雙質(zhì)量飛輪在微車扭振治理中的應(yīng)用

李洪亮，黃元毅，鄧江華，何森東，王 東

（1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心汽車工程研究院，天津 300300；2.上汽通用五菱股份有限公司技術(shù)開發(fā)中心，廣西柳州 545007；3.西南交通大學(xué)振動(dòng)噪聲研究所，四川成都 610031）

汽車的噪聲（Noise）、振動(dòng)（Vibration）及不舒適性（Harshness）簡(jiǎn)稱為NVH。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的NVH已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，其中，動(dòng)力傳動(dòng)系扭振是造成汽車NVH問題的重要因素之一［1－2］。按照治理目標(biāo)，治理措施分為對(duì)振動(dòng)源的治理、對(duì)振動(dòng)傳遞路徑的治理以及對(duì)噪聲和振動(dòng)接收對(duì)象的保護(hù)。雙質(zhì)量飛輪就是在動(dòng)力傳動(dòng)系扭振傳遞路徑中進(jìn)行有效減振的措施之一。通過調(diào)整雙質(zhì)量飛輪內(nèi)部的扭轉(zhuǎn)剛度及主、次飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，改變了整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系的扭振固有特性，避免了共振的產(chǎn)生，具有良好的減振性能［3－6］。

針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)前置后驅(qū)的微車由動(dòng)力傳動(dòng)系扭振引致的低速車內(nèi)噪聲和振動(dòng)問題，本研究擬建立該車動(dòng)力傳動(dòng)系的扭振當(dāng)量計(jì)算模型，分析雙質(zhì)量飛輪的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)其減振效果的影響，實(shí)現(xiàn)雙質(zhì)量飛輪的匹配設(shè)計(jì)，并對(duì)雙質(zhì)量飛輪的減振效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 問題描述

由于某發(fā)動(dòng)機(jī)前置后驅(qū)微車的動(dòng)力傳動(dòng)系在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)（轉(zhuǎn)速1 000～1 500rpm）扭振劇烈，引起車內(nèi)較大的噪聲和振動(dòng)（車內(nèi)噪聲與振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖1所示），嚴(yán)重影響了車內(nèi)人員的乘坐舒適性。

圖1 車內(nèi)振動(dòng)和噪聲測(cè)試結(jié)果Fig.1 Test results of vehicle interior noise ＆vibration

對(duì)其動(dòng)力傳動(dòng)系進(jìn)行扭振測(cè)試（如圖2所示）后發(fā)現(xiàn)，該車在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，動(dòng)力傳動(dòng)系扭振非常劇烈，且在1 500rpm附近存在峰值。

從圖1，2中可以看出，該車動(dòng)力傳動(dòng)系在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)扭振較大，并造成了嚴(yán)重的車內(nèi)噪聲和振動(dòng)問題，必須對(duì)其進(jìn)行治理。而雙質(zhì)量飛輪是治理軸系扭振最有效的措施之一，因此，本研究擬采用雙質(zhì)量飛輪對(duì)其扭振進(jìn)行治理，以期取得較好的減振效果，解決該車低速噪聲和振動(dòng)問題，提升整車NVH性能。

2 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)減振效果的影響

2.1 扭振當(dāng)量模型的建立

圖2 動(dòng)力傳動(dòng)系扭振測(cè)試Fig.2 Test results of torsional vibration

汽車動(dòng)力傳動(dòng)系是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng)。在分析汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，將其實(shí)際結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成一個(gè)由有剛度無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的軸段以及有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量無剛度的慣量盤構(gòu)成的多自由度系統(tǒng)，即實(shí)際傳動(dòng)系的扭振當(dāng)量系統(tǒng)［7－8］。

根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)前置后驅(qū)微車的動(dòng)力傳動(dòng)系（如圖3所示）及其使用的雙質(zhì)量飛輪的初始參數(shù)，建立該車動(dòng)力傳動(dòng)系在安裝雙質(zhì)量飛輪時(shí)的扭振當(dāng)量計(jì)算模型。通過該模型，計(jì)算獲取動(dòng)力傳動(dòng)系的扭振模態(tài)信息以及在發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)下動(dòng)力傳動(dòng)系的扭振響應(yīng)。

圖3 動(dòng)力傳動(dòng)系扭振當(dāng)量模型結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Drivetrain equivalent torsion model

2.2 初級(jí)慣量對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系扭振響應(yīng)的影響

應(yīng)用動(dòng)力傳動(dòng)系扭振當(dāng)量計(jì)算模型，針對(duì)雙質(zhì)量飛輪的初級(jí)慣量（也稱主飛輪慣量）、次級(jí)慣量以及扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)系統(tǒng)扭振響應(yīng)的影響進(jìn)行仿真分析。

保持雙質(zhì)量飛輪次級(jí)慣量和扭轉(zhuǎn)剛度不變，初級(jí)慣量對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系扭振的影響如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著雙質(zhì)量飛輪初級(jí)慣量的增加，傳動(dòng)軸輸出端的扭振角位移幅值減小，其減振效果變好，因此，在條件允許的情況下，應(yīng)適當(dāng)增加雙質(zhì)量飛輪的初級(jí)慣量。

圖4 初級(jí)慣量對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系扭振的影響Fig.4 The impact of primary inertia

2.3 次級(jí)慣量對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系扭振響應(yīng)的影響

保持雙質(zhì)量飛輪的初級(jí)慣量和扭振剛度不變，次級(jí)慣量對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系扭振的影響如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著次級(jí)慣量的增加，傳動(dòng)軸輸出端的扭振角位移幅值總體減小，但在1 100rpm的峰值處增加。因此，在滿足減振要求的前提下，可適當(dāng)降低次級(jí)慣量，以減小峰值處的幅值，使動(dòng)力傳動(dòng)系扭振在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的變化較為均勻、平緩，以提升整車的NVH性能。

圖5 次級(jí)慣量對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系扭振的影響Fig.5 The impact of secondary inertia

2.4 扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系扭振響應(yīng)的影響

保持雙質(zhì)量飛輪初級(jí)和次級(jí)慣量不變，扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系扭振的影響如圖6所示。從圖6中可以看出，雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)剛度越低，其減振作用越為明顯。因此，在滿足動(dòng)力傳動(dòng)系扭矩傳遞的條件下，應(yīng)適當(dāng)減小雙質(zhì)量飛輪的扭振剛度，以提升其減振效果。

圖6 扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系扭振的影響Fig.6 The impact of the torsional rigidity

3 雙質(zhì)量飛輪的減振效果分析

3.1 扭振當(dāng)量模型的計(jì)算對(duì)比分析

結(jié)合工程應(yīng)用環(huán)境，對(duì)雙質(zhì)量飛輪的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。將關(guān)鍵參數(shù)代入當(dāng)量模型中進(jìn)行扭振自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與原車狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)雙質(zhì)量飛輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，相比傳動(dòng)的離合器，其扭轉(zhuǎn)剛度能更低［9］，扭振模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果見表1。從表1中可以看出，安裝雙質(zhì)量飛輪后，動(dòng)力傳動(dòng)系的扭振模態(tài)頻率都降低了，特別是第5階扭振模態(tài)頻率，降低了約18Hz。

表1 扭振模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果Table 1 The simulation results of torsion model

雙質(zhì)量飛輪對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系減振作用非常明顯。在發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)下，動(dòng)力傳動(dòng)系在傳動(dòng)軸輸出端的扭振響應(yīng)如圖7所示。從圖7中可以看出，安裝雙質(zhì)量飛輪后，在整個(gè)低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，動(dòng)力傳動(dòng)系的扭振幅值都明顯降低。

3.2 車內(nèi)噪聲與振動(dòng)測(cè)試對(duì)比分析

根據(jù)雙質(zhì)量飛輪設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行試制、安裝，并對(duì)雙質(zhì)量飛輪安裝前、后車內(nèi)的噪聲和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，如圖8所示。

圖7 扭振角位移幅值對(duì)比Fig.7 The comparison of torsional vibration angular displacement

從圖8中可以看出，安裝雙質(zhì)量飛輪后，該車在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)間（轉(zhuǎn)速為1 000～1 500rpm附近）車內(nèi)噪聲與振動(dòng)得到了明顯改善，噪聲最大降低可達(dá)10dB；而且與原車狀態(tài)相比，安裝雙質(zhì)量飛輪后，車內(nèi)噪聲和振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化相對(duì)平緩，有極大地提升了整車NVH性能。

圖8 車內(nèi)噪聲和振動(dòng)測(cè)試對(duì)比Fig.8 Test results of vehicle interior noise ＆vibration comparison

4 結(jié)論

1）基于動(dòng)力傳動(dòng)系扭振當(dāng)量計(jì)算模型，分析了雙質(zhì)量飛輪初級(jí)慣量、次級(jí)慣量及扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)雙質(zhì)量飛輪減振效果的影響，為雙質(zhì)量飛輪的工程設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了參考。

2）提出了應(yīng)用雙質(zhì)量飛輪進(jìn)行軸系扭振治理的方法，通過雙質(zhì)量飛輪的設(shè)計(jì)、分析及應(yīng)用，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)前置后驅(qū)的微車中動(dòng)力傳動(dòng)系的扭振進(jìn)行了治理，提升了整車NVH性能。并對(duì)雙質(zhì)量飛輪的試制和實(shí)車的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

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