基于双质量飞轮的启停工况传动系扭振研究

陈志勇 ， 毛阳 ， 史文库 ， 张贵辉

(1.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室， 吉林，长春 130022；2.吉林大华机械制造有限公司，吉林，长春 130000)



基于双质量飞轮的启停工况传动系扭振研究

陈志勇1， 毛阳1， 史文库1， 张贵辉2

(1.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室， 吉林，长春 130022；2.吉林大华机械制造有限公司，吉林，长春 130000)

为研究发动机启停工况时装有双质量飞轮传动系的扭振特性，建立了双质量飞轮的动特性仿真模型，分析获得了不同扭转频率和振幅激励下的动刚度和阻尼角曲线，并通过动特性试验验证了模型的准确性. 发动机启停工况时传动系将产生瞬时大扭矩和扭转振幅，从而引起车辆剧烈抖动，且可能导致零件损坏，然而增大双质量飞轮阻尼的解决方案却会影响怠速及匀速行驶工况时传动系的扭振减振效果. 针对传动系不同工况对双质量飞轮阻尼的对立要求，结合磁流变液黏度可受磁场强度控制的特性，设计了一套阻尼可调的半主动控制式的磁流变液双质量飞轮装置并对其进行启停工况分析. 结果表明，磁流变液双质量飞轮在启停工况时最大扭矩和相对转角比传统双质量飞轮明显降低，从而可降低启停时车辆及传动系的抖动.

双质量飞轮；磁流变液；启停工况；扭振

随着现代车辆发动机扭矩的增大、车身的轻量化、柴油机的更多使用，以及客户对舒适性要求的提高，致使车辆传动系扭振控制成为整车设计和改进过程中一个突出问题[1]. 传动系的扭振可能使发动机在某一转速下产生共振，也可能会带来车内轰鸣声、变速箱齿轮的敲击噪声以及车辆的喘振等问题[2-3]，还会使车辆在启动和熄火工况时产生剧烈的抖动. 而双质量飞轮扭振减振器作为现代汽车中传动系扭振控制的重要环节，已经得到了国内外学者的深入研究[4-6]，且在多款车型上得到了量产使用. 双质量飞轮在传动系扭振控制中已经展示出较大优异性，并有逐步取代离合器扭振减振器的趋势.

双质量飞轮突破了离合器式扭振减振器的约束，通过改变转动惯量分配，降低扭振刚度，增大工作扭转角，使车辆的共振转速降到了怠速以下，避免了正常运行工况时的共振，但同时也降低了怠速时即变速箱挂空挡时的共振转速，使发动机启动和熄火时将会通过该共振转速，从而使双质量飞轮产生较大的扭矩和相对转角，造成车辆剧烈抖动，并可能造成双质量飞轮的损坏. 尤其是由于启动温度过低、过早松开启动开关等原因造成启动失败时，可能会使双质量飞轮产生更大的扭矩和相对转角，使其产生压并而损坏. 针对此种情况的发生，目前工程上多通过增大双质量飞轮阻尼的方法来解决，但该方法在一定程度上牺牲了怠速及匀速工况时传动系扭振的控制效果，故需要双质量飞轮具有可调的阻尼，以满足不同工况时的不同要求.

1 双质量飞轮基本结构

周向长弧形螺旋弹簧式双质量飞轮作为较为典型且应用较广的一种扭振隔振装置，其基本结构如图1所示. 其主要由第一质量、弧形弹簧、传力板和第二质量等结构组成，第一质量通过螺栓与发动机曲轴连接，其外圈包括发动机启动时传递启动机转矩的启动齿圈，第二质量通过螺栓与离合器连接，两质量通过轴承和弹性阻尼机构可做相对运动. 当曲轴转动时，第一质量通过弹簧座推动弧形弹簧滑动，弧形弹簧的另一端推动传递板的凸端，进而推动第二质量转动，实现动力从发动机曲轴到变速箱输入轴的传递.

在双质量飞轮的弹簧腔内注还有一定量的润滑脂，其一方面可以起到润滑的作用，另一方面还可以利用其黏性起到一定的阻尼作用. 较大的双质量飞轮阻尼能较好地衰减扭振冲击工况，但怠速及平稳行驶工况需要较小的阻尼，即不同工况对阻尼的要求存在较大的差异，因此在双质量飞轮设计阶段需要综合考虑以设计出适合工程应用的阻尼系统.

2 双质量飞轮模型建立及试验验证

为使下一步的发动机启停工况的仿真分析更为准确，首先对双质量飞轮本体进行动态特性仿真分析，以获得较为准确的双质量飞轮模型. 在AMESim中建立的双质量飞轮动特性仿真模型如图2所示，其由弹性部分和阻尼部分组成，弹性部分主要模拟弧形弹簧结构，阻尼部分主要模拟内部的润滑脂的作用. 该双质量飞轮为长弧形弹簧结构，其刚度为二级分段刚度，并带有3°的自由间隙. 模型中，可通过左端输入端对其输入转角激励，通过右端固定端获得其扭矩信号. 仿真分析时，首先对其施加20°的预扭，然后对其施加振幅分别为1°，2°和3°的正弦角位移激励，激励频率从1～30 Hz，通过右端提取扭矩信号，进而用Matlab进行数据处理即可获得其动刚度和阻尼角曲线.

为验证所建立的双质量飞轮模型的准确性，对其进行动特性台架试验. 双质量飞轮的第一质量与MTS扭转试验台的作动端相连，第二质量与固定端相连，对作动端施加转角激励，通过固定端获得扭矩响应，MTS试验台处理器即可自动处理从而获得其动刚度和阻尼角曲线.

试验和仿真获得的动刚度和阻尼角曲线如图3～4所示. 从曲线可知，动刚度和阻尼角都随激励频率的增加而略有上升，而随激励振幅的增大则呈现出下降趋势，这符合双质量飞轮的正常特性.

从试验和仿真曲线的对比可知，二者吻合得较好，低频阶段阻尼角曲线的差异主要是对双质量飞轮内部阻尼介质的近似处理造成的. 但试验和仿真总体趋势上较为吻合，误差在允许范围之内，证明所建立的双质量飞轮模型是较为准确的，可为下一步基于双质量飞轮的发动机启停工况仿真提供模型基础.

3 发动机启停工况分析

3.1 启动工况

对发动机启动工况进行仿真分析，获得的曲轴输出端、第二飞轮以及启动机的转速如图5所示. 为能清晰明了地对比三者的转速关系，图中启动机转速曲线为乘以传动比以后的数据. 从图中可以看出，在发动机启动初期，由启动机拖动曲轴转动来带动发动机运转，待发动机曲轴达到约300 r/min后，启动机自行退出，各缸进行自行喷油点火从而实现发动机的启动.

从第一飞轮和第二飞轮的转速波动可以看出，后者紧随前者波动的趋势进行转动. 在启动开始的较短时间内，第二飞轮在第一飞轮启动后一段时间才启动，这主要是由传力板与弧形弹簧间存在一定的自由间隙造成的. 在启动机拖动阶段，第二飞轮的波动稍稍比第一飞轮大些，而当启动机退出后，发动机自行运转并转速上升过程中，第二飞轮的转速波动大部分时间要比第一质量小很多，说明该飞轮在启动工况对扭振的衰减是有一定的效果的，但在400～600 r/min之间第二飞轮转速波动较大. 从转速上来看，曲轴转速先上升到1 150 r/min左右，进而又逐渐降到800 r/min左右，并稳定在这个转速，这与实车启动工况转速上升趋势也较为符合.

启动工况时双质量飞轮的转矩和相对转角曲线分别如图6～7所示.

可以看出，转矩和相对转角较大处为发动机自行点火运行时转速上升最快的时段，此时最大扭矩达到100 N·m，最大转角达到28°. 该处较大的扭矩和扭振振幅将导致启动过程中车辆产生剧烈的抖动，同时倘若启动开关过早松开、启动温度较低等原因造成启动失败，则可能造成最大扭矩和最大转角超出双质量飞轮的承受范围而造成结构的损坏.

3.2 熄火工况

发动机熄火工况仿真分析获得的曲轴输出端和变速箱输入端的转速波动如图8所示.

方案一PPS含基布滤料 （纤维长度51 mm）5块：样品1～5，方案二PPS无基布滤料A（纤维长度51 mm）5块：样品6～10，方案三PPS无基布滤料B（纤维长度76 mm）5块：样品11～15。

从前半部分的怠速工况可看出，第二飞轮的转速波动要比第一飞轮小很多，说明双质量飞轮在怠速工况时具有较好的衰减扭振性能；在熄火阶段，第二飞轮转速波动也比第二飞轮明显要小，而在转速降到约为200 r/min时，第二飞轮要比第一飞轮大一些，此处可通过增大阻尼的方式降低其转速波动，在转速降到0以后，转速出现了负值，这主要是由于发动机某缸活塞反弹造成曲轴反转引起的.

熄火工况下双质量飞轮的转矩和相对转角如图9～10所示，最大转矩约为80 N·m，最大转角为26°左右. 另外熄火工况结束并稳定后，双质量飞轮的相对转角不为0°，这是由于两飞轮间与传力板间有间隙造成的，即其最后稳定的相对转角可为自由间隙范围内的任何一个位置处.

从上述的仿真分析可知：发动机启动和熄火过程中，双质量飞轮产生较大的扭矩和相对转角，反应出传动系承受了较大的扭矩和扭转振幅，从而使车辆产生剧烈抖动，同时还可能造成双质量飞轮的损坏. 为避免该情况的发生，工程上最有效的解决方法是增大双质量飞轮的阻尼来衰减扭振的峰值，但增大阻尼会降低正常运行工况时传动系的扭振隔振效果. 因此为满足车辆不同工况传动系对双质量飞轮阻尼的不同的要求，设计出一种阻尼可控可调的双质量飞轮就显得很有必要.

4 磁流变液双质量飞轮的提出

为满足不同工况下车辆传动系对双质量飞轮阻尼的不同要求，结合磁流变液黏度随磁场变化的特性，创新性的将磁流变液应用到双质量飞轮中，设计出磁流变液双质量飞轮装置，如图11所示. 图中，外转子(含隔磁环)和第一飞轮构成磁流变液双质量飞轮的第一质量，第一质量与发动机曲轴相连. 内转子、第二飞轮构成磁流变液双质量飞轮的第二质量，第二质量通过离合器与变速箱连接. 第一、二飞轮之间安装的弧形螺旋弹簧实现了第一质量和第二质量之间动力的传递. 内、外转子间的空隙充满了磁流变液，当内、外转子相互转动时，由于液体的黏性会产生一定的阻尼力矩.

根据磁流变液在磁场作用下可实现黏度瞬间变化的特性，可通过改变励磁线圈电流的大小来实现磁流变液双质量飞轮阻尼的实时调控. 当要求磁流变液双质量飞轮提供较小的阻尼时，不给励磁线圈施加电流，此时磁流变液表现出Newton流体的特性，内、外转子之间只受到较小的黏滞扭矩作用；当要求增大磁流变液双质量飞轮的阻尼时，只需给励磁线圈施加电流，此时磁流变液表现出Bingham流体的特性，内、外转子之间受到黏滞扭矩作用的同时，还会受到磁致力矩的作用.

因此在装有磁流变液双质量飞轮的传动系中，在启动工况和熄火工况提高其阻尼，以控制双质量飞轮的最大扭矩和相对转角来缓解车辆的剧烈抖动；在正常运行工况，其阻尼较小，从而保证双质量飞轮对传动系扭振具有较好的衰减性能；同时，针对突然加、减速以及突然刹车等较大冲击工况，也可增大电流来产生大阻尼以缓冲扭振冲击.

5 磁流变液双质量飞轮启停工况分析

为验证所设计的磁流变液双质量飞轮装置在发动机启动及熄火工况时对传动系的扭振特性，将发动机模型中双质量飞轮部分换成图12所示的磁流变液双质量飞轮模型. 模型中，在传统双质量飞轮的基础了增加了阻尼部分，且该阻尼大小由第一飞轮和第二飞轮的转角信号控制，当相对转角较小时，给予较小的阻尼，当相对转角较大时，给予较大的阻尼，进而近似模拟磁流变液受磁场变化时黏度变化所引起的双质量飞轮阻尼的变化.

5.1 启动工况

磁流变液双质量飞轮在启动工况时转矩及相对转角如图13～14所示. 可以看出，发动机在启动工况时磁流变液双质量飞轮产生的最大扭矩为85 N·m，最大相对转角为18°，比传统双质量飞轮都有较大幅度的降低.

5.2 熄火工况及对比分析

磁流变液双质量飞轮在熄火工况时转矩波动及相对转角波动如图15～16所示，可以看出，发动机熄火工况时磁流变液双质量飞轮产生的最大扭矩为65 N·m，最大相对转角为16°，比传统双质量飞轮也有较大幅度的降低.

传统双质量飞轮和磁流变液双质量飞轮在启动工况和熄火工况时，产生的最大扭矩和最大转角如表1所示. 由对比可知，利用磁流变液双质量飞轮可以大幅度降低启停工况时双质量飞轮的最大扭矩和最大转角，从而缓解启停工况时车辆的剧烈抖动以及避免双质量飞轮的损坏；同时由于在正常行驶工况时对磁流变液双质量飞轮不施加电流，即其阻尼值与传统双质量飞轮相当，故不会影响其在正常运行工况时对传动系扭振的衰减性能.

表1 传统双质量飞轮与磁流变液双质量飞轮对比

6 结 论

对周向长弧形螺旋弹簧进行动特性建模仿真分析，获得其不同扭转频率和振幅激励下的动刚度和阻尼角曲线，并与动态特性试验进行对比，验证了双质量飞轮模型的准确性.

仿真分析获得了发动机启动工况和熄火工况时曲轴输出端、变速箱输入轴和启动机转速波动，以及双质量飞轮的转矩和相对转角波动曲线. 结果表明：发动机启停工况时，传动系会产生较大的转矩和转角波动，使车辆剧烈抖动，同时易损坏其结构.

针对双质量飞轮在启停工况的大阻尼要求和正常运行工况的小阻尼要求，结合磁流变液的黏度可随磁场变化的特性，设计了一套阻尼可控可调的磁流变液双质量飞轮装置. 对该装置进行启停工况仿真分析的结果表明：磁流变液双质量飞轮装置在启停工况时产生的最大扭矩和最大相对转角比传统双质量飞轮都有较大幅度的降低，从而能较好地降低启停工况时车辆的抖动问题以及对双质量飞轮的保护，同时还不牺牲其在怠速及匀速行驶时对传动系扭振的衰减性能.

[1] 李伟，史文库.双质量飞轮(DMF)的研究综述[J].噪声与振动控制，2008(5):1-5.

Li Wei， Shi Wenku. Summary of studies of dual mass flywheel(DMF)[J]. Noise and Vibration Control， 2008(5):1-5. (in Chinese)

[2] 闵德磊.双质量飞轮的性能优化与设计软件实现[D].长春：吉林大学，2012.

Min Delei. The performance optimization and designing software realization of dual mass spring[D]. Changchun: Jinlin University， 2012. (in Chinese)

[3] Centea D， Rahnejat H， Menday M T. Non-linear multi-body dynamic analysis for the study of clutch torsional vibrations(judder)[J]. Applied Mathematical Modelling， 2001(25):177-192.

[4] 陈德民，史小飞，刘国强，等.双质量飞轮设计与减振特性研究[J].农业装备与车辆工程，2012，50(7):15-17.

Chen Demin， Shi Xiaofei， Liu Guoqiang， et al. Study on vibration reduction and design of dual mass flywheel[J]. Agricultural Equipment & Vehicle Engineering， 2012，50(7):15-17. (in Chinese)

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[6] 宋立权，李亮，尹玉明，等.基于形状约束的双质量飞轮设计理论研究[J]. 机械工程学报，2012，48(1):111-118.

Song Liquan， Li Liang， Yin Yuming， et al. Study on design theory of dual mass flywheel based on shape constraint[J]. Journal of Mechanical Engineering， 2012，48(1):111-118. (in Chinese)

(责任编辑：孙竹凤)

Research on Torsional Vibration of Powertrain with Dual Mass Flywheel in Start-Stop Conditions

CHEN Zhi-yong1， MAO Yang1， SHI Wen-ku1， ZHANG Gui-hui2

(1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control， Jilin University， Changchun， Jilin 130022;2.Dahua Machine Manufacturing Co.，Ltd， Changchun， Jilin 130000, China)

To research the torsional vibration of powertrain with the dual mass flywheel(DMF) in engine start-stop conditions, a model of DMF was built , the dynamic stiffness and loss angle in different torsional frequencies and amplitudes were obtained and the accuracy of the model was verified by tests. Combining the DMF model, an engine model was built. The analysis results show that the instantaneous big torque and torsional amplitude of powertrain will happen in the start-stop conditions and may cause the vehicle shaking and the DMF damage. The situation can be solved by increasing the damping of DMF, but it will decrease the torsional vibration damping characteristic in idle and constant speed conditions. Aiming to satisfy the different requirements of DMF damping in different conditions, combining the rheological behaviour of magneto-rheological fluid changed by magnetic field, a semi-active magneto-rheological fluid dual mass flywheel which damping could be changed was designed. The analysis results of the device indicate that the maximum torque and relative angle of magneto-rheological fluid dual mass flywheel is obviously lower than tradition DMF which could decrease the shaking of vehicle and powertrain. And the device doesn’t reduce the torsional vibration damping characteristic in idle and constant speed conditions and also has a good damping effect in lager torsional shock such as suddenly speed-up, speed-down and braking conditions.

dual mass flywheel； magneto-rheological fluid； start-stop conditions； torsional vibration

2014-08-12

国家自然科学基金资助项目(51205158)；博士后科学基金资助项目(2013M541294)

陈志勇(1980—)，男，博士，E-mail:chen_zy@jlu.edu.cn.

史文库(1960—)，男，教授，E-mail:shiwk@jlu.edu.cn.

U 463.2

A

1001-0645(2016)01-0042-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.01.008