[摘要]：針對雙質(zhì)量飛輪在靜態(tài)參數(shù)基礎(chǔ)上的匹配達(dá)不到預(yù)期效果的問題，本文以某周向短彈簧雙質(zhì)量飛輪為對象，采用臺架試驗的方法進(jìn)行動態(tài)特性的探究性研究，從而掌握雙質(zhì)量飛輪在運行工況下的實際特性。實驗結(jié)果顯示雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)剛度隨激勵頻率變化不大，隨傳遞扭矩的增大而增大；雙質(zhì)量飛輪阻尼隨激勵頻率的增大而增大，隨傳遞扭矩的增大也會增大。實驗結(jié)論為雙質(zhì)量飛輪與傳動系的合理匹配提供支持。

關(guān)鍵詞：雙質(zhì)量飛輪，臺架實驗，動態(tài)特性

1.引言

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對于汽車乘坐舒適性問題越來越重視。由此使汽車的NVH（noise、vibration、harshness）問題成為衡量汽車設(shè)計和制造質(zhì)量的一個綜合性指標(biāo)。控制汽車動力傳動系統(tǒng)扭振和噪聲的傳統(tǒng)措施是采用離合器從動盤式扭振減振器，但這種減振器由于空間小，減振性能差等缺點，使其在升級汽車舒適性上受到限制，雙質(zhì)量飛輪（Dual Mass Flywheel，簡稱DMF）就在這種情況下應(yīng)運而生[1、2]。

大量的實驗和仿真已表明：雙質(zhì)量飛輪在動力傳動系中起著舉足輕重的作用，對扭振的隔振量達(dá)到90%以上[3]。目前國內(nèi)已有的文獻(xiàn)大都關(guān)于雙質(zhì)量飛輪參數(shù)的匹配、減振性能、加工工藝以及靜力學(xué)分析，對雙質(zhì)量飛輪動態(tài)特性的研究比較少[4]。而在實際中，整車廠對雙質(zhì)量飛輪的匹配只是參照宏觀或靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，缺少對扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼動態(tài)變化規(guī)律的掌握，往往會導(dǎo)致實際情況與設(shè)計時的仿真結(jié)果有較大出入，所以進(jìn)行雙質(zhì)量飛輪動態(tài)特性的研究對縮短雙質(zhì)量飛輪研發(fā)周期，減少研發(fā)費用，提高參數(shù)匹配準(zhǔn)確性具有重要的現(xiàn)實意義。本文對某周向短彈簧雙質(zhì)量飛輪進(jìn)行了動態(tài)特性的探究性實驗，測試雙質(zhì)量飛輪在不同扭矩、不同頻率激勵下扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼的變化規(guī)律，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，從而掌握雙質(zhì)量飛輪在各種運行工況下的實際特性，為雙質(zhì)量飛輪與傳動系的合理匹配提供支持。

2.雙質(zhì)量飛輪傳遞扭矩分析

雙質(zhì)量飛輪種類較多，但都有三個基本的組成部分，分別為第一級飛輪、第二級飛輪以及兩飛輪之間的彈簧-阻尼器[4]。雙質(zhì)量飛輪傳遞扭矩公式如下：

式中：

T 輸入表示曲軸輸出端的扭矩；

T 輸出表示變速器輸入端扭矩，即DMF 彈簧傳遞的扭矩；

T 耗散表示阻尼所消耗的扭矩。

DMF 通過彈簧元件實現(xiàn)扭矩傳遞，彈簧元件在工作過程中不可避免的受到阻尼的影響，同時，由于飛輪的旋轉(zhuǎn)運動，彈簧元件也會受到離心力的影響，因此DMF 傳遞的扭矩由彈簧產(chǎn)生的彈性力、阻尼力與離心力綜合作用產(chǎn)生，扭轉(zhuǎn)剛度具有一定的動態(tài)特性。DMF 在工作過程中消耗的阻尼矩為摩擦力矩，摩擦力矩由黏性摩擦力矩與庫倫摩擦力矩疊加而成。黏性摩擦僅與相對速度有關(guān)，穩(wěn)定相對速度下，黏性阻尼系數(shù)為定值；庫倫摩擦與兩接觸面的正壓力成正比，并與運動方向相反，而正壓力由離心力及彈簧彈性力徑向分量組成[2]。因此由上文分析可知阻尼矩也會在汽車運行過程中呈現(xiàn)動態(tài)特性，即阻尼具有一定的動態(tài)特性。

3.雙質(zhì)量飛輪動態(tài)特性實驗

為了考察雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼隨汽車運行過程的動態(tài)變化規(guī)律，本小節(jié)進(jìn)行DMF 動態(tài)特性實驗研究。相比于實車試驗，臺架試驗具有可控性好、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點，因此本文選擇臺架試驗來進(jìn)行雙質(zhì)量飛輪動態(tài)特性的研究。

3.1 實驗臺架

（1）試驗臺架基本狀態(tài)

雙質(zhì)量飛輪動態(tài)特性試驗是基于五電機(jī)實驗室內(nèi)進(jìn)行，本臺架主要由測功機(jī)系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測量系統(tǒng)等組成。測試傳動系統(tǒng)包括驅(qū)動電機(jī)、雙質(zhì)量飛輪、雙離合器、特制變速箱、液壓站、差速器、半軸和負(fù)載電機(jī)。表 3.1 給出了試驗室的具體參數(shù)。

（2）臺架控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及傳感器本次試驗所用臺架的控制系統(tǒng)為HORRIBA 公司提供的SPARK 和STARS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對輸入電機(jī)和負(fù)載電機(jī)進(jìn)行協(xié)同控制，可以模擬傳動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工況、加速工況以及模擬發(fā)動機(jī)的ETPS、SWG 工況[5]，本次試驗臺架模擬正玄波發(fā)生器SWG 工況，試驗整體圖如圖3.1 所示。

試驗中使用LMS 32 通道，配合LMS TESTLAB 軟件完成數(shù)據(jù)的采集工作。實驗采用2 個磁電傳感器，類型是TCDM12，目的是測量初級飛輪和次級飛輪扭轉(zhuǎn)角度差，示意圖如圖3.2。磁電傳感器測量方法是非接觸式測量，此方法基于測齒原理。由于次級飛輪上沒有合適的測量齒圈，且次級飛輪轉(zhuǎn)速與雙離合器轉(zhuǎn)速幾乎沒有差別，因此在雙離合器外殼增加一個齒圈，分別對這個齒圈和初級飛輪齒圈的一個齒做磨齒標(biāo)記處理，并對這兩個齒圈所對應(yīng)的殼體位置鉆螺紋孔，用于安裝磁電傳感器。安裝傳感器時，要在傳感器與殼體接觸的螺紋區(qū)域上涂抹密封膠，防止實驗過程中變速器殼體振動導(dǎo)致傳感器移位，同時也為了避免實驗過程中潤滑油的遺漏以及箱體內(nèi)部噪聲的外泄。實驗前應(yīng)調(diào)整磁電傳感器的頂部與被測齒頂?shù)木嚯x，使磨齒信號盡可能在測試速度范圍內(nèi)保持完整[5]，示意圖如圖3.3。

（3）臺架潤滑系統(tǒng)

變速箱齒輪、軸承以及離合器等部件在工作過程中會產(chǎn)生摩擦，因此需要潤滑系統(tǒng)進(jìn)行

潤滑，本實驗通過增加液壓站的方法對部件進(jìn)行強(qiáng)制潤滑，強(qiáng)制潤滑能夠減小攪油損失，提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。將液壓站與變速箱殼體冷卻油路進(jìn)油口連接，同時在變速箱殼體下端增加油泵，使?jié)櫥甑挠鸵夯氐揭簤赫?，保證油路的循環(huán)。

3.2 實驗方案

（1）實驗步驟

1）進(jìn)行怠速工況測試，測出兩個磨齒間初始角度差θ0。

2）將變速器調(diào)至測試檔位，通過驅(qū)動電機(jī)設(shè)置扭矩為50±20Nm 時，二階激勵頻率變化范圍為5~26 HZ；扭矩為150±100Nm 時，二階激勵頻率變化范圍為27~145 HZ，計算出DMF 扭轉(zhuǎn)角度差θ，研究雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼隨激勵頻率的變化規(guī)律。

3）通過驅(qū)動電機(jī)設(shè)置二階激勵頻率范圍為25~145HZ，計算出傳遞扭矩分別為80±50Nm，200±50Nm，200±90Nm，200±110Nm 時的DMF 扭轉(zhuǎn)角度θ，研究雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼隨傳遞扭矩的變化規(guī)律。

（2）測試評估精度

實驗過程中數(shù)據(jù)采集非常重要，是否能將原始信號反映到計算機(jī)上的關(guān)鍵因素就是采集信號的設(shè)置。傳感器采集到的信號是一系列的模擬信息量，數(shù)據(jù)采集的工作就是把這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。實驗中要采集初級飛輪以及雙離合器殼的脈沖電平信號，初級飛輪啟動齒圈的齒數(shù)為110，離合器外殼齒圈齒數(shù)為90。根據(jù)齒數(shù)確定的最低評估精度：Δθ/2=360/(2Z)，其中，Z 為齒數(shù)；根據(jù)采樣頻率和轉(zhuǎn)速確定的最高評估精度：Δθ'=360n/(60f)，其中，n 為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，150~4350rpm，f 為采樣頻率，示意圖如圖3.4，測試評估精度見表3.2。為了準(zhǔn)確采集原始信號的信息，設(shè)置的采樣頻率值必須大于或者等于理論計算的最高采樣頻率的2 倍，這樣才能保證原始信號信息不會因為采樣頻率過低而失真。理論計算的最高采樣頻率為f=Zmaxnmax/60=110x4350/60=7975HZ，為獲得更

高精度，本次實驗選擇采樣頻率為204800Hz，分辨率設(shè)置為1Hz。

3.3 實驗數(shù)據(jù)處理

（1）動剛度K 的計算公式為：K=T 傳遞/θ' 其中：

T 傳遞：次級飛輪輸出端的扭矩，通過負(fù)載電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)換而來，

T 傳遞=(TDyno2+TDyno3)/4.422195

θ'：DMF 的扭轉(zhuǎn)角，通過磁電傳感器測得的轉(zhuǎn)角θ 與兩個磨齒之間初始轉(zhuǎn)角θ0 相減得到：

θ'=θ-θ0，示意圖見圖3.2。

（2）動阻尼矩TC 的計算：

Tc=T 耗散=Tfirst_Whl—Tsec_whl=T 驅(qū)動電機(jī)-T 傳遞

3.4 實驗結(jié)果分析

（1）廠家提供的剛度為7.35Nm/o，本次實驗測得剛度為7.3Nm/o，見下圖，扭轉(zhuǎn)剛度值基本相同。

（2）從圖3.7 可以看出，扭轉(zhuǎn)剛度在26Hz 之前波動較大，26HZ 之后波動較小，然后在80Hz突然增大，在110HZ 又突然減小?？傮w來說扭轉(zhuǎn)剛度隨激勵頻率變化不大，在設(shè)計扭轉(zhuǎn)剛度時可不考慮激勵頻率的影響。

（3）從圖3.8 可以看出，傳遞扭矩的大小對扭轉(zhuǎn)剛度影響較大，傳遞扭矩200Nm 的扭轉(zhuǎn)剛度比傳遞扭矩80Nm 的剛度大。這可能是因為扭轉(zhuǎn)剛度曲線呈現(xiàn)非線性特性，隨著傳遞扭矩的增大而增大，建議對扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行分段設(shè)計。

（4）從圖3.9 可以看出，阻尼矩隨激勵頻率的增大而增大。所以在設(shè)計階段應(yīng)根據(jù)車型或常用工況適當(dāng)調(diào)整阻尼的大小。

（5）從圖3.10 可以看出，平均扭矩為200Nm時，扭矩波動幅值對阻尼影響不大；阻尼隨傳遞扭矩的增大而增大，傳遞扭矩200Nm 的阻尼比傳遞扭矩80Nm 的阻尼大。所以在設(shè)計階段應(yīng)根據(jù)車型或常用工況適當(dāng)調(diào)整阻尼的大小。

4.總結(jié)與展望

目前對雙質(zhì)量飛輪的匹配是建立在靜態(tài)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，實際使用情況達(dá)不到預(yù)期的效果，掌握雙質(zhì)量飛輪的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼在汽車運行工況下的實際特性具有重要的現(xiàn)實意義。通過上述實驗結(jié)果可知，雙質(zhì)量飛輪的扭轉(zhuǎn)剛度隨激勵頻率變化不大，隨傳遞扭矩的增大而增大；阻尼隨激勵頻率的增大而增大，隨傳遞扭矩的增大也會增大，因此在設(shè)計扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼時應(yīng)充分考慮它的動態(tài)變化規(guī)律。

雙質(zhì)量飛輪動態(tài)特性的研究工作可以從以下幾個方面繼續(xù)深入：研究傳遞扭矩波動幅

值對雙質(zhì)量飛輪扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼的影響；研究雙質(zhì)量飛輪動態(tài)特性對剛度階躍點的影響；探討雙質(zhì)量飛輪靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)的具體關(guān)系，最終做到用實際動態(tài)參數(shù)指導(dǎo)靜態(tài)設(shè)計或者在設(shè)計靜態(tài)參數(shù)時考慮動態(tài)因素的影響。

作者：王小銘1，袁兆成1，王東2

作者單位：1 吉林大學(xué)，2 中國汽車技術(shù)研究中心（天津）

來源：2018汽車NVH控制技術(shù)國際研討會論文集