1、雙質量飛輪扭振特性研究與仿真分析【摘 要】汽車傳動系扭振的激振源較多，發動機曲軸轉矩波動是扭振的主要振源之一。在發動機與傳動系之間設置彈性阻尼式扭轉減振器，對于消除汽車傳動系的主要低頻扭振，降低變速器乃至主減速器的齒輪噪聲都是非常有效的。 傳統的控制扭振與扭振噪聲的方法是在離合器中安裝從動盤式扭轉減振器（Clutch Torsional Damper，簡稱CTD） ，但實踐證明，該方法存在嚴重不足；本課題所研究的是一種新式傳動系扭轉減振器雙質量飛輪式扭轉減振器（Dual Mass Flywheel，簡稱 DMF） ，以其優良的性能受到重視。 本文詳細介紹了扭轉減振器的概況和從動盤式離合器與雙質

2、量飛輪離合器性能，從雙質量飛輪減振器的發展歷史、基本結構、減振原理和作用入手，分析了雙質量飛輪減振器作為“低通濾波器”的特點和優勢；通過建立十八自由度的動力傳動系統扭振分析模型，運用MATLAB軟件中求矩陣方程的特征值和特征向量方法得出的某型貨車的動力傳動系固有振動特性，通過 ADAMS 軟件建立雙質量飛輪式扭轉減振器的動力學分析模型，對其受迫振動特性進行動力學分析；經過仿真計算，得到某型貨車動力傳動系中雙質量飛輪離合器總成的扭振特性，并分析雙質量飛輪的兩飛輪慣量比、彈簧剛度、阻尼等參數對動力傳動系統的影響，得出合理的參數取值。 雙質量飛輪具有可觀的發展空間和前景，因此，對裝備有雙質量飛輪的整

3、車動力傳動系統的扭振特性進行分析和研究，具有重要的理論價值與實際意義。 【關鍵詞】：動力傳動系，雙質量飛輪，ADAMS，扭轉振動，動力學仿真 目錄【摘要】1一、引言3二、雙質量飛輪原理和性能分析4（一）、雙質量飛輪的結構4（二）、雙質量飛輪的減振原理4三、我國雙質量飛輪研發現狀5（一）、專利和知識產權的問題。5（二）、國內合格零部件配套的問題。5（三）、能否實現產業化的問題。6四、我國雙質量飛輪發展前景6（一）、雙質量飛輪受到變速器形式在我國發展趨勢的制約。6（二）、國內主機廠對雙質量飛輪的應用態度。7（三）、汽車柴油化對雙質量飛輪的發展起到非常好的推動作用。7（四）、雙質量飛輪配套價格過高也

4、是發展中一個很大的制約。7參考文獻8致謝9一、引言雙質量飛輪是上世紀80年代末在汽車上出現的新配置，英文縮寫稱為DMFW（double mass flywheel）。它對于汽車動力傳動系的隔振和減振有很大的作用。提到雙質量飛輪，首先要弄清楚飛輪及有關扭轉振動的知識。 發動機后端帶齒圈的金屬圓盤稱為飛輪。飛輪用鑄鋼制成，具有一定的重量（汽車工程稱為質量），用螺栓固定在曲軸后端面上，其齒圈鑲嵌在飛輪外緣。發動機啟動時，飛輪齒圈與起動機齒輪嚙合，帶動曲軸旋轉起動。許多人以為，飛輪僅是在起動時才起作用，其實飛輪不但在發動機起動時起作用，還在發動機起動后貯存和釋放能量來提高發動機運轉的均勻性，同時將發動

5、機動力傳遞至離合器. 我們知道，四沖程發動機只有作功沖程產生動力，其它進氣、壓縮、排氣沖程是消耗動力，多缸發動機是間隔地輪流作功，扭矩呈脈動輸出，這樣就給曲軸施加了一個周期變化的扭轉外力，令曲軸轉動忽慢忽快，缸數越少越明顯。另外，當汽車起步時，由于扭力突然劇增會使發動機轉速急降而熄火。利用飛輪所具有的較大慣性，當曲軸轉速增高時吸收部分能量阻礙其降速，當曲軸轉速降低時釋放部分能量使得其增速，這樣一增一降，提高了曲軸旋轉的均勻性。 當發動機等速運轉時，各缸作用在曲軸上的扭轉外力是周期變化的，因此曲輪相對于飛輪會發生強迫扭轉振動，同時由于曲軸本身的彈性以及曲軸、平衡塊、活塞連桿等運動件質量的慣性作用

6、，曲軸會發生自由扭轉振動，這兩種振動會產生一種共振。因此有些發動機在其扭轉振幅最大的曲軸前端加裝了扭轉減振器，用橡膠、硅油、或者干摩擦的形式，吸收能量以衰減扭轉振動。 但是，由于汽車傳動系的共振取決于傳動系中所有旋轉圓盤的慣性矩，臨界轉速越低慣性矩越大，共振也越大。在離合器上設置扭轉減振器存在兩個方面的局限性一不能使發動機到變速器之間的固有頻率降低到怠速轉速以下，即不能避免在怠速轉速時產生共振的可能；二是由于離合器從動盤中彈簧轉角受到限制，彈簧剛度無法降低，減振效果比較差。為了解決這兩個問題，更有效地達到隔振和減振的目的，雙質量飛輪就應運而生了。 所謂雙質量飛輪，就是將原來的一個飛輪分成兩個部

7、分，一部分保留在原來發動機一側的位置上，起到原來飛輪的作用，用于起動和傳遞發動機的轉動扭矩，這一部分稱為初級質量。另一部分則放置在傳動系變速器一側，用于提高變速器的轉動慣量，這一部分稱為次級質量。兩部分飛輪之間有一個環型的油腔，在腔內裝有彈簧減振器，由彈簧減振器將兩部分飛輪連接為一個整體。由于次級質量能在不增加飛輪的慣性矩的前提下提高傳動系的慣性矩，令共振轉速下降到怠速轉速以下。例如德國魯克(LUK)公司的發動機雙質量飛輪將共振轉速從1300轉/分降到了300轉/分。目前一般汽車怠速在800轉/分左右， 也就是說在任何情況下，出現共振轉速都在發動機運行的轉速范圍以外，只有在發動機剛起動和停機時

8、才會越過共振轉速，這也是常見汽車發動機起動和停機時振幅特別厲害的原因。當然，如果采用高扭矩起動機和提高起動機的轉速，調整發動機裝置緩沖器，也會使共振振幅盡可能地縮小。 雙質量飛輪是當前汽車上隔振減振效果最好的裝置。 在雙質量飛輪用于汽車隔振減振時，一部分飛輪質量（稱為初級質量）用于傳遞發動機的轉動慣量，而另一部分飛輪質量（稱為次級質量）則用于提高變速器的轉動慣量。兩部分飛輪質量經一套彈簧減振系統連接為一個整體。驅動圓盤上配置了一個“漂浮的”轂組件，上配簧中簧減振器做主要減震，可以在既定扭矩下增加距離，還有一個四圈彈簧盒作前減振。內圈彈簧可以提高主扭矩減振性能，前減振器主要控制怠速轉速，主減振功

9、能是依次實現的。這種設計使外盤（彈簧座）和中心盤（傳動軸）之間的相對旋轉角度達到40，從而壓縮彈簧控制振動。傳統設計的相對角度只有20。，可做的相對旋轉有限。 由次級飛輪質量與變速器之間的摩擦片來完成兩部分飛輪質量的離合，這樣就可以衰減發動機的旋轉振動，減輕變速器的負荷。 雙質量飛輪的次級質量與變速器的分離和結合是由一個不帶減振器的剛性離合器盤來完成的，由于離合器沒有減振器，質量明顯減小。而減振器被組裝在雙質量飛輪系統中，能在盤中滑動，可以明顯改善同步性，換檔更容易。 雙質量飛輪在減輕高性能車的空檔齒輪噪聲、提高手動變速效果方面性能卓越，在重載柴油卡車上也能起到阻止扭轉力突然變大，防止變速齒輪

10、損壞等重要作用。 因此上世紀90年代以來在歐洲得到廣泛推廣，已從高級轎車推廣到中級轎車，這與歐洲人喜歡手動檔和柴油車有很大關系。眾所周知，柴油機的振動比汽油機大，為了使柴油機減少振動，提高乘坐的舒適性，現在歐洲許多柴油乘用車都采用了雙質量飛輪，使得柴油機轎車的舒適性可與汽油機轎車媲美。在國內，一汽大眾的寶來手動檔轎車也率先采用了雙質量飛輪。二、雙質量飛輪原理和性能分析（一）、雙質量飛輪的結構雙質量飛輪式扭轉減振器的基本結構有三部分：第一質量（第一飛輪） ，第二質量（第二飛輪）和兩質量之間的減振器。第一質量與發動機曲軸輸出端法蘭盤相聯接，第二質量通過一個軸承安裝在第一質量上，第二質量上還安裝有離

11、合器蓋。第二質量可相對于第一質量轉動一定的角度，兩質量之間通過減振器相連，減振器由彈性元件和阻尼元件組成。（二）、雙質量飛輪的減振原理雙質量飛輪式扭轉減振器的實質在于：一方面由彈簧扭轉減振系統，來吸收發動機輸出扭矩中所包含的變動扭矩成分，將平均化的扭矩傳遞給變速器，衰減扭轉與振動有關的振動和噪聲；另一方面，通過將飛輪分成不同質量的兩塊，使整個動力傳動系統的固有頻率大大降低，從而使發動機的工作轉速范圍避開共振區。 分析雙質量飛輪式扭轉減振器的扭振特性，等價地將其結構簡化成兩自由度扭振系統，對整體型飛輪可建立如下的受迫振動微分方程 組：雙質量飛輪式扭轉減振器本身是一個兩自由度的扭振系統。三、我國雙

12、質量飛輪研發現狀據了解，我國從本世紀初開始就有企業開始研發雙質量飛輪，主要是從離合器企業開始的。2000年，長春一東公司計劃與德國Luk公司合作，通過引進技術的方式開發國產的雙質量飛輪。此后，湖北黃石三環、桂林福達等企業也先后提出研發計劃。2005年后，國內一些從事飛輪齒環總成的生產企業如吉林大華、重慶海通、重慶光大（今博耐特）等也開始研發雙質量飛輪。據奧爾威咨詢了解，目前國內正在生產、研發和計劃進入的企業有13家。 我國雙質量飛輪國產化方面取得突破主要在于2007年，是從外資企業在中國以CKD方式生產雙質量飛輪開始的。國內最先組裝生產雙質量飛輪的企業是中日合資的重慶愛思帝，該公司為

13、廣州本田的一款車型組裝雙質量飛輪，2007年該企業有近10萬套的規模。2007年10月，Luk公司在中國太倉的二廠也開始組裝生產雙質量飛輪。他們在中國組裝生產的雙質量飛輪主要配套給國內車型。今年，吉林大華與奇瑞汽車合作開發的雙質量飛輪、湖北三環為江鈴汽車開發的雙質量飛輪，都有望在年底實現批量化生產。 據了解，國內開發雙質量飛輪的周期（研發立項到產品樣件）在半年到一年的時間，前期投入不高，只要100200萬元就可以。但真正要研發雙質量飛輪，對國內企業還存在以下幾個問題： （一）、專利和知識產權的問題。國際上最先從事雙質量飛輪研發的是德國Luk公司，其后還有德國的Sachs等，這些企業都申請了雙質

14、量飛輪的產品專利。由于專利還未過保護期，所以國內企業在研發雙質量飛輪時，如何避開專利的限制是一個比較大的問題。 （二）、國內合格零部件配套的問題。由于雙質量飛輪在國內還沒有成熟的技術，一些零部件上如薄鋼板、半圓形彈簧等國內雖有生產，但產品質量如彈性系數等還無法滿足產品設計的技術要求。據國內的一位企業副總講，該企業通過多方了解找到國內的一家半圓形彈簧生產企業，但其生產的價格比進口的價格還貴，且產品質量還沒有進口的好。由于雙質量飛輪是連接在發動機和變速箱之間的重要部件，對零部件產品的技術性能要求尤其苛刻。國內能否有企業提供技術成熟、技術性能滿足產品設計要求、價格低廉的雙質量飛輪零部件，對國內雙質量

15、飛輪真正能否實現國產化起到很關鍵的作用。否則，依靠進口部件來生產的雙質量飛輪，在價格上與外資品牌的價格并無太多的競爭力。 （三）、能否實現產業化的問題。從上述可知，國內企業從2000年就開始計劃研發雙質量飛輪，并且很多企業很快就推出了產品樣件。但截止目前，國內還沒有一家企業真正地實現了產業化。主要原因就是市場問題。目前，國內采用雙質量飛輪的車型寥寥無幾，基本集中在大眾系統的幾款車型上。既然市場沒有或者規模不大，即使有產品，也很難實現產業化。 表1 我國配置雙質量飛輪的部分車型一覽表 四、我國雙質量飛輪發展前景雙質量飛輪由于具有減振、降噪等優點，對提高手動檔車駕駛的舒適性和平

16、順性有很大效果，并且是與雙離合器系統（DCT）具有最理想的匹配效果，因此，雙質量飛輪具有一定的長遠發展前景。但奧爾威咨詢通過對這個產品兩年多的跟蹤調查發現，雙質量飛輪在我國的發展前景，仍存在較大的未知數。我國雙質量飛輪的發展前景，受到以下幾個因素的影響。 （一）、雙質量飛輪受到變速器形式在我國發展趨勢的制約。目前，國際上日、美基本上采用自動變速器（AT和CVT），自動變速器的配置占了絕大部分；在歐洲，總體上MT比AT略占優勢，DCT發展比較迅速，但對于未來變速器形式的發展，出現激烈的爭論。在國內，未來變速器形式何去何從？目前也尚無明確的方向，任由各種變速器形式自行發展。且國外汽車跨國公司競爭勢

17、力在主導著我國變速器形式的走向。但從過去發展的經驗來判斷，我國自動變速器的比重在上升，手動變速器的比重在下降。 （二）、國內主機廠對雙質量飛輪的應用態度。目前，國內還很少車型采用雙質量飛輪，主要是大眾系統采用的比例相對比較多。據了解，當初國內一些引進帶雙質量飛輪的車型，到國內后，都改成單質量飛輪。國內用戶的使用習慣和雙質量產品自身技術不完善，使雙質量飛輪在國內存在比較高的返修率。帶雙質量飛輪的寶萊TDi車型在杭州還出現因雙質量飛輪而集體索賠的事件。一家已經在給某車型配套雙質量飛輪的企業人員透露，帶雙質量飛輪的該款車型將于今年年底停產，他認為國內發展雙質量飛輪的前景比較暗淡。 （三）、汽車柴油化

18、對雙質量飛輪的發展起到非常好的推動作用。在歐洲，柴油車的比例已經比較高，因此對雙質量飛輪的需求也比較大。但在國內，柴油乘用車發展進程不是非常順利，從2004年到現在，我國柴油車總量雖然有所上升，但比重卻在不斷下降。據了解，由于我國柴油車在振動、氣體排放等技術還不成熟，比如目前乘用車柴油機的排控技術還很難達到歐III標準等，限制了國內柴油乘用車的發展。（四）、雙質量飛輪配套價格過高也是發展中一個很大的制約。目前，一套進口的雙質量飛輪的配套價格要1000多元。因為配套價格過高，一些配套雙質量飛輪的車廠也開始想把雙質量飛輪國產化。但據我們了解，雙質量飛輪即使是國產化后，其配套價格也需要500600元

19、，而普通的離合器價格才100200元。手動檔車型多為經濟車型，對價格還是非常敏感，所以一些車廠表示仍然對國產的雙質量飛輪價格很難接受。 最后，我們來看雙質量飛輪發明者和專利擁有者Luk公司。Luk公司從上世紀八十年代中后期開始研發雙質量飛輪，歷經10年左右時間才開始批量生產。據報道，2008年1月Luk公司的雙質量飛輪累計產量突破5000萬套。但據業界人士透露，Luk公司雙質量飛輪的銷售收入也只占其銷售收入的5%左右，年產量200300萬套，這與全球去年7300多萬輛車的產量無法相比。除了歐洲市場外，其它地區對雙質量飛輪的市場需求量并不大雙質量飛輪（DMFW,double mass&

20、#160;flywheel）是上世紀80年代末在汽車上出現的新配置。與單質量飛輪相比，它具有避免怠速共振、減振、降噪和換檔輕松等優點。目前，國內有不少企業在從事雙質量飛輪產品的研發，有的企業即將進入批量化生產。奧爾威咨詢通過對該產品兩年來的調查研究，分析認為，由于存在很多的不確定性，雙質量飛輪在我國的發展前景還難于預料參 考 文 獻1 林世裕膜片彈簧與碟形彈簧離合器的設計與制造M.東南大學出版社，1995. 2 呂振華，馮振東，汽車離合器扭振減振器設計方法探討，汽車工程，1992（1） ：218223. 3 Arno Sebulke. The Two-Mass Flywheel-A Torsional Vibration Damper for the Powertrain of Passenger Cars-State of