某汽油發(fā)動機(jī)雙質(zhì)量飛輪啟動敲擊的研究

趙宇峰 英春雪 張偉 張思超 郭豐 段先國

1.寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江省寧波市 315336 2.浙江吉利動力總成有限公司 浙江省寧波市 315800

1 引言

雙質(zhì)量飛輪是發(fā)動機(jī)的關(guān)重件。在發(fā)動機(jī)運行過程中，雙質(zhì)量飛輪處于高速轉(zhuǎn)動中，由于其具有優(yōu)異的解耦減震性能，可有效的隔離發(fā)動機(jī)振動，降低發(fā)動機(jī)及變速端的轉(zhuǎn)速波動。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動會產(chǎn)生一系列不良后果。如發(fā)動機(jī)驅(qū)動件與被它帶動運轉(zhuǎn)的從動件之間產(chǎn)生沖擊，影響工作可靠性降低使用壽命，產(chǎn)生噪音[1]。

另一方面由于 PHEVHEV 車型存在更多的有別于傳動車的特殊工況，如怠速充電、行車充電、混合驅(qū)動、電動-混動切換、能量回收、電機(jī)反拖起動、電機(jī)輔助熄火等等，同時目前發(fā)動機(jī)為了追求動力性，經(jīng)濟(jì)性，不斷的開發(fā)高壓縮比發(fā)動機(jī)，雙質(zhì)量飛輪承受的動態(tài)工況更為復(fù)雜，存在更多的NVH 風(fēng)險。[2]

本文展示的雙質(zhì)量飛輪敲擊問題發(fā)生在高壓縮比三缸混動專用發(fā)動機(jī)上，于發(fā)動機(jī)點火前出現(xiàn)，通過專業(yè)的NVH 分析以及對發(fā)動機(jī)原理的分析，明確了敲擊的機(jī)理為發(fā)動機(jī)點火前壓縮缸壓過大，作為激勵源激發(fā)雙質(zhì)量飛輪內(nèi)部離心擺運行至極限位置時，與內(nèi)部的驅(qū)動盤發(fā)生裝機(jī)，傳出敲擊異響。通過理論分析優(yōu)化方案，進(jìn)而通過實物驗證，有效的解決了此問題，為離心擺雙質(zhì)量飛輪在混動機(jī)型上的應(yīng)用提供參考。

2 背景及結(jié)構(gòu)原理

2.1 問題背景描述

1）某HEV 車型在試駕活動中反饋車輛在行駛中發(fā)動機(jī)介入時偶爾會存在明顯的敲擊聲問題，主觀評分為5 分。

2）問題抱怨工況均為EV 模式進(jìn)串聯(lián)模式，發(fā)動機(jī)介入的工況，確認(rèn)問題來源于發(fā)動機(jī)介入過程。

3）同一輛車發(fā)動機(jī)介入敲擊聲比例：10～15 次發(fā)動機(jī)介入工況有1～2 次敲擊聲。

50%油門有無啟動敲擊振動噪聲彩圖對比如圖1 所示：

圖1 50%油門有無啟動敲擊振動噪聲彩圖

通過彩圖對比分析，識別到車內(nèi)有敲擊聲時，敲擊聲時刻與發(fā)變結(jié)合處振動敲擊聲時刻一致，敲擊聲與振動為同時發(fā)生。

2.2 雙質(zhì)量飛輪結(jié)構(gòu)

雙質(zhì)量飛輪簡稱DMF（Dual Mass Flywheel）是20 世紀(jì)80 年代末用于汽車動力傳動系統(tǒng)中，可較為有效的隔離發(fā)動機(jī)曲軸的扭振，有利于提升整車行駛品質(zhì)和降低傳動系統(tǒng)噪音。近年來國家對排放要求不斷提高，小排量增壓車型和混動車型在燃油車中的比例不斷提高，同時國內(nèi)DCT、DHT 變速箱的產(chǎn)量不斷提高，雙質(zhì)量飛輪在傳動系統(tǒng)的使用頻率不斷提高。在20 年的產(chǎn)銷已經(jīng)達(dá)到300 萬套；

雙質(zhì)量飛輪連接在發(fā)動機(jī)和變速箱之間，用于將發(fā)動機(jī)動力傳遞到變速器內(nèi)。雙質(zhì)量飛輪幾乎使發(fā)動機(jī)曲軸的扭轉(zhuǎn)振動完全與變速箱進(jìn)行隔離，通過減振彈簧和內(nèi)部阻尼衰減將發(fā)動機(jī)低速怠速段燃燒引起的扭振，同時還具有信號采集點火，啟動發(fā)動機(jī)等作用。

雙質(zhì)量飛輪結(jié)構(gòu)通常包括第一質(zhì)量、第二質(zhì)量和彈性元件。第一質(zhì)量和第二質(zhì)量都以飛輪為主體。雙質(zhì)量飛輪可以適用于各種發(fā)動機(jī)。

2.3 雙質(zhì)量飛輪的工作原理

發(fā)動機(jī)曲軸的輸出端通過飛輪與傳動系統(tǒng)連接。雙質(zhì)量飛輪的初級飛輪與曲軸端連接，次級飛輪通過花鍵與傳動系統(tǒng)連接，弧形彈簧結(jié)構(gòu)安裝在主級飛輪和次級飛輪之間。次級飛輪通過弧形彈簧結(jié)構(gòu)與主級飛輪連接。發(fā)動機(jī)的主級飛輪轉(zhuǎn)動，推動弧形彈簧，弧形彈簧推動離心擺內(nèi)驅(qū)動盤，驅(qū)動盤上通過鉚釘掛接4 組離心擺，同時驅(qū)動盤與飛輪次級鉚接在一起，通過驅(qū)動盤將初級飛輪的轉(zhuǎn)動力矩傳遞給次級飛輪，最終傳遞給傳動系統(tǒng)。

本文研究的案例，重點為飛輪內(nèi)部的離心擺結(jié)構(gòu)，通過對離心擺內(nèi)部的工作原理解析，結(jié)合燃燒數(shù)據(jù)，NVH 測試數(shù)據(jù)分析，鎖定故障發(fā)生原因，針對性形成解決方案，最終通過過實物驗證，有效的解決了此問題。(圖2)

圖2 雙質(zhì)量飛輪爆炸圖

3 原因分析

3.1 P1 電機(jī)拖動扭矩分析(圖3)

圖3 燃燒數(shù)據(jù)分析圖

由于此混動車型傳動系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)是由P1 電機(jī)通過花鍵軸與雙質(zhì)量花鍵孔連接，當(dāng)進(jìn)入中高負(fù)荷工況時，由P1 電機(jī)拖動雙質(zhì)量飛輪，啟動發(fā)動機(jī)，故敲擊主要發(fā)生在P1 電機(jī)拉拽發(fā)動機(jī)啟動過程。因此，進(jìn)行對比有無發(fā)動機(jī)介入敲擊聲的P1 電機(jī)的拖動扭矩，經(jīng)過數(shù)據(jù)顯示，兩種情況下，拖動扭計均為160Nm，說明與P1 電機(jī)拖動扭矩非強(qiáng)相關(guān)，進(jìn)一步的，通過調(diào)整P1 電機(jī)拖動斜率，發(fā)現(xiàn)對異響并無明顯改善。

3.2 敲擊時刻分析

敲擊聲發(fā)生時：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速940rpm（58齒信號），P1 電機(jī)扭矩160Nm，敲擊主要發(fā)生在P1 電機(jī)拉拽發(fā)動機(jī)啟動過程，且此時發(fā)動機(jī)還未點火，因此啟動敲擊聲是一種短而急促的敲擊聲，同時，因為敲擊產(chǎn)生的振動加大，乘客在座椅上可感受到輕微振感，帶來不舒適的乘坐體驗。(圖4)

圖4 敲擊時刻分析圖

3.3 振動數(shù)據(jù)分析

各位置振動數(shù)據(jù)如圖5 所示，振動測點如圖6 所示。

圖5 振動數(shù)據(jù)

圖6 振動測點

在左后懸被動處，右后懸被動處，左后懸主動處，右后懸主動處，發(fā)變結(jié)合面等各處均布置振動傳感器，懸置主被動振動均小于發(fā)變結(jié)合面位置振動，每個懸置被動端振動遠(yuǎn)小于主動端振動

因此綜上：鎖定發(fā)動機(jī)介入敲擊聲為飛輪敲擊聲，并排除懸置撞擊可能。

3.4 發(fā)動機(jī)實測缸壓分析

行駛過程中發(fā)動機(jī)介入工況敲擊聲和發(fā)動機(jī)啟動首個壓縮缸壓相對應(yīng)；首個壓縮缸壓大于15bar 有敲擊聲，小于15bar 無敲擊聲，說明敲擊與發(fā)動機(jī)強(qiáng)相關(guān)。

3.5 發(fā)動機(jī)理論缸壓分析

發(fā)動機(jī)燃燒示功圖如圖8 所示。

圖7 實測缸壓曲線

圖8 發(fā)動機(jī)示功圖

活塞從下止點壓縮到上止點：

根據(jù)絕熱氣體原理[3]：P2/P1=（V1/V2）k

其中k 為空氣的絕熱指數(shù)，其值等于1.41，P1=1bar

V1/V2=壓縮比=13

P2=P1*（V1/V2）k=1*13^1.41=37.2bar

如果氣缸完全絕熱，氣缸從1bar 最大壓縮能達(dá)到37.2bar，因而市車測試中測試出30bar 左右的缸壓屬于正常情況。

依此分析出，由于發(fā)動機(jī)壓縮比較大，帶來的缸內(nèi)壓力也較大，為敲擊的產(chǎn)生提供了激勵源。

3.6 敲擊飛輪拆解分析

將敲擊飛輪拆解，如圖9 所示，確認(rèn)離心擺運動到法蘭拖動側(cè)極限位置，在周向和徑向出現(xiàn)敲擊痕跡，根據(jù)此雙質(zhì)量飛輪設(shè)計原理，當(dāng)離心擺內(nèi)部質(zhì)量塊墊片運動到軌道邊緣位置時，先由橡膠塊進(jìn)行減震吸能，但為了保護(hù)橡膠塊的使用壽命，不可能無限壓縮橡膠塊，在壓縮到一定壓縮量時，需由質(zhì)量塊墊片與驅(qū)動盤直接接觸，即金屬與金屬部分承擔(dān)最后的接觸能量，并且，此雙質(zhì)量飛輪設(shè)計中，理論上每個質(zhì)量塊墊片運動到極限位置時，有3 個點同時接觸，保證質(zhì)量塊墊片的運行穩(wěn)定性，如此，通過理論分析和雙質(zhì)量飛輪內(nèi)部的設(shè)計原理，可基本鎖定具體敲擊位置為雙質(zhì)量飛輪內(nèi)部的離心擺與質(zhì)量塊墊片，如圖9 所示鎖定敲擊具體位置。

圖9 離心擺內(nèi)部敲擊痕跡

4 異響源實物驗證

為進(jìn)一步地驗證前文的分析結(jié)論，將DMF 離心擺（即CPA）摘除后裝車進(jìn)行實物驗證，經(jīng)NVH 團(tuán)隊實測，結(jié)果如圖10 所示，發(fā)動機(jī)介入敲擊聲消失。因此可徹底鎖定發(fā)動機(jī)介入敲擊聲為CPA 敲擊聲。

圖10 取消離心擺前后振動對比

5 離心擺優(yōu)化方案

通過仿真計算，有敲擊的離心擺原始狀態(tài)下，敲擊能量為0.64J，且雙質(zhì)量飛輪內(nèi)部4 個離心擺的敲擊能量大小相當(dāng)。根據(jù)前文所述的離心擺工作原理，當(dāng)質(zhì)量塊墊片運動到軌道邊緣位置時，先由橡膠塊進(jìn)行減震，經(jīng)過減震后的質(zhì)量塊最后會與驅(qū)動盤發(fā)生撞擊接觸，故提高橡膠塊的減震吸能能力，會減弱傳遞到驅(qū)動盤上的撞擊能力，從而，降低傳出的敲擊聲。根據(jù)敲擊原理，加厚離心擺內(nèi)部橡膠厚度0.5mm，將橡膠壓縮率從2.4%提升到30%，經(jīng)過計算離心擺敲擊能量從0.64J 降低到0.22J，橡膠減震吸能能力得到大幅提升。敲擊能量仿真結(jié)果如圖11 所示，離心擺內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖12 所示。

圖11 敲擊能量計算結(jié)果

圖12 離心擺內(nèi)部結(jié)構(gòu)

6 改善效果驗證

1）橡膠加厚以后發(fā)變結(jié)合面振動從40g以上，減弱至25g 以下；

圖13 原始狀態(tài)測試數(shù)據(jù)

圖14 優(yōu)化后測試數(shù)據(jù)

2）主觀評價即使在30bar 大壓縮缸壓下，啟動敲擊也無法感受到，主觀評價從5 分提高至7 分，狀態(tài)可接受。

7 結(jié)論

混動車型發(fā)動機(jī)壓縮比較高，帶來較高的缸內(nèi)壓力，同時混動系統(tǒng)發(fā)動機(jī)啟動由P1電機(jī)拖動，帶來更為復(fù)雜的傳動系統(tǒng)。在大缸壓的沖擊下，使雙質(zhì)量飛輪內(nèi)部離心擺結(jié)構(gòu)形成較大的敲擊能量，通過仿真計算，可確定內(nèi)部橡膠加厚以后對能量吸收的貢獻(xiàn)，從實際驗證效果上，可以明確此方案對于雙質(zhì)量飛輪內(nèi)部離心擺的啟動敲擊具有決定性的作用。