曲轴系统扭振分析
胡昌良
程志勇
昂金凤
（安徽江淮汽车股份有限公司）
摘要院对某款配有双质量飞轮发动机建立了曲轴系统扭振计算模型，通过扭振系统频率、转速波动、角位移的计算，分析了减小后端齿轮间的冲击，提升整车的NVH双质量飞轮的减振作用。计算结果表明，双质量飞轮能有效隔离发动机的振动，水平。
关键词院双质量飞轮扭振
转速波动角位移
TorsionalvibrationanalysisofcrankshaftsystemofamatchingdoublemassflywheelgasolineengineAbstract:Itestablishesatorsionalvibrationcalculationmodelofcrankshaftsystemforacertaintypeofengineequippedwithdoublemassflywheel,throughthecalculationoftorsionalvibrationsystemfrequency,speedfluctuationandangulardisplacement,itanalyzesthedampingeffectofdoublemassflywheel.Theresultsshowthatthedouble-massflywheelcaneffectivelyisolatethevibrationoftheengine,reducetheimpactbetweenthereargears,andimprovetheNVHlevelofthewholevehicle.
Keywords:double-massflywheel,torsionalvibration,speedfluctuation,angulardisplacement.
0引言
随着汽车工业的快速发展和人们生活水平的不并成为人们日常出断提高，汽车已经走进千家万户，行不可缺少的工具。人们在享受汽车带来方便的同时，对乘车的舒适性也提出了更高的要求。汽车的振也是现代动噪声水平是影响整车舒适性较关键指标，汽车企业竞争的核心因素。其中发动机是整车振动噪也声的主要源头，发动机在给整车提供动力的同时，将其本身的振动和扭矩波动通过悬置和传动系统传引起NVH问题，递出去，给乘客带来不舒适感。
由于双质量飞轮能够有效阻隔发动机曲轴系统的扭转振动，因此近年来在乘用车产品上得到了广泛的应用。双质量飞轮一般分为三个部分，即第一质量、第二质量和两质量间的减振器。第一质量与发动机曲轴输出法第一、第二质量之兰相连，第二质量与离合器壳相连接，间可以相对转动，它们通过减振器相互作用[1]。
双质量飞轮减振器由装在弹簧腔内的复合弹簧及两级质量间的阻尼材料组成，即将第一和第二级质弹簧通常为三级，当相对量通过一个弹簧阻尼器连接。
此时刚度较小；扭振角较小时，仅第一级弹簧起作用，当扭振角逐渐增大至一定角度时，第二级弹簧开始起作用，同时刚度增大；当扭振角继续增大到一定角度后，第三级弹簧参与工作，此时刚度进一步增大，从而实现了三级弹性的非线性变化。第一级主要在发动机怠速起作用，第二级主要在发动机正常驱动下起作用，第三级主要在发动机传递大扭矩瞬时工况下起作用。
本文对某装配双质量飞轮的直列四缸发动机曲通过仿真计算，分析双轴系建立扭振系统等效模型，质量飞轮的减振效果。
1曲轴系当量扭振模型
曲轴系统扭振计算采用多段集中质量当量模型，
圆园19.4援运耘悦匀耘允陨杂匀哉叶客车技术曳
33即将曲轴系等效为由多个具有惯量的刚性圆盘和连接这些惯量的弹性阻尼器件—当量系统[2]。当量系统等效的基将本惯原量则较如大下且较集。元件。
a.中的部件作为非弹性惯量
元件。
b.将惯量较小而分散的部件作为无惯量的弹性和作c.用在将d.惯阻性元尼可件分上为作的质量用在阻弹尼性元。
件上的轴段阻尼
根据激以振上力简矩化原只作则用在，可惯将该性元发件动机上。
曲轴系简化为
包含15个集中质量惯量点的当量系统，曲轴系统当量模型如图1所示。其中质量点1、2分别为减振器的外圈和轮毂，14为双质量飞轮的一级质量，15为飞轮二级质量，其它各点为曲轴相应的轴段、
曲拐。1
23456789101112131415
图1曲轴系统当量模型
2轴系当量系统计算方程
轴系计算参考坐标系为柱坐标系，
其中Z轴为曲轴轴线，从前端指向后端，角坐标为绕轴线的扭振角。计算方程如下：
I渍..
+D渍
觶+C渍=M（1）
式中：渍为各质量点扭转角位移（rad）；I、D、C、M分别为质量点转动惯量、连接刚度、阻尼和扭矩矩阵。
各质量点的惯量采用分割法得到，
各规则轴段刚度计算均采用经验公式。曲拐结构特殊，
其刚度计算可采用KerWilson方法或英国内燃机研究协会方法
Timoshenkomethod）[3]
。
3双质量飞轮计算参数
双质量飞轮主要参数为两级质量的转动惯量和减振弹簧的刚度，其中两级飞轮质量的转动惯量在设
叶客车技术曳运耘悦匀耘允陨杂匀哉圆园19.4援
34计阶段通过三维模型测量得到。
本例中减振弹簧的刚度曲线如图2所示，从图中可以看出，双质量飞轮的弹簧刚度分为三级，第一级刚度在2deg左右扭转起作用，传递扭矩接近零，对应于发动机的怠速工况，此时弹簧刚度约2.8N·m/deg。随着输出扭矩的增大，第二级弹簧开始工作，弹簧刚度为5.5N·m/deg，在此刚度下能传递的最大扭矩为248N·m。该发动机的最大扭矩为190N·m，在稳定工作状态下，飞轮弹簧在二级刚度工作。第三级刚度为14.6N·m/deg，只在发动机大400负荷和冲击时起作用。
350K=14.6N·m/deg
300250K=5.5N·m/deg
200150100K=2.8N
·m/deg500
05101520
转角25，deg
30
354045505560
图2减振器弹簧刚度曲线
4结果分析
4.1扭振系统频率
分别对三种不同弹簧刚度的扭振系统进行频率计算，第一刚度对应的扭振系统频率如图3所示，第二刚度对应的扭振系统频率如图4所示第三刚度对
应的扭振系统频率如图5所示。
600055001
0.51.5
2.5
2
3.54.5
3
5.56.5
7.5
8.5
9.510.54
11.5
50004500400035003000mode
25001
[-]
frequency[Hz]2000150023300.212.31000
4
1099.2
501.30
100200
300400500图3第一刚度对Frequency600应的（700Hz）
800
900100011001200
扭振系统频率
（630010.51.52.523.54.535.56.57.58.59.510.5411.5530043003300mode23001[-]frequency[Hz]213003300.212.341099.2501.360160260360460图4第二刚度对Frequency560660应的（扭Hz760）860960106011601260振系统频率
600010.5550010.51.52.523.54.535.56.57.58.59.5411.550004500400035003000mode25001[-]frequency[Hz]2000150023300.212.3100041099.2501.30100200300400500900100011001200图5第三刚度对Frequency600应的（700Hz扭）800振系统频率
从上面的扭振系统频率可以看出，
三级弹簧刚度对系统第一阶段扭振频率影响较大，而对其它阶次基本没有影响。
为了达到更好的减振效果，发动机的激励频率与扭振系统频率的比值必须大于姨2倍。发动机的激励频率计算公式如下。
f=2式中n为发动机的60nZ转子（2）
速，Z为发动机的缸数，子为发动机的冲程数。
该款发动机为四冲程直列四缸发动机，怠速转速为700依30r/min，由公式（2）可得到其怠速工况点火频率为22.3耀24.3Hz。系统第一刚度对应的扭振系统频率为12.3Hz，频率比为1.81耀1.98，满足频率比大于姨2的减振要求。这样发动机怠速工况的振动能有效被隔开。
200而对发动机的6000r/min最大转速，激励频率为
此值Hz也，能而满足系统的很二阶好的扭振隔振频要求率为。
300Hz，频率比为1.5，4.2转速波动
转速波动是由发动机的运行机制导致的转速不稳定，反应了运转的平顺性，转速波动过大则会增大发动机的振动。转速波动曲线如图6所示。
由图6可以看出，随着发动机转速增大，两级飞轮的转速波动都逐渐减小。使用双质量飞轮后，二级质量较一级质量转速波动有明显减小。
在最大扭矩转速1500r/min时两级质量的转速波动比约达到10倍，在3000r/min之后传递到变速器的转速波动几乎为0，相比装配单质量飞轮的转速波动有大幅度降低，减小了后端传动系统各部件的冲击，齿轮间的啮合噪音也能得到很好的改善。
0.30.250.20.15一级质量0.10.05二级质量10000150020002500转3000速，r/min35004000450050005500图6转速波动曲线
4.3相对角位移
相对角位移反应的是发动机工作过程中扭振系统中各个节点的角度波动，图7为双质量飞轮两级质量的相4
对角位移曲线。
3.52.531.52
一级质量
0.51
二级质量
0
1000150020002500
转3000速，r/min
35004000450050005500
图7双质量飞轮两极质量的相对角位移曲线
由图7可以看出，发动机的角度波动经过双质量飞轮后得到了较大的衰减，
二级质量只有微小的角度波动，使得传动系统后端的转动更加平稳，
对应的角圆园19.4援运耘悦匀耘允陨杂匀哉叶客车技术曳
35加速度和冲击力都大大减小，有效地降低齿轮的冲击噪声并提高传动系统寿命和稳定性。4.4前后端相对扭振角
前后端相对扭振角是曲轴前端皮带轮与后端飞轮之间的相对扭转角度，它反映了曲轴扭振的强烈程度，对整车的舒适性和曲轴本身的可靠性都有重要影响。从图8相对扭振角曲线可以看出，
采用双质量飞轮后，曲轴前后端的相对扭振角没有超出0.6毅的设计指标，满足产品的开发要求。
0.550.5
0.450.40.350.3
0.250.2
1000150020002500转3000速，r/min35004000450050005500
图8相对扭振角曲线
5结束语
算方法a.b.，采匹配能用够发双准动机质量飞轮确分析曲轴系曲轴系集中的扭振系统的质量扭转当量系统扭振计
频振动。
速的激励频率比值较大，能有效隔开怠率速与发工况的动机发动怠
机振动加速度c.。
较双第质量飞轮一级质量第都二大大级质量减小，
的转有速效波降低动、
角了传位移动和系统角后端齿轮间的冲击，保证了传动系统工作更加稳定。
参考文献
[1]唐参明数对祥，减唐振心影龙响，董桂军的仿真研究.4102BZQ[J].噪声弹性与振飞线动控制性双质量飞轮
，2010，2：
[2]102-105.
邓2012晶，，钟04蔚：26-30.
，吕冰.曲轴轴系的扭转振动计算[J].压缩机技术，[3]王1991祺.：内103-116.
燃机轴系扭振振动[M].大连：大连理工大学出版社，
收稿日期：2019-06-13
叶客车技术曳运耘悦匀耘允陨杂匀哉圆园19.4援
36（上接32页）
7.32e+006.95e+006.59e+006.22e+005.85e+005.49e+005.12e+004.76e+004.39e+004.02e+003.65e+003.29e+002.93e+002.56e+002.20e+001.83e+001.46e+001.10e+007.32e-013.66e-01Z0.00e+00YX图1非等温受限贴附射流形成风幕CAE分析结果
图2高寒地区实车前风窗玻璃除霜试验结果
4结论
图2为采用上述方案的黑龙江哈绥高速-20益
环境温度实车前风窗玻璃100%除霜试验照片，实践证明，利用外界干燥寒冷空气加热后通过仪表台
合理送风，
在前风窗玻璃内侧表面形成一风幕，阻止湿空气在玻璃内表面结霜方案是目前彻底解决-20益环境温度下国产客车前风窗玻璃内表面结霜问题
有效的方法。此方案综合应用空气湿度调节技术、静压不变的均匀送风风道设计技术和非等温受限
贴附射流技术，不仅解决多年的技术难题，而且促进了我国客车行业在该技术领域的进步。
参考文献
[1]李究庆，2008云.东，5北：26.
客车的除霜技术解决方案[J].客车技术与研[2]刘客车杰，技刘术继与兰研究.客车，2000采暖与前风窗玻璃除霜系统，1：17-21.的设计[J].[3]俞[J].立新客车，
技柴术浩与.高寒地区研究，2008客车，2：前风窗玻璃除霜35-38.分析及改进[4]孔[J].祥梅企业，科技韩艳与发美.基于展，2014CFD，分析的13：55-56.
汽车除霜风道优化设计
收稿日期：2019-06-21
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容