（机械制造及其自动化专业论文）双质量飞轮减振弹簧特性研究.pdf

中文摘要 汽车动力传动系统是一个多自由度的扭转振动系统，其扭振及由扭振产生 的噪声是影响汽车使用性能的一个重要方面。双质量飞轮作为减小当代汽车动 力传动系统扭振的核心部件，其应用日益广泛。减振弹簧作为双质量飞轮的核 心部件，其弹性特性直接影响双质量飞轮的性能。目前阻碍国内双质量飞轮技 术发展的一个最大的瓶颈就是人们对于减振弹簧的弹性特性研究并不成熟，在 减振弹簧的设计理论方面也是一片空白。 针对以上现状，本文结合企业实际需求，以一款与v m 新型柴油发动机相 匹配的长圆弧螺旋式减振弹簧双质量飞轮为研究对象，首先建立了该类型双质 量飞轮的振动分析模型，并对该模型进行了强迫扭转振动和自由扭转振动计算。 在分析计算结果的基础上，本文提出了减振弹簧的弹性特性曲线的初始模型， 为减振弹簧的弹性特性分析以及减振弹簧的结构设计打下基础。 其次，本文采用离散化的方法对该类型减振弹簧的弹性特性进行了分析， 并推导出其静弹性特性公式。在此基础上，并结合静弹性特性试验数据，本文 对减振弹簧的结构尺寸进行了合理的设计计算。 再次，本文在建立柔性体弹簧的双质量飞轮虚拟样机模型的基础上，对减 振弹簧的动弹性特性进行了仿真分析。仿真分析结果不仅近似地验证了长圆弧 弹簧静弹性特性公式推导的正确性，而且对该弹簧的动弹性特性有了进一步的 认识和了解。 最后，本文对减振弹簧的弹性特性试验进行了研究，提出了一种对减振弹 簧的静弹性特性进行试验的方法以及设计了相应的静弹性特性试验台，并把试 验得到的结果与理论推导计算的结果进行了比较分析，其误差是合理的，并对 误差产生的原因进行了探讨。 关键词：减振弹簧，双质量飞轮，弹性特性，结构设计 a b s t r a c t t h ed y n a m i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mo fa u t o m o b i l e si sam u l t i - d o ft o r s i o n a l v i b r a t i o ns y s t e m t o r s i o n a lv i b r a t i o na n dn o i s er e s u l t i n gf r o mt o r s i o n a lv i b r a t i o na r e i m p o r t a n ta s p e c t s ，w h i c ha f f e c ta u t o m o b i l e s p e r f o r m a n c e t h ed u a l - m a s sf l y w h e e l u s e d 嬲ac o r eu n i to fd y n a m i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mo fm o d e ma u t o m o b i l e si s w i d e s p r e a di n c r e a s i n g l y t h ed a m p i n gs p r i n gi sam a j o rc o m p o n e n to ft h ed u a l m a s s f l y w h e e l ，w h o s ee l a s t i cp r o p e r t yd i r e c t l yd e t e r m i n e st h ep e r f o r m a n c eo ft h e d u a l m a s s f l y w h e e l t h em a i nb o t t l e n e c ki nt h ew a yo ft h ed e v e l o p m e n to f d u a l m a s sf l y w h e e li nd o m e s t i ci st h a tt h er e s e a r c ho fe l a s t i c p r o p e r t yo ft h e d a m p i n gs p r i n gh a s n ty e tm a t u r e da n dt h ed e s i g nt h e o r yo ft h ed a m p i n gs p r i n gi s u n k n o w n i nv i e wo ft h ep r e s e n ts i t u a t i o nm e n t i o n e da b o v e ，t h i sp a p e rm e tt h ep r a c t i c a l r e q u i r e m e n t so fe n t e r p r i s e sa n dt o o kt h ed u a l - m a s sf l y w h e e lt h a tm a t c h e sw i t han e w t y p eo fv m d i e s e le n g i n ea st h er e s e a r c ho b j e c t f i r s t l y , t h ev i b r a t i o na n a l y s i sm o d e l o fd u a l m a s sf l y w h e e lw a ss e tu p ，a n dt h em o d e lw i t h i nf o r c e dt o r s i o n a lv i b r a t i o n a n df r e et o r s i o n a lv i b r a t i o nw e r ec a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，t h i s p a p e rp r e s e n t e dt h ei n i t i a lm o d e lo fe l a s t i cp r o p e r t yc q 1 l v eo ft h ed a m p i n gs p r i n g , w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o no ft h ea n a l y s i so fe l a s t i cp r o p e r t ya n dt h es t r u c t u r ed e s i g n o ft h ed a m p i n gs p r i n g n e x t ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ee l a s t i cp r o p e r t yo ft h ed a m p i n gs p r i n gb yd i s c r e t e m e t h o d ，a n dd e d u c e dc a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h es t a t i ce l a s t i cp r o p e r t y o nt h eb a s i s o fc a l c u l a t i o nf o r m u l a ，t h i sp a p e rc o m b i n e dw i t ht e s td a t aa n dd e s i g n e ds t r u c t u r es i z e o ft h ed a m p i n gs p r i n gr e a s o n a b l y a n dt h e n ，t h i sp a p e rb u i l tt h ev i r t u a lp r o t o t y p em o d e lo ft h ed u a l - m a s sf l y w h e e l ， a n du s e dt h ef l e x i b l eb o d yt os i m u l a t et h ed a m p i n gs p r i n g as i m u l a t i o no fd y n a m i c e l a s t i cp r o p e r t yw a st a k e nb yt h i sv i r t u a lp r o t o t y p em o d e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sn o t o n l yv e r i f i e dt h ef o r m u l ao ft h es t a t i ce l a s t i cp r o p e r t y , b u ta l s om a d eaf u r t h e r r e s e a r c ho nt h ed y n a m i ce l a s t i cp r o p e r t yo ft h ed a m p i n g s p r i n g i i f i n a l l y , t h i sp a p e rm a d ea ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h ee l a s t i cp r o p e r t yt e s to f t h ed a m p i n gs p r i n g at e s tm e t h o df o rt h es t a t i ce l a s t i cp r o p e r t yi sp r e s e n t e da n dt h e t e s tb e n c hi sd e s i g n e d c o m p a r i n gt h er e s u l to ft e s tw i t ht h er e s u l to ft h e o r e t i c a l a r i t h m e t i cd e d u c t i o n ，t h ee r r o rb e t w e e nt h e mw a sa l l o w a b l e a tt h es a m et i m et h i s p a p e ra l s od i s c u s s e dt h ec a u s e so fe r r o r k e yw o r d s ：d a m p i n gs p r i n g , d u a l m a s sf l y w h e e l ，e l a s t i cp r o p e r t y , s t r u c t u r ed e s i g n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 泌慨出影 武汉理工大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景、目的和意义 根据2 0 0 6 年汽车工业年鉴资料统计分析，在“十一五 期间汽车产量将保 持每年1 5 的增长速度，燃油的消耗也会有大幅度增长。但是，由于环境保护 和可持续发展的要求，能源消耗正走向清洁化、高效化和多元化。这就要求汽 车发动机具有更高的热效率，更充分的燃烧率，更低的温室气体排放量。 汽油发动机具有转速高、质量轻、工作时噪声小、起动容易、制造和维修 费用低等特点，其不足之处是燃油消耗较高，因而燃油经济性较差；柴油发动 机的优点是功率大、经济性能好，热效率高，排放产生的温室效应比汽油低4 5 ， 一氧化碳与碳氢排放也低，因而如果柴油发动机能够广泛应用于家用轿车，对 环境保护和可持续发展是一个很大的贡献。但其不足之处是工作时噪声和振动 较大，有害颗粒排放量大，这两个缺点阻碍了它在轿车上的应用【l 】。 针对该现状，近年来，在欧洲，柴油发动机采用涡轮增压、中冷、直喷、 尾气催化转换和颗粒捕集器等先进技术，柴油发动机汽车的排放已达到欧i i i 、 欧排放标准。该项技术使柴油发动机逐步在家用轿车上得到了应用。 但真正要使柴油发动机在家用轿车上得到广泛应用，必须解决其工作时汽 车噪声和振动较大的问题。汽车振动和噪声一直是汽车行业重要的研究问题。 汽车动力传动系统作为汽车振动和噪声的主要来源，得到了广泛的重视，其中 起主要作用的是动力传动系统的扭振和扭振产生的噪声。由于汽车动力传动系 统是一个多自由度的扭转振动系统，该系统在激励的作用下，就会产生扭振， 从而产生扭振噪声，当激励频率与系统的固有频率重合时，将会出现严重的共 振现象，产生巨大的共振载荷，而产生剧烈扭振噪声【引。 发动机作为汽车动力传动系统的主要激励源，特别是柴油发动机，由于其 功率大，发动机的往返惯性力矩和发动机汽缸中气体的压力矩也大，从而在工 作时产生的扭振较大，导致齿轮传动装置产生噪声，致使机件损坏，从而危及 汽车的使用寿命和乘坐舒适性。因此，如何有效地隔离来自于发动机的振动以 及减小整个动力传动系统的扭振显得尤为重要。在不可能彻底消除激励的情况 武汉理工大学硕士学位论文 下，对汽车动力传动系扭振及扭振噪声的控制，重点在发动机与传动系的联接 环节上。 在控制汽车动力传动系统的扭振和扭振噪声方面，广泛采用的传统方法是 在发动机与传动系之间安装带有干摩擦阻尼和螺旋弹簧的一级线性或多级非线 性离合器从动盘式扭振减振器，这种离合器式的扭振减振器对扭振和扭振噪声 的控制起到了较好的作用，其减振原理就是把扭矩的波动限制在允许的范围内， 从而降低噪声。随着排放法规的要求越来越高，发动机采用增压、多点电喷等 技术的同时带来更大的振动问题，更高的乘坐舒适性以及处于保护变速器及其 它对振动敏感的零部件，所有这些因素都对扭转减振器提出了新的要求，但由 于传统的离合器式扭振减振器的结构空间有限，减振弹簧的工作扭转角度小， 扭转刚度大，越来越难以达到对汽车动力传动系扭振及扭振噪声控制的较高要 求，而且其设计和改进的空间也非常小。因此为了彻底解决汽车动力传动系扭 振和噪声问题，离合器式的扭振减振器已经没有多少潜力，需要寻找新的解决 途径【3 1 。 双质量飞轮式扭振减振器在新的需求下应运而生。双质量飞轮式扭振减振 器，简称双质量飞轮，是减小汽车动力传动系统扭转振动的一个十分有效的装 置，是2 0 世纪8 0 年代中期出现的一种新式汽车动力传动系扭振减振器。早期 的双质量飞轮基本上沿用了离合器从动盘式扭振减振器的结构，它将减振弹簧 从离合器从动盘中取出，然后将其布置到发动机飞轮上，而形成双质量飞轮式 扭振减振器，使得发动机飞轮具有多种功能，即不但具有其原来的功能，而且 还具有扭振减振器的功能，并且由于其减振弹簧的安装半径更大，弹簧的刚度 更小，相对扭转角更大，减振效果更加理想。另外，由于其结构的独特性，可 利用其质量和刚度的变化来调节传动系的扭振固有特性，降低传动系的共振转 速，并利用其阻尼来衰减系统的振动幅值。 双质量飞轮的出现使得柴油发动机广泛应用于家用轿车成为现实。双质量 飞轮先后在德国、日本、法国、美国等国发明并获得应用，其优良的性能已在 大量试验研究和实际应用中得到证实，并被广泛应用于转矩变化大的柴油汽车 中。例如装备这种减振器的德国b m w 3 2 4 d 汽车曾被称之为“世界上最安静的 柴油车 目前双质量飞轮已被国内外各种车型所采用，在国外已是成熟产品， 但由于国内汽车技术起步晚，并且双质量飞轮的设计要求高，加工难度大，技 术性能指标严格，其在国内尚处于研究阶段，中高级轿车上采用的双质量飞轮 2 武汉理工大学硕七学位论文 全部为国外进口产品【4 。 目前阻碍国内双质量飞轮技术发展的一个最大的瓶颈就是人们对于减振弹 簧的弹性特性研究并不成熟，在减振弹簧的设计方面也是一片空白。减振弹簧 作为双质量飞轮的核心部件，其弹性特性直接影响双质量飞轮的性能。本课题 针对目前使用非常广泛的粘性油脂阻尼、长圆弧螺旋式减振弹簧结构的双质量 飞轮，在对某一型号的双质量飞轮的减振弹簧的特性进行研究的基础上，依据 直螺旋弹簧的设计理论，探讨减振弹簧的设计方法。因此，本课题的研究对于 该类型双质量飞轮减振弹簧的开发具有很强的理论和实践意义，对于该结构类 型的双质量飞轮的批量生产的实现也具有一定的实际价值，同时，本课题的研 究对于国内双质量飞轮技术的发展也具有重要意义。 1 2 本课题有关的国内外研究现状 双质量减振弹簧作为双质量飞轮的核心部件，其产生及发展与双质量飞轮 的产生及发展息息相关。从目前查阅的国内外所有资料来看，本课题所研究的 长圆弧螺旋式减振弹簧也只在双质量飞轮上使用。因此，国内外关于减振弹簧 的研究与双质量飞轮总体的研究是紧密联系的。下面介绍一下双质量飞轮的产 生及发展。 双质量飞轮是上世纪八十年代中期出现并发展起来的一项汽车技术。由于 其优点多，实用性能好，所以国外一些技术较先进的厂家均拥有自己开发的双 质量飞轮，并成功地应用于多种车型。 据j a s e 资料介绍，双质量飞轮首次出现是在1 9 8 4 年，它被装在日本丰 田汽车公司的“m a r k i i 汽车上。虽然该车基本上采用了离合器从动盘式扭 振减振器的形式，但这是汽车动力传动系双质量飞轮式扭振减振器发展史上的 一个转折点。 1 9 8 5 年，德国宝马公司首次将双质量飞轮作为产品装备车辆，车型为 b m w 3 2 4 d ，当时该车被称为“全世界最安静的柴油车 。随后，宝马公司相继 在b m w 5 2 4 t d 、b m w 5 2 5 、b m w 5 2 8 e 车上装备了双质量飞轮，大大降低了这 些汽车动力传动系的扭振和扭振噪声。 与此同时，世界上其他国家，如法国、英国、美国等汽车生产大国，都进 行了双质量飞轮产品的研制和开发，其中尤其以德国和法国的成果最为显著。 武汉理工大学硕士学位论文 到上世纪9 0 年代初双质量飞轮产品已基本趋于成熟，在此期间出现了大量的 专利产品，并且在s a e 上出现了研究双质量飞轮的论文；与此同时双质量飞轮 产品也由原来简单的机械干摩擦式发展到液力阻尼式机液一体化的现代化产 品，产品应用范围也由用于柴油车发展到用于汽油车、大客车、中低档轿车上。 目前，欧洲汽车开始广泛使用这种新型扭振减振器，而传统从动盘式扭振减振 器正逐渐退出历史舞台。 在我国，汽车工业起步较晚，起点较低，长期以来靠引进国外技术生产汽 车。自八十年代起，我国的汽车工业进行了大规模的技术改造，各主要汽车生 产厂家和零部件生产厂家都先后引进了一些先进的设备和技术资料，整体技术 水平有了长足的进步，不少厂家已经吸收、消化了从动盘式扭振减振器的生产 和设计技术。但对于双质量飞轮国内尽管有一些汽车公司和大学开展了研究， 也生产出了样件，但还没有投入批量生产。国内一些装备有双质量飞轮的中高 档轿车( 如a u d i a 6 等) ，使用的都是进口产品【5 1 。 纵观双质量飞轮的产生及发展历程，双质量飞轮减振弹簧的产生及发展也 只有近二十年时间。在这期间，出现了多种不同形式的双质量飞轮减振弹簧， 其中，比较典型的且使用最为广泛的是长圆弧螺旋式减振弹簧。 1 3 双质量飞轮减振弹簧的介绍 1 3 1 双质量飞轮减振弹簧的结构及分类 作为双质量飞轮的核心部件，双质量飞轮减振弹簧的结构与双质量飞轮的 结构是一一对应的。双质量飞轮基本结构有三大部分，即初级飞轮、次级飞轮 和两飞轮之问的减振弹簧。初级飞轮与发动机曲轴输出端法兰盘相连接，次级 飞轮通过一个轴承安装在初级飞轮上，次级飞轮与离合器壳相联接。初、次级 飞轮之间可以有相对转动，它们之间通过减振弹簧相联。如图1 1 所示，为双 质量飞轮结构。 根据不同的使用工况，双质量飞轮减振弹簧有着不同的结构形式，人们从 不同的角度出发，研究解决实际应用中的一些问题，提出了各自的解决方案以 及不同的结构形式，最终使双质量飞轮的性能不断提高。 4 武汉理工大学硕+ 学位论文 懑 图l 一1 双质量飞轮结构 减振弹簧结构形式多样，有螺旋弹簧式和橡胶弹簧式；而螺旋弹簧式根据 布置方式不同又可分为径向弹簧式和周向弹簧式，其中周向弹簧式又有长曲线 弹簧式和短轻弹簧式；另外，在工作过程中，减振弹簧所受的摩擦阻尼类型分 为干摩擦阻尼式、油脂粘性摩擦阻尼式和空气阻尼式。经过人们这些年的研究， 双质量飞轮减振弹簧的结构形式得到了很大发展，与各种其它结构综台使用的 形式也相继出现。f 匾简要介绍几种典型结构的烈质量减振弹簧。 ( 1 ) 长圆弧螺旋式减振弹簧 如图1 2 所示嘲【7 】，为这种结构的双质量飞轮，初级飞轮和次绒飞轮之间形 成一个封闭的腔室，长圆弧螺旋式减振弹簧被布置在腔室内，同时在腔室与减 振弹簧之问充满油脂。由于油脂的润滑作用，减少了减振弹簧的磨损，因此这 种结构的减振弹簧分柿半径较大，弹簧弧度较大，其有效压缩量也较大，减振 弹簧的刚度值较小，进而使得初、次级飞轮之间可有较大的相对转角，一般在 3 0 。到4 5 。，最高可达6 0 。由于这种结构的减振弹簧扭转刚度小，共振频率 低，因而控制扭振和噪声的能力较强。这种结构的双质量飞轮是当今汽车行业 最具有代表性的双质量飞轮，其缺点在于加工精度高，加工难度大。这种结构 的双质量减振弹簧也是本课题所研究的对象。 图1 2 安装有长圆弧螺旋式减振弹簧的双质量飞轮 恭一 武祝理1 人学硕十学位论文 ( 2 ) 短轻、直弹簧式减振弹簧 由于在双质量飞轮中减振弹簧分布半径较大，所受离心力大，同时在与传 统离合器从动盘式扭振减振器减振弹簧分布角相同的情况下，其弹簧长度加长， 此时弹簧径向易发生变形，导致弹簧与窗口接触，从而加剧弹簧磨损。为解决 这个问题，选择轻的弹簧，使离心力减小，同时又因其短，径向弯曲和周向变 形也小，因而较好地解决了弹簧的寿命问题。这种结构的双质量飞轮较多地沿 用了传统离合器从动盘式扭振减振器的概念。 在此基础上，人们做了很多改进，使得其结构r 趋完善。为使减振器在各 种不同工况下均能很好地工作，人们常将弹簧分组，各组弹簧刚度不一样起 作用的时间不一样，从而获得良好的非线性特性。带怠建减振级的减振器就是 将先起作用的一组弹簧刚度设计成很低，专门用于减缓息速时的噪声，如图1 - 3 所示】。按其与摩擦阻尼元件的连接方式还可分串联式和并联式两种。前者的 实际使用效果更好些，但结构复杂，设计和布置困难。为了更好地发挥减振性 能，人们还采用了行星齿轮结构的减振弹簧，如图1 - 4 所示【9 】。 采用短轻弹簧需要增加弹簧座和弹簧捐套，这就增加了零件的数目，增大 了制造精度要求，提高了生产和装配复杂度。 图卜3 装有怠速减振级弹簧 的双质量飞轮 图1 _ 4 装有行星齿轮结构的减 振弹簧的双质量飞轮 ( 3 ) 径向式减振弹簧 径向式减振弹簧的特点在于其减振弹簧为直弹簧分组安装在由减振器侧 板、从动板组成的沿飞轮径向的弹簧室中，其侧板和从动板通过两个传动销分 别与飞轮的第一质量、第二质量相连。如图1 - 5 所示，为径向式减振弹簧的 双质量飞轮的结构图。当减振弹簧不承受转矩时，弹性机构组件处于沿飞轮径 簪 武汉理_ l = 人学顼+ 学位论文 向的初始位置；当其受到转矩作用时，第一、第二飞轮之州产生相对转角，而 减振弹簧只产生简单的轴向压缩变形。这样布置弹簧可使得减振弹簧具有非常 理想的非线性弹性特性，其扭转刚度随着传递扭矩的增加而逐渐增大，如图卜6 所示【”】，为该减振弹簧的特性曲线。与周向布置的减振弹簧相比，径向弁置的 减振弹簧有如下优点：弹性特性和阻尼特性比较稳定；受离心力的影响比较小： 结构比较简单。 图1 5 装有径向式减振弹簧的图i - 6 径向式减振弹簧的特性曲线 双质量飞轮 ( 4 ) 橡胶式减振弹簧 如图1 7 所示，为采用橡胶作为减振弹簧的双质量飞轮，由于采用的是 橡胶弹簧，因此不存在上面所述弹簧的磨损问题，同时由于橡胶的非线性弹性 特性和高的内阻尼，使得减振弹簧的弹性特性更为合理，同时还简化了结构。 其主要缺点是橡胶弹簧易老化，长时间工作后，橡胶发热，阻尼力下降。 图1 7 采用橡胶减振弹簧的双质量飞轮 ?frhhor#，产蟹 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 5 ) 采用多层弹簧的结构的减振弹簧 如同1 - 8 所示，为多层弹簧结构的双质量飞轮的结构图。采用这种减振 弹簧的双质量飞轮多与大功率、大转矩的发动机相匹配，为传递大的转矩，该 结构的减振弹簧在不同半径的圆周上布置多组减振弹簧，这样就可保证既有较 大的相对扭转角，又能保证传递足够的转矩。 渺 图1 - 8 装有多层结构减振弹簧的双质量飞轮 ( 6 ) 采用空气阻尼式的减振弹簧 大多数的双质量飞轮都是采用的干摩擦阻尼或粘性阻尼，这两种阻尼都很 好实现。粘性阻尼一般都是将弹簧舱密封，在里面注满粘性材料来实现，而干 摩擦阻尼一般是在两个飞轮之间添加摩擦材料来实现。除此之外还有一种概念 是采用空气阻尼来实现减振，其结构如图i 一9 所示i l5 j 【i “。 ( 7 ) 液力式减振弹簧 如图1 - 1 0 所示，为装有液力式减振弹簧的双质量飞轮。这是在八、 十年代末、九十年代初出现的一种新型的双质量飞轮式扭振减振器。它从根本 上摆脱了传统离合器从动盘式扭振减振器设计思想束缚，为扭振减振器的设计 丌辟了一个新思路，其基本原理为：油路连接飞轮第一、第二质量，液压泵驱 动油液传递动力，在不同的工况下，不同的阀体处于不同的工作状态，控制阻 尼的大小，利用减振弹簧室来平滑转矩波动，并由弹黄室大小控制极限转角。 这种形式的双质量飞轮式减振器的性能优良，结构紧凑，但加工制造成本较高， 控制系统复杂。 武汉理t 大学硕士学位论文 图1 9 装有空气阻尼减振 弹簧的双质量飞轮 图1 一1 0 装有液力式减振 弹簧的双质量飞轮 13 2 双质量飞轮减振弹簧工作原理及减振性能分析 ( 1 ) 双质量飞轮减振弹簧的工作原理 双质量飞轮减振弹簧是一种不但能传递低频转速变化，还能吸收高频转速 变化的低通滤波器【”】。其主要作用有两个，一个是传递扭矩；一个是隔离源于 发动机的扭振。汽车在f 常行驶工况情况下，减振弹簧把发动机产生的扭矩传 递给整车系统，另外在减振弹簧的作用下，避免了发动机高频激励与传动系的 某阶固有频率重台而发生共振；汽车在怠速工况下行驶时，当共振转速门限值 低于发动机怠速转速时，在工作转速范围内可将发动机的旋转不均匀性与传动 系基本隔离。 如图1 - 1 l 为双质量飞轮的振动模型 2 0 l ，我们可以列出如下振动方程式进行 研究，以了解减振弹簧刚度和阻尼对职质量飞轮性能的影响。 当l ( 最- 0 0 1 f 时， b + 置( q b ) + cs 鲥q 一岛) = t s i n w t 正岛+ k ( 0 2 一q ) + fs g n ( 0 2 一日) = 0 图1 1 1 双质量飞轮减振模型 武汉理工大学硕士学位论文 减振弹簧刚度的影响 共振频率随摩擦力的值而变化，没有摩擦力时和摩擦力无限大时存在着两 个共振频率：大的共振频率由k + k 1 ，j l 和j 2 决定，而小的共振频率由k ，j l 和j 2 决定。 图1 1 2 表示分别改变弹簧刚度k ，k l 时的计算结果。由图可知，两个共振 频率分开，对抑制共振很有效。为了提高在发动机实用转速范围内的转速波动 降低的效果，必须将其共振频率设定为空载转速以下的尽可能小的转速。k ， k l 的确定必然考虑到以上几个因素。 阻尼的影响 在决定好k 和k l 的值后，只改变阻尼时的计算结果如图1 1 3 所示。由图 可知，在发动机实用转速范围内，即便改变阻尼的值，传递的扭矩也不会发生 很大变化，这就是说转速波动的降低效果不受阻尼的影响；并且存在着使共振 峰值最小的阻尼最佳值。 趣葫饥辅蓐“，椭 图1 1 2 弹簧刚度k 、k 的影响 图1 - 1 3 摩擦力e 的影响 ( 2 ) 双质量飞轮减振弹簧的减振性能分析 双质量飞轮减振弹簧的减振性能的优良性已经在大量的实际应用中得到证 实，其具体表现如下【2 1 】： 传递特性 如图1 1 4 所示，为人们对某一型号双质量飞轮减振弹簧传递特性的测试结 果，由图可知，同时达到了减少在发动机实用转速区域内的转速波动与抑制共 振两个目的。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 l jr r i 麓l 。谨r “lo 。 i 。 “ 兰 口o l l 喇 lo & l - 。l 嚣l 4 1r 一 冀气 l 0 。l 鼍1 瞳戳0 a 畦 ， rl 鱼 、 、 l “”| ：= ：“| 图1 1 4 传递特性 空载噪声测试 如图1 1 5 所示，为人们对装有减振弹簧的某一型号双质量飞轮的减少空载 噪声测试的例子。由图可知，与没有装载减振弹簧的飞轮相比，可以大幅度地 减少转速波动，减少空载噪声。 减少加速时的转速波动的效果 如图1 1 6 所示，为前人做的装有减振弹簧的双质量飞轮改善噪声的例子。 由图可知，与没有装载减振弹簧的飞轮相比，大幅度地减少了转速波动，从而 大大地减少了手动减速器的振动。 b 如件 蠢 _ q 埘，臼南毗 i 嘲_ - 州_ 薹 嚣 譬 c 茎 薹” 图1 1 5 空载噪声降低效果图1 1 6 加速时降低转速波动效果 1 3 3 本文研究的双质量飞轮减振弹簧的基本结构和特点 本文研究的对象是采用粘性油脂阻尼、长圆弧螺旋结构的减振弹簧。如图 一-毒i譬_嚣；薯_毒i-_ll篓z，嚣i毒 武汉理l 大学硬十学位论文 1 1 7 所示，为这种结构的减振弹簧以及装有该类减振弹簧的双质量飞轮。在了 解该减振弹簧的基本结构之前，我们要对与其紧密联系的双质量飞轮的基本结 构有一定的了解。该飞轮由三部分构成：初级飞轮总成、次级飞轮总成与两飞 轮间的减振弹簧。初级飞轮总成分为外盘、内盖，用螺钉连接：次数飞轮与拨 盘用铆钉连接形成次级飞轮总成。初、次级飞轮白j 可以相对运动，两飞轮l 白】通 过减振弹簧相联，传动时，初级飞轮通过减振弹簧带动次级飞轮。下面我们了 解一下该减振弹簧的基本结构。 从图中可知，该减振弹簧为大小长圆弧弹簧相套的结构，两根长幽弧弹簧 的弧长不同，半径不同，同心安装，组成具有两级刚度的并列式组合弹簧。整 个减振弹簧共有两组这种结构的弹簧组布置在初级飞轮的外盘、内盖与滑道所 形成的密闭弹簧腔室内在密闭的弹簧腔室内充满粘性油脂。另外，两组弹簧 是通过拨盘并联起柬的。其中，每组弹簧由分布半径相同的内外两个长圆弧螺 旋弹簧并联组合而成，各个弹簧组中对应大小弹簧的结构参数和分布半径相同， 即两组弹簧是完全相同的。在工作过程中，初级飞轮驱动弹簧组，弹簧组中的 太长圆弧弹簧开始压缩变形，从大长圆弧弹簧开始工作到弹簧座刚好接触小长 圆弧弹簧，这个过程为发动机的怠速工况；此后，大小长圆弧弹簧一起被压缩 变形，这个过程为发动机的正常行驶工况。可见，发动机在不同工况下，减振 弹簧的弹性特性是不同的。 图1 1 7 本文研究的长圆弧螺旋减振弹簧以及装有该减搬弹簧的双质量飞轮 采用这种结构的减振弹簧的双质量飞轮，由于弹簧分布半径较大，减振弹 簧的刚度低，双质量飞轮的初级飞轮和次级e 轮之间的相对扭转角很大，缓和 冲击和衰减振动、噪声的效果更好。另外，由于其结构的特殊性，使其具有两 武汉理下大学硕士学位论文 级刚度，可以满足汽车在怠速和正常行驶速度的不同工况的需求。但这种结构 的减振弹簧的加工难度较大，工艺技术指标要求较为严格，这些都成为制约其 在国内发展的因素。 1 4 本课题的来源及主要研究内容 本课题来源：湖北省科技攻关项目“发动机双质量飞轮性能检测系统及其 关键技术 ；重庆海通机械制造公司“v m 双质量飞轮新产品开发 。 本课题是与企业的实际需要紧密联系的。厂家拟开发一款与v m 新型柴油 发动机相匹配的型号为j m g e l 0 0 5 0 6 0 凡认的双质量飞轮，但由于其没有与之 匹配的检测技术，无法得到该双质量飞轮的各种特性，尤其是减振弹簧的弹性 特性。虽然厂家在参照国外成熟产品的基础上，仿制出样品，但离批量生产还 有很长一段距离。本文在对该型号飞轮的减振弹簧的弹性特性进行研究的基础 上，对减振弹簧的结构进行了设计，为同类型双质量飞轮减振弹簧的设计提供 了理论依据，也为该类型双质量飞轮的批量化和系列化生产打下了基础。 本文采用的研究方法：本文首先在建立减振弹簧特性模型的基础上，对本 文研究的双质量飞轮的减振弹簧的各个特性进行了分析。其中，本文重点探讨 了减振弹簧的刚度特性，并得到了该减振弹簧的弹性特性曲线的初始模型，为 减振弹簧的弹性特性分析以及其结构设计打下基础。 在此基础上，本文借鉴离散化的分析方法对该减振弹簧的弹性特性公式进 行了推导。然后在参考弹性特性试验所得数据的前提下，本文对该减振弹簧的 结构尺寸进行了设计计算，并对设计计算的结果进行了刚度验证和强度校核， 验证了结构尺寸设计计算的正确性，也从侧面验证了弹性特性公式推导的正确 性。 本文在减振弹簧尺寸结构设计计算的基础上，建立了双质量飞轮的虚拟样 机模型，然后对减振弹簧的弹性特性进行了仿真分析，把仿真分析的结果与弹 性特性试验的结果进行了对比，以验证弹性特性公式推导的正确性。 本文在最后对该减振弹簧的弹性特性试验进行了研究，设计了一种对减振 弹簧静弹性特性进行试验的方法，并对试验结果进行了了分析，分析结果表明 本文提出的试验方法是完全可行的。 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章减振弹簧特性分析模型的建立 双质量飞轮减振弹簧是双质量飞轮的核心部件，其特性包括振动特性、刚 度特性以及阻尼特性，这些都决定了双质量飞轮的使用性能。因此，分析减振 弹簧的各个特性是非常有必要的。本文研究的双质量飞轮减振弹簧为长圆弧螺 旋结构，考虑到其结构的复杂性以及不同的工况条件，在分析其各个特性时， 本文建立了相应的分析模型。 2 1 减振弹簧的振动特性分析 本文研究减振弹簧振动特性侧重于了解减振弹簧的扭转刚度、阻尼对双质 量飞轮减振性能的影响，以及如何影响的。为此，本文把双质量飞轮当作一个 有线性阻尼的动力减振器【2 2 1 ，其振动系统为线性系统。发动机作为击振源，为 其提供激励，为简化研究，假定发动机提供的激励为正弦激励，即t s i nw t ，其 中，w 为激励圆频率。 另外，根据所研究双质量飞轮减振弹簧的实际结构，由于在该减振弹簧的 腔室中充满粘性油脂，因此其阻尼采用粘性摩擦阻尼，即线性阻尼。其阻尼值 与油脂的粘性和弹簧运动速度成正比，与弹簧运动速度的方向成反比，即 f = 一卯，式中，c 为粘性阻尼系数，它取决于弹簧的形状、尺寸及油脂的粘性。 如图2 1 所示，为双质量飞轮的振动分析模型。 t s j n w t j 1 j 2 k v 讥w w 小一 01 02 u c 图2 - 1 双质量飞轮振动模型 1 4 武汉理t 大学硕士学位论文 z ：初级飞轮的转动惯量，单位为姆m 2 。 以：次级飞轮的转动惯量，单位为堙m 2 。 岔、幺：分别为双质量初、次级飞轮的角位移，单位为r a d 。 k ：双质量飞轮减振弹簧的扭转刚度，单位为n m r a d 。 t s i n w t ：假定的发动机提供给双质量飞轮的正弦激励，w 为激励圆频率。 c ：油脂的粘性阻尼系数。 根据分析模型可得到如下振动微分方程： 以q + c ( q 一幺) + 尼( q 一岛) = t s i n w t l，1 、 以幺+ c ( 岛一舅) + 尼( 幺一q ) = 0j 微分方程用矩阵表示：【】痧+ 【c 】矽+ 【忌】口= 【丁】 ：羔 ( 曩) + 二- c c l j 7 l 幺, + 三一kj k o ：) = 吾s i n w c 2 2 ， 【】为质量矩阵， k 】为刚度矩阵，【c 】为阻尼矩阵。 对微分方程2 2 进行求解，只考虑稳态振动，用复量表示法，以死m 表示 发动机提供给双质量飞轮的正弦激励，即死m = t s i n w t ，并设稳态响应为 研( f ) = 4 e 柳一例，0 2 ( t ) = 4 e 俨纠，代入方程得： 4 p 扎瓦万t ( - 丽j lw 币2 + k 面+ c w 再i ) 丽 a 2 e - i 矿= t ( k + c w i ) 4 = 1 4 e - 伊i 2 丽篇一； 4 = 1 4 e - l 2 丽丽t x 舞 c 2 w 2 + k 2 丽 ( 2 3 ) 上式中，4 为双质量飞轮的输出幅值，从推算的结果可得到，双质量飞轮 减振弹簧的扭转刚度和阻尼系数直接决定了双质量飞轮的输出幅值，因此可以 通过设计减振弹簧的扭转刚度以及选用不同的润滑油脂来满足不同传动系统的 减振要求。 武汉理工大学硕士学位论文 以上是在对双质量飞轮进行强迫振动的计算条件下，了解减振弹簧的刚度 和阻尼对双质量飞轮的振动性能的影响。下面我们再从双质量飞轮的自由扭转 振动来了解这两个参数如何影响双质量飞轮的固有特性【2 3 1 。在自由扭转振动条 件下，双质量飞轮不受外界激励的影响，它是一个两自由度无阻尼的自由振动 系统，因此其振动微分方程为： 0 羔 ( 复 + - 1 2 一k 后 j f ，l q o ：、) = 三 c 2 4 ， 代入q ( f ) = 4 p m 训，0 2 ( 0 = 4 俨矿化简得到： 后- 一j 后i 后一- 以k 矿 ( 主) = ( 三) c 2 - 5 ) 其特征方程为：( k - j , w 2 ) ( k 一以w 2 ) 一后2 = 0 ( 2 6 ) 其解为： w 2 = 0 ， w 2 2 = 后生争； 对应的幅值比为： 我们对解的结果进行分析，当其固有频率为零时，即w 1 2 = 0 ，初、次级飞 轮对应的振幅比l ，这表明双质量飞轮的初、次级飞轮之间没有发生相对转动， 即没有扭转振动产生，在这种情况下，减振弹簧相当于刚体，这与实际不相符 合，因此对第一阶固有频率没有分析的意义。由振动微分方程解的结果知，第 二阶固有频率为： w 2 = kj l 互+ - 2 ； 可以得出双质量飞轮的固有频率由减振弹簧的扭转刚度，以及初、次级飞 轮的转动惯量来决定。 通过以上分析，我们考虑到，当外界对双质量飞轮的激励的频率与其固有 频率趋于一致时，便发生共振，在共振状态下，双质量飞轮不但不能起到减振 作用，而且减少了双质量飞轮的寿命，这种情况是必须避免的。为避免共振， 就要降低双质量飞轮的固有频率，使其避开外界激励的频率。 因为固有频率由减振弹簧的扭转刚度和初、次级飞轮的转动惯量决定，因 1 6 一以 一 笙掣 旬 掣万 武汉理工大学硕士学位论文 此有两种方法可以用来改变其固有频率。一个方法是调整减振弹簧的扭转刚度； 另一个方法是在双质量飞轮总惯量不变的情况下，调整双质量飞轮的初、次级 飞轮的转动惯量的分配。因为本文在这章研究的重点是减振弹簧的特性对双质 量飞轮整体性能的影响，因此对于初、次级飞轮转动惯量的分配调整在这里不 作讨论。在这里重点探讨一下通过调整减振弹簧的扭转刚度降低双质量飞轮的 固有频率。 减小减振弹簧的刚度来降低双质量飞轮的固有频率的方法有很多，可以采 用刚度较小的减振弹簧，即增加减振弹簧的安装半径【矧。另外，通过外界激励 频率的变化来改变双质量飞轮固有频率，也可以避免共振发生。因此，可以采 用由不同刚度弹簧组合的减振弹簧，不同刚度对应不同的工况，使减振弹簧的 整体刚度成非线性变化，避免了共振的危害，延长了双质量飞轮的使用寿命。 本文研究的型号为j m g e l 0 0 5 0 6 0 r a a 的双质量飞轮，其减振弹簧采用两级非 线性扭转刚度结构正是基于这一点的考虑。本文在下面将对这种两级非线性扭 转刚度的特性进行分析。 2 2 减振弹簧的刚度特性分析 本文研究的双质量飞轮的减振弹簧采用的是大小长圆弧弹簧相套的结构， 整个减振弹簧由两组这种结构的弹簧组合而成，形成具有两级刚度的并列式组 合减振弹簧。对于这种组合式弹簧，弹簧的连接方式直接影响到减振弹簧的总 刚度特性。 2 2 1 弹簧的串联与并联原理 如图2 - 2 所示【2 5 】，当刚度为毛和如的两个弹簧并联时，在外力f 的作用下， 两个弹簧变形均为盯= 4 。一“：，但各自受的力分别是 互= 毛仃 ， 互= 恕 ( 2 7 ) 根据合力关系： f = 鼻+ e = ( 岛+ 如) 仃 得到并联弹簧的总刚度为： f k = 二- = 毛+ 屯 1 7 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 武汉理t 大学硕：l 学位论文 如图2 - 3 所示，当刚度为t ，和如的两个弹簧串联时，其变形分别为 ff q2 m 一“22 i 吒2 屹一虬。i 根据总变形： a = q + = f ( + 亡) 两串联弹簧的总刚度k 满足： 等f = + 毒= 燕 女 也南+ 也 、o o ，1 型- 图2 - 2 两个弹簧并联 r生0 0 、一卜： 、叶n p p * k 匕 而 时，第二组弹簧开始接触并参加工作，因而使刚度增加，得到了硬特性；如图 2 5 ( b ) 所示，当h r o k , 时，第二组弹簧开始与第一组弹簧串联工作，因而使 刚度减小，得到了软特性。这就构成了图2 5 所示的分段线性弹性表示的非线 性弹性的近似模型，这种非线性恢复力可以表示为： f 毛x ( 一x o x 而) f ( x ) = 如x + ( k l k 2 ) x o ( x o x ) ( 2 - 1 3 ) 【哎工一( 毛一屯) ( 一x o x ) 1 9 武汉理工大学硕十学位论文 同样，当连接弹簧存在间隙而和弹簧有预紧力磊的非线性弹簧情况也可以 用分段线性弹性模型来表示，如图2 - 6 所示。当