（机械制造及其自动化专业论文）双质量飞轮轴系扭振分析与试验研究.pdf

一 l ， 一： ， 盛 ， l 武汉理t 大学博+ 学位论文 摘要 汽车动力传动轴系结构复杂，其动力来源于汽车发动机，而汽车发动是一个 固有的扭振激振源，使得传动轴系成为了多自由度振动系统，扭振是振动和噪声 的主要来源，直接影响着现代乘用车的品质。双质量飞轮介于发动机与传动轴系 之间，它不但具有传统飞轮的功能，还可通过变化质量和刚度来调整传动轴系的 扭振固有特性，并利用自身的阻尼结构降低轴系的振幅。可以有效地吸收和衰减 发动机输出振动，提高传动轴系运转的平顺性，它已成为目前改善汽车动力传动 系统扭振特性最有效的手段之一。因此深入研究汽车双质量飞轮动力传动轴系扭 振特性，为提高双质量飞轮在汽车动力传动系统中的扭振减振性能提供理论及技 术上的支持具有十分重要的理论价值及实际意义。 本文主要工作与创新如下： 1 、建立了分档位的双质量飞轮轴系扭振计算模型。运用扭振系统当量建模的 理论，结合双质量飞轮动力传动轴系结构特点，采用有限元分析等方法，对发动 机、变速箱、传动轴、驱动桥等部件及整车质量的转动惯量、扭转刚度进行等效 当量转化，着重对调速系统进行了分析，建立了汽车动力传动系统不同档位下的 扭振动力学计算模型。 2 、分析了双质量飞轮轴系自由扭振特性。以v m 2 5 c 乘用车柴油机匹配l u k l 0 0 5 双质量飞轮扭振减振器的轴系为研究对象，采用系统矩阵法对其自由扭振进行分 析和计算，得到了固有频率与振型。 3 、对双质量飞轮轴系强迫扭振特性进行了分析。以双质量飞轮扭振减振器轴 系为研究对象，通过分析汽车传动轴系激振的来源，确定了发动机内气体压力变 化所产生的激振力矩及其运动部件转动惯量所产生的激振力矩，对发动机激振源 进行了简谐分析，进而对在发动机激振下的轴系强迫扭振进行了计算分析，得到 了轴系的扭振幅值。 4 、开发了汽车传动轴系扭振特性分析软件，实现了轴系扭振固有频率计算、 振型显示、临界转速计算等功能。 5 、研发并搭建了双质量飞轮轴系扭振试验台。试验台以v m 发动机为激振源， 以模拟实际轴系扭振特性为目的。为了使该试验台能够模拟多种车型的传动轴系 的动力学特性，通过分析惯量轮盘组的质量转换、临界转速及运动平衡问题，设 计出惯量轮盘组模拟惯量系统。在修正了试验台轴系的刚度后确定了试验台的结 构。并通过对传动轴扭振节点的理论分析，得到了各阶次下扭振信号的测量位置。 i-_。_。_。_。_-。_。_。-_-_-_-_-。_-_。_。_-。_。_。_-。_-一一 武汉理：r 大学博+ 学位论文 6 、对双质量飞轮轴系扭振特性进行了试验验证。进行了怠速时轴系扭振的试 验，各工况下轴系扭振的比较试验及扭振试验台测试误差分析。试验表明，该试 验台能够模拟多种车重15 0 0 k g 2 0 0 0 k g 的车型在不同负载情况下不同挡位、不同 转速的轴系扭振特性。 关键词：双质量飞轮，传动轴系，扭转振动，扭振模型，模拟轴系，扭振试验 j l - 武汉理+ f i 人学博士学位论文 a b s t r a c t t h es t r u c t u r eo fa u t o m o b i l ep o w e rt r a n s m i s s i o ns h a f ts y s t e mi sv e r yc o m p l e x ，a n d i t sp o w e rc o m e sf r o ma u t o m o b i l ee n g a n e sw h i c hi sas o u r c eo ft o r s i o n a lv i b r a t i o n t h e d r i v es h a f ti sam u l t i d e g r e eo ff r e e d o mv i b r a t i o ns y s t e ma n dt o r s i o n a lv i b r a t i o ni sa m a i ns o u r c eo fv i b r a t i o na n dn o i s e ，w h i c hb e c o m e sad i r e c ti m p a c to nt h eq u a l i t yo f m o d e mp a s s e n g e rc a r s d u a l m a s sf l y w h e e li sb e t w e e ne n g i n ea n dd r i v i n gs h a f ts y s t e m ， s oi tn o to n l yh a st r a d i t i o n a lf u n c t i o no ft h ef l y w h e e l b u ta l s oc a na d j u s tn a t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so ft o r s i o n a lv i b r a t i o nb y c h a n g i n g t h em a s sa n dr i g i d i t yo ft h e d e p a r t m e n t i t so w nd a m p i n gs t r u c t u r ec a na l s or e d u c et h ea m p l i t u d e ，s od u a l m a s s f l y w h e e lc a ne f f e c t i v e l ya b s o r ba n da t t e n u a t i o ne n g i n ev i b r a t i o na n de n h a n c et h e s m o o t h n e s so fo p e r a t i n gs h a f ts y s t e m i th a sb e c o m eo n eo ft h em o s te f f e c t i v em e t h o d s f o ri m p r o v i n gv e h i c l ep o w e r t r a i nt o r s i o n a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s f u r t h e rs t u d yo f a u t o m o t i v ep o w e rt r a n s m i s s i o ns h a f tt o r s i o n a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw i t hd u a l m a s s f l y w h e e lc a np r o v i d et h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a ls u p p o r tt oi m p r o v i n gt o r s i o n a lv i b r a t i o n d a m p i n gp r o p e r t i e so fa u t o m o t i v ep o w e r t r a i nw i t hd u a l m a s sf l y w h e e l i th a sg r e a t t h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h ef o l l o w i n gt a s k sa n di n n o v a t i o n sh a v e b e e nc o m p l e t e d ： 1 t o r s i o n a lv i b r a t i o nm o d e lo fd u a l m a s sf l y w h e e lu n d e rd i f f e r e n ts t a l l sh a sb e e n e s t a b l i s h e d b a s e do ne q u i v a l e n tt o r s i o n a lv i b r a t i o ns y s t e mt h e o r ya n dc o m b i n e dw i t h s t r u c t u r ef e a t u r e so fp o w e rs y s t e mw i t hd u a l - m a s sf l y w h e e l ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s m e t h o di su s e df o rb e i n ge q u i v a l e n tc o n v e r s i o nt ot h em o m e n to fi n e r t i aa n dt o r s i o n a l s t i f f n e s so fp a r t sa n dw h o l ev e h i c l eq u a l i t y ，s u c ha st h ee n g i n e ，g e a r b o x ，d r i v es h a f t ， d r i v eb r i d g e s a n de m p h a t i c a l l yf o ra n a l y s i n gs p e e dc o n t r o ls y s t e m n em e c h a n i c a l c o m p u t i n gm o d e lo fa u t o m o t i v ed r i v e l i n et o r s i o n a lv i b r a t i o n su n d e rd i f f e r e n ts t a l l si s e s t a b l i s h e d 2 t h ef r e et o r s i o n a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd u a l m a s sf l y w h e e ls h a f ta r e a n a l y z e d n er e s e a r c h e do b j e c ti s t h es h a f to fv m 2 5 cd i e s e l p a s s e n g e rv e h i c l e s m a t c h i n gl u k l 0 0 5 d u a l m a s sf l y w h e e lt o r s i o n a lv i b r a t i o nd a m p e r t h ef r e et o r s i o n a l v i b r a t i o nh a sb e e na n a l y s e da n dc a l c u l a t e db ya d o p t i n gs y s t e mm a t r i xm e t h o d ，t h e n n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dv i b r a t i o nm o d e sh a v e b e e no b t a i n e d 3 f o r c e dt o r s i o n a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd u a l m a s sf l y w h e e ls h a f ti sa n a l y z e d t h er e s e a r c h e do b j e c ti st h es h a f to fd u a l - m a s sf l y w h e e lt o r s i o n a lv i b r a t i o nd a m p e r b y a n a l y z i n gt h ee x c i t a t i o ns o u r c eo fa u t o m o t i v et r a n s m i s s i o ns y s t e mi ti sd e t e r m i n e dt h a t t h ee x c i t i n gm o m e n to ff o r c eg e n e r a t e db yg a sp r e s s u r ec h a n g e si n s i d et h ee n g i n ea n d m o m e n to fi n e r t i ac h a n g e so fi t sm o t i o np a r t ，a n dt h e nt h es h a f tt o r s i o n a lv i b r a t i o n i i i u 武汉理工大学博士学位论文 u n d e re x c i t a t i o nf o r c eo ft h ee n g i n ei sc a l c u l a t e da n da n a l y s e d t h et o r s i o n a la m p l i t u d e h a sb e e nc a l c u l a t e d 4 t h ea n a l y s i ss o f t w a r ef o rt o r s i o n a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa u t o m o b i l e t r a n s m i s s i o ns h a f ts y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d i th a sm a n yf u n c t i o n ss u c ha sc a l c u l a t i o n o fs h a f t sn a t u r a lf f e q u e n c y ，a n dd i s p l a yo fv i b r a t i o nm o d e ，c a l c u l a t i o no fc r i t i c a ls p e e d ， e t c 5 t h et e s t b e do ft h es h a f tw i t hd u a l m a s sf l y w h e e lt o r s i o n a lv i b r a t i o ni sd e s i g n e d a n db u i l t e x c i t a t i o ns o u r c ei st h ev me n g i n e ，a n di t sp o w e ri s1 0 5 k wi no r d e rt o s i m u l a t et h es h a f ta c t u a lt o r s i o n a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s i no r d e rt om a k et h et e s t - b e d c a p a b l eo fs i m u l a t i n gav a r i e t yo fm o d e l s d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i co fd r i v es h a f ts y s t e m ， i n e r t i aw h e e lg r o u ph a sb e e nd e s i g n e db ya n a l y z i n gt h em a s sc o n v e r s i o no fi n e r t i a w h e e lg r o u p ，c r i t i c a ls p e e da n dd y n a m i cb a l a n c e t h es t r u c t u r eo ft e s t b e dh a sb e e n f i x e do na f t e rt h es h a f ts t i f f n e s so ft e s t b e db e i n gm o d i f i e d n eo r d e rt i m e sv a l u eo f t o r s i o n a lv i b r a t i o ns i g n a lh a sb e e no b t a i n e dt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i st ot o r s i o n a l v i b r a t i o nn o d eo fd r i v es h a f t 6 t h ed u a l m a s s f l y w h e e lt o r s i o n a l v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si sv e r i f i e d b y e x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t s i n c l u d et h et o r s i o n a lv i b r a t i o nt e s tu n d e rt h ei d l i n g c o n d i t i o na n dt h ec o m p a r a t i v et e s to ft o r s i o n a lv i b r a t i o nu n d e rv a r i o u so p e r a t i n g c o n d i t i o n s t h e nt h et e s te r r o ra n a l y s i so ft o r s i o n a lv i b r a t i o nt e s ti sa n a l y z e d t e s t ss h o w t h a tt h et e s t b e dc a ns i m u l a t ev a r i o u ss h a f tt o r s i o n a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf o rv e h i c l e w e i g h t1 5 0 0 k g 一2 0 0 0 k gu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n st h a ti n c l u d e sd i f f e r e n t s h i f t s a n dd i f f e r e n ts p e e d ，n l es i m u l a t i o no fa c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n si sr e a l i s t i c ，t h e e x t r a c t i o no fm e a s u r i n gt o r s i o n a lv i b r a t i o ns i g n a li ss t a b l e k e yw o r d s ：d u a l m a s sf l y w h e e l ，t r a n s m i s s i o ns h a f ts y s t e m ，t o r s i o n a lv i b r a t i o n ， t o r s i o n a lv i b r a t i o nm o d e l ，s i m u l a t es h a f t ，t o r s i o n a lv i b r a t i o ne x p e r i m e n t i v 武汉理工人学博士学位论文 口三耳 目刊k t 摘要i a b s t r a c t 第1 章绪论 m l 1 1 汽车轴系扭振减振器1 1 1 1 汽车传动轴系的扭振1 1 1 2 离合器从动盘式减振器。2 1 1 3 双质最飞轮式扭转减振器3 1 2 轴系扭振分析技术5 1 2 1 轴系扭振计算分析5 1 2 2 轴系扭振测景方法8 1 3 双质量飞轮轴系扭振试验研究9 1 4 轴系扣振研究现状9 1 5 课题的背景及意义。1 0 1 6 课题来源及研究内容：1 1 第2 章双质量飞轮轴系扭振模型 2 1 双质量飞轮动力传动轴系结构及建模1 3 2 1 1 双质量飞轮动力传动轴系结构分析1 3 2 1 2 双质量飞轮轴系扭振建模要求1 4 2 2 双质量飞轮轴系的扭振模型1 4 2 2 1 轴系扭振模型参数的确定：1 4 2 2 2l f x 8 轴系扭振模型的建立1 6 2 3 本章小结3 2 第3 章双质量飞轮轴系扭振分析 3 1 双质量飞轮轴系自由扭振分析3 3 3 1 1 自由扭振计算模犁的求解3 3 3 1 2 固有频率计算与振型分析3 7 3 2 双质量飞轮轴系强迫扭振分析4 7 3 2 1 轴系扭振的激振4 7 3 2 2 强迫扭振计算模型的求解5 0 3 2 3 扭振幅值计算及分析6 0 3 3 汽车双质量飞轮轴系扭振分析软件开发6 3 3 3 1 轴系扭振分析软件设计6 4 3 3 2 轴系扭振分析软件功能6 7 3 4 本章小结7 1 0 第4 章双质量飞轮轴系扭振试验台研发 4 1 轴系扭振试验台设计思路7 2 v 武汉理：r ：大学博+ 学位论文 4 1 1 轴系扭振试验目的7 2 4 1 2 试验台设计原则7 3 4 1 3 试验台设计目标7 3 4 1 4 试验台技术指标。7 3 4 2 轴系扭振试验台的总体结构。7 4 4 3 后桥惯黾模拟加载系统设计：7 6 4 3 1 惯最轮盘组结构及工作原理7 7 4 - 3 2 几种典型车型的当量转动惯量及扭转刚度计算7 8 4 3 3 惯量轮盘组的几何尺寸计算。7 8 4 3 4 惯量轮盘组的振动分析8 1 4 4 试验台结构的实现8 5 4 5 试验台的扭振分析8 6 4 6 试验台扭振特性调整。8 9 4 6 1 试验台扭振特性调整的方法。8 9 4 6 2 试验台扭振特性调整后的扭振分析。9 l 4 6 3 试验台结构的定型9 4 4 7 扭振的测量与实现方法9 6 4 7 1 试验台扭振节点分析9 6 4 7 2 试验台扭振信号测试的基本方法9 7 4 7 3 试验台传感器测点布置9 8 4 8 本章小结9 9 第5 章试验验证。1 0 0 5 1 试验设计1 0 0 5 2 试验准备1 0 1 5 2 1 试验用飞轮1 0 1 5 2 2 试验台调试1 0 1 5 3 轴系扭振试验1 0 7 5 3 1 试验过程1 0 7 5 3 2 试验结果与分析1 0 9 5 3 3 试验测量与理论计算的误差分析1 1 7 5 4 本章小结1 2 4 第6 章全文总结与展望 6 1 全文总结1 2 6 6 2 本文的创新点1 2 8 6 3 研究展望1 2 8 参考文献。1 2 9 致谢 攻读博士学位期间发表的学术论文与成果 v i 1 3 5 1 3 6 o - _ 武汉理：j 二人学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车轴系扭振减振器 1 1 1 汽车传动轴系的扭振 汽车动力传动轴系由发动机、变速箱、传动轴、后驱动桥、车轮等部件组成， 如图卜1 ，汽车传动轴系是一个复杂的多质量非线性动力学系统，它具有多种不同 激振源激振的振动模式，包括发动机激励和道路输入激振等。汽车动力传动轴系的 激励主要来自发动机的往复惯性力和汽缸内爆发压力所引起的各谐次扭转振动激 振力矩，以及传动轴系中万向节的不等速，地面对车轮的周期性和非周期性冲击 等n 1 。在对汽车动力传动系的各种类型的激励过程中，以发动机激励为主要激励， 而且有更大的随机性，目前车用发动机向大功率、高速、乘用车上用柴油机取代 汽油机的方向发展，柴油机扭转振动总激振力矩幅值加大，更低主谐次扭振共振 进入发动机工作转速范围内，由于汽车动力传动轴系的扭振和噪声是影响现代汽 车乘坐舒适性的主要因素，所以对于传动轴系扭转和噪声的研究中，对发动机的 激励特别关注。 d # 图i - i 汽车动力传动轴系 汽车传动轴系主要存在扭转振动、纵向振动、横向振动等三种振动类型。在 轴系振动系统中，扭转振动比其他两种振动更容易产生危害性后果。当激励频率 与轴系的固有频率重合时，将会产生严重的共振现象，巨大的共振载荷会产生剧 烈振动，每当这些振动传到底盘都会造成汽车运转平顺性恶化。它直接影响汽车 的使用寿命和乘坐舒适性，甚至造成安全事故，因此，研究汽车动力传动轴系的 扭转振动并找到控制扭振的方法具有十分重要的意义。 在汽车工程中对扭振的研究和控制主要体现在汽车动力传动轴系的扭振和扭 振噪声上的研究方法和控制措施上，由于轴系扭转振动是由发动机引起的固有的 武汉理上人学博+ 学位论文 动力学特性，要想完全消除轴系扭转振动是不可能的，但经过计算分析后可采取 相应措施，使轴系出现的扭振程度降低到许可程度。 研究方法上是对汽车动力传动轴系建立多自由度集中总质量一弹性一阻尼离 散化近似分析模型1 ，进行响应分析、扭振特性分析，同时结合汽车整体从各方面 考虑各种振动的耦合作用，运用系统的研究方法进行研究，目的是从全面、综合 的角度上寻找控制扭振和扭振噪声的方法和措施。 为了避免和减少汽车动力传动轴系的扭振和扭振噪声，目前采取了多方面的 措施。比如：在发动机方面，兼顾其性能的情况下尽量采用多缸发动机；提高发 动机加工和制造质量，减少发动机的动不平衡量和惯性质量；在发动机曲轴前面 加装动力吸振器等n 胡。针对引起扭振噪声的原因而采取的措施，如：减少传动系 各零部件的质量；增加变速器常啮合齿轮的个数；减少齿轮间隙等等。 在不可能消除发动机扭振激励源的情况下，如何有效地隔离来自于发动机的 振动以及减小整个动力传动轴系的扭振显得尤为重要，现代汽车技术多采用离合 器从动盘式扭振减振器或双质量飞轮式扭转减振器来进行隔振及减振。 1 1 2 离合器从动盘式减振器 利用离合器从动盘式减振器，在动力传动系中加入一个适当阻尼的低刚度环 节，达到隔离发动机激励的目的，从而控制传动轴系扭振，降低扭振及其噪声。 离合器从动盘式扭振减振器典型结构如图卜2 所示。 图1 - 2 离合器从动盘式扭振减振器 随着汽车动力性能提升，对传动轴系扭振控制的要求越来越高，离合器从动 盘式扭振减振器的不足显现出来：( 1 ) 从动盘空间有限，减振阻尼元器件无法充分 布置；( 2 ) 受结构限制，最大工作扭矩和转角偏小，减振器工作压力有限；( 3 ) 工 作扭转角小( 一般为5 - - 1 0 。) ，扭转刚度大，隔振差，振动噪声较大；( 4 ) 受空间 2 武汉理：工= 人学博士学位论文 限制，弹性元件设计尺寸小，强度、刚度不好满足瞳引。 双质量飞轮式扭振减振器( d u a l - m a s sf l y w h e e l 缩写d m f ) 的出现更好的解决 了传动轴系扭振和噪声问题。双质量飞轮扭振减振器能够将发动机输出端的扭转 振动高频部分滤掉，削弱输出扭振对传动轴系的扭振激励，克服了传统离合器从 动盘式扭振减振器的不足。 1 1 3 双质量飞轮式扭转减振器 双质量飞轮式扭振减振器，简称双质量飞轮，是减小汽车动力传动轴系扭转 振动的一个十分有效的装置，是2 0 世纪8 0 年代中期出现的一种新式汽车动力传 动系扭振减振器n 副。目前双质量飞轮已被国内外多种车型所采用，但由于国内次 先后技术应用较晚，其在国内尚处于研究阶段，中高级轿车上采用的双质量飞轮 全部为国外进口产品n 7 删。 双质量飞轮的工作原理是：它将传统单质量飞轮( s i n g l em a s sf l y w h e e l ， 缩写s m f ) 分成两部分，其中一部分保留在原先飞轮的位置上( 称为初级质量) ，另一 部分则转移到变速器一侧( 称为次级质量) ，两个质量之间通过扭振减振器耦合n 引。 离合器放在次级质量和变速器轴之间，因而可以抑制发动机曲轴的扭振传到变速 器，见图1 - 3 。 图1 - 3 双质量飞轮连接 双质量飞轮将减振弹簧布置到发动机飞轮上，形成双质量飞轮式扭振减振器 【t 4 】，使得发动机飞轮不但具有其原来的功能，而且还具有扭振减振器的功能，并且 由于其减振弹簧的安装半径增大，弹簧的刚度减小，相对扭转角更大，减振效果 更加理想1 1 5 】。还可利用其质量和刚度的变化来调节传动轴系扭振的固有特性，降低 传动轴系系的共振转速，衰减轴系的振动幅值。 双质量飞轮有弧形螺旋弹簧式双质量飞轮、短轻弹簧式双质量飞轮、限制弹 3 武汉理工大学博士学位论文 簧位置式双质量飞轮、长螺旋弹簧式双质量飞轮等结构形式口3 h 3 7 1 。长螺旋弧形弹 簧式双质量飞轮( d m f - c s ) 啪1 目前应用较成熟，见图卜4 ( a ) 。本文的研究对象就是 匹配长螺旋弧形弹簧式双质量飞轮的传动轴系。 d m f c s 包括初级质量、次级质量、扭转减振器三个部分。初级质量包括主飞 轮、弹簧滑道等；次级质量由次飞轮、拨盘组成；扭转减振器由弹性阻尼机构组 成，如图卜4 ( b ) 所示。初级质量与发动 机的曲轴联接，次级质量与离合器壳体联 接。主飞轮的弧形滑道中安装两对长弧形 弹簧，布置半径较大，有较大的扭转角， 弹簧滑道中充满油脂，产生阻尼作用并减 小弹簧的磨损。发动机怠速时，扭矩较小， 仅外圈粗弹簧工作，此时扭转刚度小，共 振转速可降到怠速以下；发动机正常行驶 工况时，扭矩较大，此时粗、细弹簧并联 作用，刚度较大，阻尼效果更好。 与 采用了 时的扭 小附加 1 4 ( a ) 双质量飞轮总装图 武汉理1 ：人学博士学位论文 轮可在较大半径范围内布置扭转减振弹簧，其工作扭转角可达6 0 。，因而可满足 更多工况的的刚度、强度要求；( 4 ) 因双质量飞轮可有效地隔离发动机与传动系 统的振动，附加转矩减小，复杂路况引起载荷不均所导致的扭振附加力矩也不会 完全传递到发动机，曲轴载荷得以降低，其振动、负荷曲线见图卜6 乜铂乜6 1 。 瑚o 1 o o 1 o 蝈 罄 隧 嫂 c = 丰寸 援 oo 1o 2 新呻l 1 2 1 嗪| | 器曩曩醢妒动 2 秀素| | l 器曩羹蔷嚣驴 图1 - 5 有无双质量飞轮扭振减振器的扭振变化情况 ( a ) 传统飞轮传动系统( b ) 双质量飞轮传动系统 图卜6 安装传统飞轮与安装双质量飞轮的角加速度特性比较 1 2 轴系扭振分析技术 1 2 1 轴系扭振计算分析 传动系的扭振特性研究，一般是以理论计算分析为主，根据模型简化前后传 动轴系的势能和动能保持不变原则，将传动轴系简化为由无弹性的惯性盘和无质 量的弹性轴组成的当量系统，建立相应的动力学模型，计算分析或测定系统各零 部件的结构参数，然后计算扭转振动固有特性。目前所建模型多为多个自由度更 接近实际传动轴系的扭转振动分析模型，激励方式包括多个确定性激励和随机性 激励等多种类型。对车辆动力传动轴系系自由扭振固有特性和强迫扭振计算，还 必须确定系统振动分析模型中的各参数，而其中阻尼参数的往往难以确定，目前 对阻尼的机理尚未研究不充分，阻尼受太多不可知因素的影响，因而目前没有一 5 武汉理t = 火学博士学位论文 种公认可靠的阻尼分析方法，目前研究相关参数时往往先作出某种假设来简化或 综合阻尼1 。在车辆动力传动系扭转振动阻尼的研究中，对发动机的粘性阻尼研究 较多，提出了以发动机结构参数来确定各缸线性外阻尼的经验公式，然而动力传 动轴系其他部件的阻尼系数更难确定，这给动力传动轴系扭振自由扭振固有特性 和强迫扭振计算带来一定的局限性和不确定性。 1 、扭振计算模型的建立方法 轴系扭振计算模型分为两大类：一类是集中质量模型，另一类是均布模型n 钉。 ( 1 ) 集中质量模型 该模型将轴系离散成若干具有转动惯量的圆盘及无质量的弹性轴。该模型目 前较成熟。如图1 - 7 所示将汽车传动轴系转换为当量系统用于振动计算模型，则 其振动方程为具有n 个集中质量的2 n 阶方程组。这种模型物理概念清晰，计算方 便，本文采用该方法进行轴系扭振计算。 ( 2 ) 均布参数模型 该模型的轴系质量沿轴线连续分布，比集中质量模型更接近实际n 阳。它将轴 系处理成连续的阶梯轴模型，具有连续的质量分布。因其计算过程边界条件过于 复杂，计算不够方便。 ( a ) 实际车辆的简化传动轴系示意图 等效的n 个集中质量系 ( b ) 当量轴系 图卜7 由实际轴系转换成集中质量系统 2 、轴系自由扭振计算方法 ( 1 ) 霍尔茨( t t o l z e r ) 法 霍尔茨法是一种试算法，可以同时求得某一振型的固有频率、各质量的相对振 幅值、各轴段的相对弹性力矩。计算中惯性力矩和弹性力矩相平衡，各个集中质 量的弹性力矩之和为0 。该方法主要用来计算低频固有频率。 ( 2 ) 矩阵法 a ) 传递矩阵法，系统假定由许多刚性质量块和无质量的弹簧组成。对于刚性质 量块，它左右位移相等，建立点传递矩阵；对于无质量弹簧，它两边的力相等， 建立场传递矩阵2 刮。传递矩阵法的优点是矩阵的维数不随系统自由度的增加而增 6 心 武汉理： 人学博士学位论文 加，且各阶振型的计算方法完全相同，因而计算与编程相对简单、方便。 b ) 系统矩阵法，建立多质量自由振动方程，形成刚度矩阵 k 和转动惯量矩阵 j 卧74 1 ：( k 卜( i ) 2 j ) a _ 0 。系统矩阵的特征值即为固有扭振频率，将特征值代 入系统矩阵，求得特征向量a 即为各阶振动的振型。在各种数值计算软件出现后， 该方法应用最为广泛。 ( 3 ) 有限元法 有限元法( f e m ) 是根据变分原理来求解数学物理方程的一种数值计算方法，它 将轴系离散为若干个单元，每一单元作为一个连续构件，以结点位移为广义坐标， 单元之间靠节点连接并承受和传递受力h 5 删。由于f e m 对研究对象直接进行离散处 理，能较真实地模拟复杂轴系的形状，因此计算精度较高，但存在耗时长、占用 内存大、编程复杂等缺点。 ( 4 ) 非线性研究 对弱非线性系统，早期分析方法有林滋泰德法、平均法、k b m 法一1 等，最近又 有同伦法 、变分迭代法汹1 等；对强非线性系统，有谐波平衡法、伽辽金法嘲1 、频 闪法n 0 0 1 。柴油机非线性轴系扭转振动响应分析是属于工程结构的多自由度非线性 问题，计算难度较大，一般分为两类：一类是时域方法，另一类是频域方法呻钔。 3 、轴系强迫扭振计算方法 ( 1 ) 动力放大系数法 动力放大系数，定义为：胪彳，以。彳，是系统基准质量的共振振幅；彳，是系统的 静振幅( 或称“平衡振幅”) 。激振力矩为静力矩作用于系统产生的静态扭转变形 位移，可通过计算求得。实际的动力放大系数是一个统计的经验值，已有动力放 大系数的计算式几乎都是半经验和经验公式。 ( 2 ) 能量法 它假定强迫扭振的振型和自由振动振型相同。系统一个振动周期内激振力矩所 输入的能量( 鼢，完全被系统的阻尼所消耗( 鼢呻哪! ，即纡彤。 既= 刎，a 。吒( 膨焉萨励力矩幅值，彳- 是第一质量的振幅，是气缸相对 振幅失量和) ，42 彘。然后根据自由振动振型求出各个质量的振幅。 ( 3 ) 系统矩阵法 根据多质量系统的扭转振动方程，建立复数矩阵。矩阵中包含刚度矩阵、转 动惯量矩阵以及阻尼矩阵晦9 1 。利用矩阵的计算方法来求解振幅频率，该方法只能 用来分析线性阻尼系统的扭振。 7 武汉理t 大学博十学位论文 1 2 2 轴系扭振测量方法 要对轴系扭转振动所引起的安全可靠性做出比较准确的评价，必须依靠实际 扭振测量。扭振的实测结果，不仅是鉴定理论计算精确度的标准，而且又为理论 计算提供原始数据和资料。 扭振测量技术随着传感器技术、电子技术的发展，从机械式测量法、模拟测 量法发展到数字化测量法，测量方法日趋简单，测量精度越来越高。根据所采用 传感器的不同，模拟测量法有电阻式、电感式、电容式。电阻式传感器主要靠粘 贴在弹性元件上的电阻应变片来感受扭振，由于感应电信号引出方法比较复杂， 可测量的最高转速受i ! i i i i n 。电感式与电容式传感器是用电感或电容的变化来感 受扭振，但这种测量方法线路复杂，测量精度直接取决于线路的各种性能参数， 维修困难。 按模拟电路式扭振仪根据传感器和转子接触与否，可分接触式和非接触式两 种。接触式扭振仪的特点是将传感器( 测扭应变计，压电加速度计等) 安装在转子 上，测量信号再经过集流环或者无线电发讯方式传给仪器。 非接触式模拟电路式扭振仪测量原理一般采“测齿法”，它借助安装在转子上 的码盘、齿轮或其它等分结构，通过测量角速度的不均匀性而达到测量扭振的目 的，见图1 - 8 。1 - 8 ( a ) 为信号拾取装置，齿轮随轴转动，当每个齿经过传感器时， 会产生一个脉冲信号。当轴系平稳运转没有扭振时，输出如图卜8 ( b ) 所示的均匀 脉冲波，其频率为x1 1 ，其中c o 为轴系的转动频率，n 为齿轮的齿数。当扭振发生 时，产生如图1 - 8 ( c ) 所示的疏密相间的脉冲波，经调制后就得到轴系的扭振角位 移信号。此种方法必须要求转子上