基于形状约束的双质量飞轮设计及非线性振动研究

摘要

当发动机输入的扭转激励频率与汽车传动系的固有频率接近或相同时，会引起传动系的共振，这将直接影响到汽车的乘坐舒适性以及传动系零部件的强度和使用寿命，甚至对汽车行驶安全造成威胁。大转矩大功率是发动机发展的趋势，随着发动机的转矩和功率的不断增加，发动机输出转矩的不规则性也随之加大，这会增大汽车动力传动系扭振和噪声。随着人们对汽车的乘坐舒适性要求不断提高，以及相关法规对汽车噪声标准的要求也更高，使得扭转振动控制的问题变得更为突出。双质量飞轮能有效地衰减汽车动力传动系的扭转振动，具有良好的隔振和减振性能，国外自80年代开始研究并应用和不断改进。由于国外技术的保密和垄断，我国在此领域还没有完全突破，到目前为止，国内中高档汽车中搭载的双质量飞轮均由国外进口且价格昂贵。因此，对双质量飞轮的研究具有非常重要的理论意义和工程应用价值。
　　为保证减振性能，周向短弹簧单级刚度双质量飞轮在小扭转角时具有小的刚度，由于结构的局限性，其能够传递的最大转矩有限，并且，由于加工和装配的原因，初级飞轮和次级飞轮之间存在一定的空转角，飞轮转过空转角时存在冲击问题。分段刚度双质量飞轮实现了匹配大功率发动机高转矩的要求，但其扭转刚度随转角的变化不连续，在刚度切换时，会引起变速箱齿轮啮合时的冲击载荷和噪声。
　　为提高单级刚度双质量飞轮输出转矩能力和缓解空转角带来的冲击，以及解决三级分段阶跃变刚度双质量飞轮刚度不连续变化引起的冲击问题，本文在前期研究和与飞轮生产企业合作共同开发双质量飞轮基础上，提出了基于形状约束的双质量飞轮结构创新设计和实施方式，建立了搭载双质量飞轮的汽车动力传动系统的扭转振动分析模型，对系统的非线性扭转振动特性进行了分析。论文采取理论推导、仿真分析和试验验证等多种方法相结合对双质量飞轮展开研究，取得了一定的成果，论文的主要工作有以下几个方面：
　　①为进一步提高大扭转角时的输出转矩和消除空转角带来的冲击，对单级刚度双质量飞轮进行了结构改进设计，提出了基于形状约束的摩擦轴承的设计思想和结构的实施方式。以位移分量为基本变量，引入中间变量函数，在极坐标下建立了摩擦轴承块与次级飞轮接触变形作用的弹性力学位移法理论计算模型，通过理论计算和有限元仿真，分析了双质量飞轮工作时，摩擦轴承块与次级飞轮的接触面上的应变、应力以及等效应力的分布。由接触面上的压力分布，分析了接触作用产生的转矩特性。并对单级刚度双质量飞轮的总体转矩特性和动力学特性进行了研究。
　　②为研究单级刚度双质量飞轮的非线性振动特性，考虑单级刚度双质量飞轮中存在的轴向预紧力产生的摩擦力矩、刚度含间隙变化特征和摩擦轴承块与次级飞轮楔入接触作用等非线性因素，建立了搭载单级刚度双质量飞轮的汽车传动系的扭振模型，采用平均法和Runge—Kutta数值积分方法对系统的频率特性的近似解析解以及强迫振动响应进行了计算、分析和讨论。
　　③由于三级分段阶跃变刚度的双质量飞轮各段转矩为线性变化，双质量飞轮的刚度在切换时有突变，即刚度不连续变化，会导致变速箱齿轮啮合产生冲击载荷和噪声。针对三级分段阶跃变刚度双质量飞轮的刚度不连续问题，创造性地提出了基于补偿原理的连续变刚度双质量飞轮的新型结构，引入了转矩补偿装置，推导出初级飞轮型线设计理论方法，对转矩补偿装置与初级飞轮相互作用构件间的受力特点，以及转矩补偿后的双质量飞轮转矩和刚度特性进行了分析研究。
　　④针对所提出的基于补偿原理的多级连续变刚度双质量飞轮，分析了双质量飞轮工作时，引入的转矩补偿装置活动构件惯性力特点以及惯性力对双质量飞轮转矩特性的影响。为了消除转矩补偿装置惯性力对双质量飞轮的影响，在转矩补偿装置基础上加入了惯性力平衡机构，分析了平衡机构对消除转矩补偿装置惯性力的效果。并且，考虑转矩补偿装置和惯性平衡机构中的相对运动构件的摩擦因素，研究达到平衡惯性力目的设计要求，分析和讨论了摩擦对惯性平衡装置平衡效果的影响。
　　⑤为研究多级刚度双质量飞轮的非线性振动特性，考虑多级刚度双质量飞轮的刚度随转角分段变化的非线性因素，建立了搭载多级刚度双质量飞轮的汽车传动系力学分析扭振模型，采用平均法和Runge—Kutta数值积分方法对系统频率特性的近似解析解以及强迫振动响应进行了计算分析和讨论。
　　⑥与飞轮生产企业合作开发出本文所研究的引入摩擦轴承设计的单级刚度双质量飞轮和基于补偿原理的多级刚度双质量飞轮，并对双质量飞轮进行试验，围绕测试目标和要求，提出了台架试验方案。对试验结果进行讨论，分析双质量飞轮的转矩特性和刚度特性，并与理论分析结果进行对比，以验证结构实施方案、理论计算模型和理论分析的正确性。

目录

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1 绪 论

1.1 汽车动力传动系扭转振动

1.2 双质量飞轮扭振减振器

1.3 课题的研究背景、意义和主要研究内容

2 基于形状约束的单级刚度双质量飞轮摩擦轴承设计及分析

2.1 引言

2.2 单级刚度双质量飞轮结构和工作原理

2.3 基于形状约束的次级飞轮型线设计及转矩特性计算模型

2.4 接触区域压力分布的弹性力学计算模型

2.5 实例计算及分析

2.6 本章小结

3 单级刚度双质量飞轮非线性振动分析

3.1 引言

3.2 扭转振动模型和数学微分方程

3.3 非线性频率特性近似解析解

3.4 频率特性数值计算与分析

3.5 非线性强迫振动响应分析

3.6 本章小结

4 基于补偿原理的多级连续变刚度双质量飞轮设计及分析

4.1 引言

4.2 基于补偿原理的多级连续变刚度双质量飞轮设计

4.3 初级飞轮型线设计

4.4 理论计算与分析

4.5 本章小结

5 转矩补偿装置惯性平衡机构设计及分析

5.1 引言

5.2 转矩补偿装置惯性力分析

5.3 转矩补偿装置惯性平衡的实现

5.4 本章小结

6 多级刚度双质量飞轮非线性振动分析

6.1 引言

6.2 扭转振动模型和数学微分方程

6.3 非线性频率特性近似解析解

6.4 频率特性数值计算与分析

6.5 非线性强迫振动响应分析

6.6 本章小结

7 试验验证

7.1 引言

7.2 双质量飞轮转矩特性试验

7.3 试验结果分析

7.4 本章小结

8 结论与展望

8.1 全文总结

8.2 主要创新点

8.3 研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读博士学位期间发表的论文

B. 攻读博士学位期间取得的科研成果

C. 攻读博士学位期间获得的荣誉及奖励

D. 攻读博士学位期间参与的科研项目