4 基礎(chǔ)阻尼力矩的影響分析

為了分析在啟動(dòng)工況下基礎(chǔ)阻尼力矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭振衰減效果的影響，現(xiàn)保持初級(jí)質(zhì)量慣量、次級(jí)質(zhì)量慣量、扭轉(zhuǎn)剛度、自由轉(zhuǎn)角不變，設(shè)置不同的基礎(chǔ)阻尼力矩進(jìn)行仿真分析，參數(shù)的具體數(shù)值見(jiàn)表4。

不同基礎(chǔ)阻尼力矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭振減振效果的影響如圖6所示。通過(guò)對(duì)不同基礎(chǔ)阻尼力矩的仿真分析結(jié)果可以看出，基礎(chǔ)阻尼力矩越大，初次級(jí)質(zhì)量的相對(duì)轉(zhuǎn)角越小，次級(jí)質(zhì)量的轉(zhuǎn)速波動(dòng)越小，所以通過(guò)增大基礎(chǔ)阻尼力矩可以有效減小初次級(jí)質(zhì)量的沖

表4 基礎(chǔ)阻尼力矩影響分析的相關(guān)參數(shù)

擊，同時(shí)降低由此產(chǎn)生的抖動(dòng)和異響問(wèn)題。

a) 初級(jí)質(zhì)量與次級(jí)質(zhì)量的相對(duì)轉(zhuǎn)角

2.5 自由轉(zhuǎn)角的影響分析

為了分析不同自由轉(zhuǎn)角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況的影響，現(xiàn)保持初級(jí)質(zhì)量慣量、次級(jí)質(zhì)量慣量、扭轉(zhuǎn)剛度、基礎(chǔ)阻尼力矩不變，設(shè)置不同的自由轉(zhuǎn)角進(jìn)行仿真分析，參數(shù)的具體數(shù)值見(jiàn)表5。

不同自由轉(zhuǎn)角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況的影響如圖7所示。通過(guò)對(duì)不同自由轉(zhuǎn)角的仿真分析結(jié)果可以看出，自由轉(zhuǎn)角的大小對(duì)初次級(jí)質(zhì)量的相對(duì)轉(zhuǎn)角影響不大，也就是對(duì)啟動(dòng)沖擊的影響較小，故自由轉(zhuǎn)角對(duì)

表5 自由轉(zhuǎn)角影響分析的相關(guān)參數(shù)

此工況影響較小。

a) 初級(jí)質(zhì)量與次級(jí)質(zhì)量的相對(duì)轉(zhuǎn)角

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)匹配DCT變速箱的雙質(zhì)量飛輪啟動(dòng)工況進(jìn)行了仿真分析，應(yīng)用AMESim搭建了基于整車(chē)的雙質(zhì)量飛輪啟動(dòng)工況仿真模型，分析了雙質(zhì)量飛輪的初級(jí)質(zhì)量慣量、次級(jí)質(zhì)量慣量、扭轉(zhuǎn)剛度、基礎(chǔ)阻尼力矩和自由轉(zhuǎn)角參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況的影響。根據(jù)對(duì)初次級(jí)質(zhì)量的相對(duì)轉(zhuǎn)角與次級(jí)質(zhì)量的轉(zhuǎn)速波動(dòng)的結(jié)果分析，摸索出了影響雙質(zhì)量飛輪啟動(dòng)工況的重要參數(shù)，具體結(jié)論如下。

1)通過(guò)對(duì)整車(chē)的啟動(dòng)工況下的轉(zhuǎn)速波動(dòng)和相對(duì)轉(zhuǎn)角的分析，發(fā)現(xiàn)雙質(zhì)量飛輪在整車(chē)啟動(dòng)過(guò)程中容易造成相對(duì)轉(zhuǎn)角過(guò)大和次級(jí)飛輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)過(guò)大，易造成整車(chē)抖動(dòng)和異響。

2)通過(guò)仿真分析雙質(zhì)量飛輪的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況的影響，結(jié)果表明，初次級(jí)質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、自由轉(zhuǎn)角對(duì)啟動(dòng)工況影響較小，基礎(chǔ)阻尼力矩和扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)啟動(dòng)工況影響較大。

3)改進(jìn)方案可以通過(guò)降低扭轉(zhuǎn)剛度和增加基礎(chǔ)阻尼力矩來(lái)降低啟動(dòng)工況的沖擊振幅，改善啟動(dòng)抖動(dòng)和異響問(wèn)題。

通過(guò)本文的研究，明確了雙質(zhì)量飛輪啟動(dòng)抖動(dòng)和異響問(wèn)題的改善方向，為解決該類問(wèn)題提供了一定的參考。