某双质量飞轮怠速异响问题的分析与改善

张贵辉，刘鹤龙，史文库，陈 闯，石 磊，李 健

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

自20世纪80年代LUK公司首次在宝马车上批量装配双质量飞轮以来，双质量飞轮已在整车上应用了近40年，受到了研究学者的广泛关注[1-4]。相对于离合器从动盘扭转减振器，双质量飞轮通过降低扭转刚度、增大初次级质量的转动惯量，极大地衰减了发动机的输出扭矩的波动，为整车NVH特性的提升做出了巨大贡献[5-8]。

随着国家节能减排要求的不断提高，三缸发动机有望会在未来汽车市场上得到充分的发展。然而，三缸发动机的扭矩波动相比于四缸发动机更大[9]，尤其是匹配三缸发动机搭载DCT的整车，对于双质量飞轮的要求会更高。因此，双质量飞轮的设计在整车NVH性能的匹配过程中至关重要。

本文针对某三缸发动机搭载DCT 变速箱的整车进行实车的NVH测试，并对存在异响问题的怠速工况进行仿真分析优化，确定此问题的改善方向，能够为解决该类问题提供一定的参考。

1 双质量飞轮的结构和工作原理

长弧形弹簧式双质量飞轮是当今整车上应用最广泛、性能最优的一种双质量飞轮结构[10-12]，主要由初级质量、弹簧减振系统和次级质量组成，具体结构如图1所示。

图1 双质量飞轮结构图

该结构的双质量飞轮的特点主要为在初、次级质量中间的环形油腔内置有长弧形弹簧减振系统，长弧形弹簧可以在油腔内进行扭转滑动，通过传力板传递扭矩。同时，环形油腔内充满阻尼脂，用来减少弹簧与其他零件的摩擦，最大限度地进行减振隔振[13]。初级质量的弧形弹簧将发动机的扭矩传递给次级质量的传力板。由于激励频率比较高，当双质量飞轮初、次级质量的相对转角大于设计的自由转角时，传力板与弧形弹簧之间易产生敲击异响。因此，在设计初期要考虑双质量飞轮在怠速工况的扭转特性，避免出现怠速异响问题。

2 怠速工况NVH测试

该乘用车匹配三缸发动机搭载湿式6DCT变速箱，在进行整车NVH调校时发现在怠速工况存在塔塔异响，异响呈间歇性。为了进一步分析产生异响的原因，对该车进行了扭振测试，采集到怠速工况下初级质量和次级质量的转速数据如图2所示。

图2 怠速工况下初级质量和次级质量的转速信号对比

结合主观评价，通过对怠速异响工况的测试可以看出，有异响时次级质量的转速波动（虚线）在70 r/min 左右。对异响信号的角加速度进行频谱分析如图3 所示，从图中可以看出，次级质量的角加速度在8 Hz 时的幅值最大，达到了113.54 rad/s2，对应三缸发动机怠速激励的0.5阶，这是产生怠速异响的根本原因。

图3 初级质量和次级质量的角加速度频谱对比

3 基于怠速工况的仿真建模与分析

为了进一步优化双质量飞轮的各关键性能参数，解决怠速异响问题，本文利用AMESim软件建立了基于怠速工况的多自由度双质量飞轮动力学仿真模型。将实车测试的初级质量转速信号作为仿真分析的激励源以保证分析的精确性，同时对影响双质量飞轮怠速性能的次级质量的转动惯量、自由转角（自由转角是在初级质量相对次级质量做正反两个方向扭转的过程中，从零位分别扭转到弹簧刚开始压缩时的临界状态的扭转角度的绝对值之和）、基础阻尼力矩、弹簧刚度进行仿真分析，得出各关键性能参数对整车怠速异响的影响趋势，明确问题的解决方向。需要说明的是，本文所选参数的比较维度的选取依据是基于实际工程问题改进的难度与可行性，其中，自由转角的可改进范围较大、难度较低，因此参数分析时只明确了改进趋势，实际生产加工可以具有更大的改进裕度。基于以上要求，双质量飞轮基于整车的怠速仿真模型[14]如图4所示。

图4 多自由度双质量飞轮动力学仿真模型

3.1 次级质量惯量的影响分析

本文研究的双质量飞轮已经完成了前期的仿真分析及NVH调校，其扭转特性已初步确定。为了分析在怠速工况下次级质量惯量对发动机扭振衰减效果的影响，现保持初级质量惯量、一级扭转刚度、基础阻尼力矩和自由转角不变，设置不同的次级质量惯量进行仿真分析，参数的具体数值如表1所示。

表1 次级质量惯量影响分析的相关参数

不同的次级质量转动惯量对发动机扭振衰减效果的影响如图5所示的仿真分析结果，增大次级质量惯量后1.5 阶的幅值基本不变，但可以减小0.5 阶的振幅，而减小的幅值有限，不能彻底解决此问题，次级质量惯量的变化对双质量飞轮的相对转角影响较小，相对转角在12°～16°左右波动，大于双质量飞轮的自由转角（8°），在怠速工况下弹簧依旧会敲击传力板，存在产生敲击异响的风险，因此不考虑通过改变次级质量惯量来改善该怠速异响问题。

图5 次级质量惯量对发动机扭振衰减效果的影响

3.2 扭转刚度的影响分析

为了分析在怠速工况下一级扭转刚度对发动机扭振衰减效果的影响（怠速工况不会到达二级刚度故不考虑），现保持初级质量惯量、次级质量惯量、基础阻尼力矩和自由转角不变，设置不同的一级扭转刚度进行仿真分析，参数的具体数值如表2所示。

表2 扭转刚度影响分析的相关参数

不同扭转刚度对发动机扭振衰减效果的影响见图6 所示的仿真分析结果，一级扭转刚度的大小对1.5阶的幅值影响较小，但对双质量飞轮的相对转角和0.5 阶幅值影响较大，刚度为3.1 N·m/（°）和4.1 N·m/（°）时0.5阶振幅较大，刚度为2.1 N·m/（°）时0.5阶次振幅可以降低到77.6 rad/s2，但基于双质量飞轮的设计传递扭矩要求，一级刚度不能再进一步降低，虽然对此问题有优化作用，但不能彻底解决此问题，故不考虑通过改变扭转刚度来改善该怠速异响问题。

图6 扭转刚度对发动机扭振衰减效果的影响

3.3 基础阻尼力矩的影响分析

为了分析在怠速工况下基础阻尼力矩对发动机扭振衰减效果的影响，现保持初级质量惯量、次级质量惯量、一级扭转刚度和自由转角不变，设置不同的基础阻尼力矩进行仿真分析，参数的具体数值如表3所示。

表3 基础阻尼力矩影响分析的相关参数

不同的基础阻尼力矩对发动机扭振衰减效果的影响见图7 所示的仿真分析结果,基础阻尼力矩越小，初次级质量的相对转角越大，1.5阶的幅值越小，但基础阻尼力矩的大小对0.5阶的幅值影响较小,趋势不明显，因此不考虑通过改变基础阻尼力矩来改善该怠速异响问题。

图7 基础阻尼力矩对发动机扭振衰减效果的影响

3.4 自由转角的影响分析

为了分析不同的自由转角对发动机扭振衰减效果的影响，现保持初级质量惯量、次级质量惯量、一级扭转刚度和基础阻尼力矩不变，设置不同的自由转角进行仿真分析，参数的具体数值如表4所示。

表4 自由转角影响分析的相关参数

不同的自由转角对发动机扭振衰减效果的影响见图8所示的仿真分析结果，自由转角越大，相对转角也越大，次级质量0.5 阶的幅值越小，且对幅值的影响较大，在自由转角为12°时，0.5 阶的幅值已下降到40 rad/s2以内，对发动机扭振的衰减作用较明显，因此计划采用调整自由转角的方案来解决该怠速异响问题。

图8 自由转角对发动机扭振衰减效果的影响

4 参数确定及试验验证

4.1 自由转角的参数确定

通过前面的分析可知，除了自由转角对0.5阶扭振幅值影响较大外，基础阻尼力矩F对次级质量的1.5 阶扭振幅值的影响也不应该忽视。本文研究的双质量飞轮的基础阻尼力矩设计范围为2 N·m～22 N·m，因此首先在较小的基础阻尼力矩的条件下，初步确认自由转角J的选取范围，再在较大阻尼力矩的条件下，对自由转角的选取进行验证分析，确定自由转角的优化方案。根据上述分析，不同基础阻尼力矩和自由转角下的仿真结果如表5所示。

表5 不同基础阻尼力矩和自由转角相关参数

通过表5 可以看出，自由转角在14°、基础阻尼力矩为2 N·m时，相对转角大于自由转角，存在敲击异响的风险，当自由转角在16°以上时，相对转角就会小于自由转角，弧形弹簧不会敲击传力板，0.5 阶次幅值较小（小于30 rad/s2），同时在上下极限基础阻尼力矩的范围内，0.5 阶次幅值变化不大，同样符合要求，也进一步验证了方案的可行性。

综上所述，可以看出自由转角对怠速异响影响较大，具有较高的敏感度，而基础阻尼力矩对敲击问题的影响较小。同时在实际生产过程中只需要调整弧形弹簧的角度就可以实现对双质量飞轮自由角度的调整，成本更低，周期更短。因此，最终的改进方案选为调整双质量飞轮的自由转角，自由转角应不低于16°。

4.2 改进的样件测试

将改进后的双质量飞轮样件进行实车测试，改进后的初级质量和次级质量的转速波动数据如图9所示。

图9 改进后的初级质量和次级质量的转速信号

从图9 中可以看出，改进后的次级质量的转速波动较改进前明显减小，次级质量转速波动降低到30 r/min左右。

改进后的初次级质量的角加速度信号的频谱图如图10所示。

图10 改进后的初级质量与次级质量的角加速度频谱

从图中可以看出，次级质量角加速度的0.5阶幅值降低到了28.83 rad/s2，同时通过主观评价，怠速的敲击异响消失，验证了改进方案的有效性。

5 结语

本文针对某搭载三缸发动机匹配湿式6DCT变速箱的整车进行了怠速工况下的NVH测试，获得了怠速异响时的转速波动数据，同时利用AMESim 软件搭建了基于整车的双质量飞轮怠速工况的多自由度动力学仿真模型，分析了双质量飞轮的次级质量转动惯量、一级扭转刚度、基础阻尼力矩和自由转角对发动机输出扭振衰减效果的影响。根据对初次级质量的相对转角与次级质量的角加速度频谱的分析，确定了最终的改进方案并通过实车进行了验证。具体结论如下：

（1）通过对整车怠速工况下的转速波动数据的测试，发现由于三缸发动机的怠速扭矩波动较大，弧形弹簧易与传力板发生敲击产生异响。

（2）通过仿真分析，确定了双质量飞轮的相关设计参数对发动机输出扭振衰减效果的影响，结果表明，次级质量的转动惯量、基础阻尼力矩对怠速工况下的0.5阶振幅影响较小，一级扭转刚度和自由转角对怠速0.5阶振幅影响较大。

（3）改进方案选为通过调整双质量飞轮的自由转角来改善该怠速异响问题，通过仿真确定了自由转角的优化范围，对改进后的双质量飞轮进行了实车测试，验证了改进方案的有效性。

通过本文的研究明确了该怠速异响问题的改善方向，能够为解决该类问题提供一定的参考。