双质量飞轮曲轴系统扭振分析方法研究

阮仁宇，路明，倪成鑫（江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）



双质量飞轮曲轴系统扭振分析方法研究

阮仁宇，路明，倪成鑫
（江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

双质量飞轮对于动力输出的稳定性有较大的提升，可以有效提升整车的 NVH性能，但是对于曲轴系统来说振动增大，对于前端轮系有一定的危害，而之前的分析主要针对单质量飞轮的扭振分析，对于双质量飞轮系统的分析目前还不是很成熟，本文基于EXCITE DESIGNER对双质量飞轮的曲轴系统进行建模。分析结果表明，此方法可以得到双质量飞轮曲轴系统的扭振，并且可以判断双质量飞轮是否会与发动机怠速工况发生共振。

双质量飞轮曲轴系统；NHV；扭振；共振

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.030

CLC NO.: U464Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-99-03

曲轴是发动机重要的零部件之一，承受着发动机气体载荷以及惯性力的作用，很容易发生疲劳破坏。并且由于曲轴的扭振，对于曲轴系动力输出端以及发动机前段附件系统都会产生较大的振动，影响发动机的NVH性能以及前段附件系统的设计。而使用双质量飞轮可以有效的提高发动机输出端的稳定性，减小输出到传动轴的振动，但同时对曲轴本身的性能和前段附件的设计提出了更高的要求，而且由于双质量飞轮的特性，很容易在怠速转速工况下发生共振，导致点火困难甚至双质量飞轮的失效。本文基于 EXCITE DESIG NER软件，对双质量飞轮系统进行模拟分析，可以得到前段扭转角、飞轮转速波动以及双质量飞轮的一阶频率等结果，并且研究减震皮带轮橡胶、飞轮一级惯量以及双质量飞轮刚度对上述结果的影响[1-3]。

1、有限元模型的建立［4，5］

由于只分析曲轴的扭振特性，因此不需要考虑主轴承座和连杆的变形以及轴瓦的油膜等特性，建立机体、连杆以及活塞的刚性体，输入质量及几何信息，曲轴采用当量梁模型，分析模型如图1所示，曲轴的模型如图2所示。

曲轴模型中最右端为飞轮，这里为了模拟双质量飞轮的情况使用皮带轮代替飞轮模型，输入双质量飞轮的一级惯量、二级惯量以及刚度等参数。以便考察双质量飞轮本身的特性以及对整个曲轴系的影响。

2、分析结果

曲轴系扭振分析主要关注的几个结果为飞轮的转速波动、皮带轮橡胶耗散功以及皮带轮的扭转角，首先转速波动是由发动机持续点火的运行机制导致的转速不稳定，反应了运转的平顺性，转速波动过大则会增大发动机的振动。对于匹配双质量飞轮的传动系统，由于双质量飞轮一级惯量的转动惯量较小，转速波动会较单质量飞轮系统大，评价指标为1500rpm工况下，小于0.25。图3为飞轮的转速波动结果，可以看出在1500rpm时转速波动为0.08，满足设计要求。

耗散功是反映曲轴系运转过程中内部能量的损耗，如果耗散功太大就可能使减振器发热量过大，引起橡胶老化，降低减振器寿命，同时也会使得减振器性能变化较大，影响发动机性能。耗散功的标准为<250w，图4为皮带轮橡胶的耗散功结果。

扭振角是曲轴前后端的相对角度变化量，它对曲轴的强度和乘坐舒适性都有一定的影响，是曲轴扭振计算的一个重要指标。在发动机最大超速转速范围内，所有谐次激励导致的单阶扭转最大角度应低于一定水平，且各谐次的合成扭转角度也需要低于一定的限值。

评价扭振行为标准如下：

在发动机转速范围内，曲轴前端单阶最大扭转角度，以乘客舒适度要求应小于0.1deg；以曲轴应力强度要求应小于0.2deg。

在发动机转速范围内，曲轴前端合成最大扭转角度应小于0.5deg。

二阶扭转角是由滚振引起，因此二阶扭转角一般不考虑，而合成扭转角也要剔除二阶的影响，可以看出四阶扭转角超过了0.1度，但小于0.2度，对于强度标准已经满足要求，但如果要提升NVH品质仍需优化，重点考虑增加飞轮的一级惯量以及重新选择皮带轮橡胶频率。

此输入下曲轴本身的模态频率如表1所示，一阶频率表现为完全的扭转，描述的是双质量飞轮一级和二级惯量之间的扭转，此发动机的怠速转速为750rpm，对应的点火频率为25Hz，低于一阶频率，说明在提速的过程中会与双质量飞轮发生共振，造成出现振动过大甚至双质量飞轮发生破坏的风险。

表1　曲轴的模态频率分布

需要对双质量飞轮的参数进行优化，优化的目标是曲轴的一阶频率低于25Hz，可以通过提高双质量飞轮二级惯量以及降低双质量飞轮弹簧刚度的方式来实现，经过计算，提升二级惯量由0.045kgm^2到0.07 kgm^2或者降低弹簧刚度由15.97Nm/deg到 11.97Nm/deg可以使曲轴一阶频率降低到23Hz以下。

3、结论

a、本文通过designer软件可以分析得到曲轴飞轮的转速波动、皮带轮的耗散功以及皮带轮的扭转角，可以对曲轴、飞轮以及前段轮系的设计提供参考，并且可以针对皮带轮橡胶的频率进行选型。

b、通过本文的方法可以进行双质量飞轮的设计，特别是可以得到双质量飞轮的共振频率，并通过调整双质量飞轮的参数规避共振问题。

[1]吕振华，冯振东.汽车发动机曲轴阻尼式扭振吸振器设计方法探讨及应用[J].内燃机工程，1992,13（2）：27-33.

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[3]李一民，郝志勇，杜极生.发动机曲轴与正时系耦合动力学研究[J].浙江大学学报（工学版），2013,47（9）：1950-1957.

[4]姚胜华.基于AVL Designer的曲轴扭振仿真软件关键问题研究[J].湖北汽车工业学院学报，2012,26（3）：13-15,24.

[5]郑国世，朱连兵，王勇等.曲轴扭振减震器开发[J].柴油机，2013,35 （2）：34-38.

The research of crankshaft system used double mass flywheel torsional vibration analysis method

Ruan Renyu,Lu Ming,Ni Chengxin
(Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Anhui Hefei 230601)

The double mass flywheel (DMF) can increase the stability of power outputting.And it can also improve the NVH performance of vehicle.But the vibration increases for crankshaft system.And it is bad for Front end accessory.The research before directs towards the single mass flywheel system.It is not proficient in analysis for DMF crankshaft system.This paper models the DMF system based on the software EXCITE DESIGNER.The results show that this method can calculate the torsional vibration of DMF crankshaft system.And forecast whether the DMF can resonate with the case of idle.

DMF Crankshaft system; NHV; Torsional Vibration; Resonance

U464

A

1671-7988（2016）08-99-03

阮仁宇（1986-），男，助理工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司，主要从事发动机产品设计开发工作。