某车型双质量飞轮设计

吴俊

摘要：本文对双质量飞轮振动特性做了简要分析，对双质量飞轮的关键零件弧形弹簧进行了弹簧特性推导，并对弹簧进行了设计，确定了飞轮的材料及尺寸，后续对关键零件建立了结构模型。最后对减振盘进行受力分析，最终确定减振盘性能可满足日常使用需求。

关键词：离合器；双质量飞轮；弹簧；受力分析

1 前言

随着科技迅速发展，人们对交通工具的舒适性有了更高的要求。随着大功率发动机的出现，汽车的性能需求得到了极大满足，但汽车传动系统减振降噪的措施却没有得到多大改善。离合器的扭转减振器虽然对传动系统的噪声降低有所作用，但是也有许多无法解决的问题，比如无法将汽车传动系统的共振降到怠速以下，扭转范围偏小等，双质量飞轮的研究很好的解决了这一问题。

2 双质量飞轮振动特性分析

分方便分析可将其结构简化为两自由度扭振系统，如图1所示。

图1 双质量飞轮扭转系统物理简化模型

由上图可分析得出,双质量飞轮扭振减振器频响应公式：

在降低动力传动系扭振这一重要功能上，双质量飞轮扭振减振器具备着非常显著的优势。对双质量扭转减振器扭振特性进行推导计算、优化改良后，可最终确定了相关的结构性能参数，共振转速得以降低到实际工作转速范围以下。

3双质量飞轮结构设计

3.1扭转减振器主要参数

本车型发动机相关参数指标如表1。

表1 某车型发动机参数

排量（L）	1.396
汽缸排列形式	L
汽缸数（个）	4
最大功率（Kw）	105
最大功率转速（rpm）	5000
最大扭矩（N·m）	216
最大扭矩转速（rpm）	4000

3.2阻尼参数

干摩擦阻尼力矩 决定了扭转减振器降低动力传动系统共振振幅的能力。如果其数值过小，那么系统的扭振振幅就不能得到有效的衰减;但如果干摩擦阻尼力矩 值过大，就相当于变相地使扭转刚度K_T变大，从而会导致扭转减振器的性能降低。由此可见，干摩擦阻尼力矩 必有一个最佳值。一般来说，阻尼参数越小越好，但又不能过小，否则会影响从车辆的发动，本设计中阻尼参数取_。

3.3转动惯量的选择

由固有频率 分析可知：

当 = 时，固有频率ω有最小值，但在设计双质量飞轮的转动惯量时不能仅仅只考虑主、副飞轮和离合器盖以及摩擦片的转动惯量，还要考虑整个传动系的整体性。故有：（1）为满足固有频率ω值最小，首先要保证双质量飞轮主飞轮和副飞轮及离合器盖与摩擦片的转动惯量尽可能接近。（2）根据实际动力传动系的要求，二者惯量比范围为0.7至1.4之间。

3.4周向长弧形弹簧设计

此次设计中采用的是两组组合弹簧，其都是由内外两个弹簧镶套而成，因此组成弹簧个数 。初步选取弹簧半径为 ，则每一组弹簧的组合扭转刚度 为：_。扭转刚度 与线性刚度 存在如下关系公式：

故单组弹簧的线性刚度 为：

本设计中采用的是 材料作为弹簧材料，剪切模量 ，许用应力 。具体参数如表2所示。

表2 组合弹簧尺寸表

	外弹簧（i=1）	内弹簧（i=2）
旋绕比Ci	4.16	4.67
簧丝直径di（mm）	6	3
弹簧中径D2i（mm）	25	14
弹簧外径Di（mm）	31	20
弹簧内径D1i（mm）	19	11
有效圈数ni	35	70
总的圈数n0i	37	72
弹簧节距ti（mm）	7.89	3.97
螺旋角（deg）	5.7395	5.1603
压并长度Hb（mm）	200.61
自由长度H0i（mm）	309.93		294.84
弧形弹簧分布圆心角（deg）	155

3.5飞轮转动惯量及尺寸的确定

3.5.1飞轮转动惯量的确定

本设计中 ， ， ， ， ，计算出

3.5.2飞轮尺寸确定

（1）本车型选取平板型飞轮。由飞轮转动惯量及飞轮惯性矩公式GD²=4gI_f，可得：

上式中， ， ， ，计算出

（2）轮缘截面面积

上式中，H=0.10m，m_f1=4.69kg，D₀₁=0.1875m， 。计算出B=10.21mm。

（3）飞轮总质量计算

上式中，m₀₁为辐板质量，m_f为飞轮轮缘质量，h为辐板厚度，D_f12为飞轮轮缘内径，d₁为飞轮轴经，ρ为飞轮材料的密度。其中，h=0.011m， ， ， 。计算出m₁=1.45kg。

4 双质量飞轮主要零件的三维建模

使用Pro/E软件，分别对初级飞轮、次级飞轮、弹簧组和减振盘进行建模，如下图2所示。

图2 双质量飞轮主要零件模型

5 减振盘的ANSYS分析

5.1减振盘ANSYS分析

减振盘是副飞轮扭矩的中间传递者，它将弹簧挤压传递的扭矩通过柳钉传递给副飞轮。通过Static Struchural模块静态结构分析对Engineering Date进行工程数据选择，数据设置完毕后，点击Geometry导入减振盘模型。进行网格划分后，在静态结构中的分析设置里插入固定支撑，选取七个柳钉孔为支撑，图3可得减振盘双爪处的最大位移，通过最大位移可以计算出最大位移点的抗拉强度，其数值明显小于45号钢的最大抗拉强度600MPa而且其产生的最大应力263MPa也小于本设计减振盘零件所选用的45号钢屈服强度355MPa,因此减振盘设计能够满足使用需要。

图3 最大应变处放大图

7 总结

本研究对双质量弹簧的物理模型进行了简化，建立了模型方程，并对参数进行了分析。推导出弧形弹簧的设计及计算方法，对周向长弧形弹簧形式和材料进行选择，并对弹簧刚度、变形、应力和扭转刚度进行计算。其中，阻尼特性是双质量飞轮设计过程中的一个重点内容同时也是其设计难点，到现在为止并没有一个完全适合的阻尼模型，实际应用中应采用试验方法对其强度及应变进行反复校核。

参考文献

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[2]张定.双质量飞轮扭转减振器运动学仿真及力学分析[D].上海：上海交通大学，2019.

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