CN112287457B - 钟摆飞轮的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钟摆飞轮的设计方法，包括以下步骤：A、设计飞轮的惯量与直径:所述飞轮的惯量设计为未安装CPVA时飞轮惯量的20%‑30%；所述飞轮的直径设计为飞轮与周边零件没有运动干涉所对应的飞轮最大直径；B、设计摆锤的摆臂长度与质量：所述摆锤的摆臂长度设计为摆锤与周边零件没有运动干涉所对应的摆臂最大长度；所述摆锤的质量设计为摆锤振幅为摆锤最大行程的80%‑90%所对应的摆锤质量；C、选择具有低扭转刚度与小扭转阻尼系数的离合器减振器；D、将具有大阻尼的材料作为TVD的阻尼材料。本发明在提升车辆NVH性能的同时能够确保车辆的加速性能与燃油经济。

Description

钟摆飞轮的设计方法
技术领域
本发明属于汽车振动噪声控制技术领域，具体涉及一种钟摆飞轮的设计方法。
背景技术
发动机是整车传动系统扭振的激励源，发动机的扭振分曲轴自身的扭转共振与输出端飞轮的扭振。抑制曲轴扭转共振的常用方法为在曲轴前端安装扭转减振器(TVD)吸振，而降低输出端扭振的常用方法为增大飞轮的转动惯量，但使用惯量过大的飞轮会导致曲轴扭振振型发生变化，使曲轴前端的共振加剧，轮系侧的NVH性能恶化，并且会降低车辆的加速性能与燃油经济性。
针对传动系统扭振的控制方法较多，对于中高档型乘用车通常使用双质量飞轮(DMF)，对于经济型乘用车通常使用离合器减振器、弹性联轴器、TVD(前置后驱)。当前为了达成降本需求，很多车企引入了一种离合器与离心摆的集成式减振器(离合器+CPVA)，减振效果虽不及DMF，但明显优于传统的离合器减振器，而且价格较DMF低廉，因此有较高的市场应用价值。
对于当前常用的发动机扭振控制方法，在不增大飞轮惯量的前提下无法有效降低输出端的扭振，而针对传动系统的众多扭振控制方法也无法兼顾曲轴的扭转共振与发动机输出端扭振，更无法使传动系统轻量化。
因此，有必要开发一种新的钟摆飞轮的设计方法。
发明内容
本发明提供一种钟摆飞轮的设计方法，在提升车辆NVH性能的同时确保车辆的加速性能与燃油经济。
第一方面，本发明所述的钟摆飞轮的设计方法，包括以下步骤：
A、设计飞轮的惯量与直径:
所述飞轮的惯量设计为未安装CPVA时飞轮惯量的20％-30％；
所述飞轮的直径设计为飞轮与周边零件没有运动干涉所对应的飞轮最大直径；
B、设计摆锤的摆臂长度与质量：
所述摆锤的摆臂长度设计为摆锤与周边零件没有运动干涉所对应的摆臂最大长度；
所述摆锤的质量设计为摆锤振幅为摆锤最大行程的80％-90％所对应的摆锤质量；
C、选择具有低扭转刚度与小扭转阻尼系数的离合器减振器；
D、将具有大阻尼的材料作为TVD的阻尼材料。
进一步，所述扭转刚度为8Nm/°；所述扭转阻尼系数为0.15Nm/rad/s。
进一步，使用AEM橡胶作为TVD的阻尼材料。
本发明具有以下优点：通过多方案优化钟摆飞轮，降低了飞轮端的2阶扭振，将输入给变速器的4、6阶扭振控制在可接受的范围之内，实现了传动系统的轻量化设计理念，提升了车辆的加速性能与燃油经济性。
附图说明
图1为圆弧线离心摆运动示意图；
图2为摆锤加速度分解图；
图3为飞轮惯量减重前后变速器端扭振对比图；
图4为三种状态下变速器端扭振对比图；
图5为不同扭转刚度的离合器对变速器端扭振影响对比图；
图6为不同扭转阻尼的离合器对变速器端扭振影响对比图；
图7为使用不同阻尼的TVD对变速器端扭振影响对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例中，一种钟摆飞轮的设计方法，包括以下步骤：
A、设计飞轮的惯量与直径:
所述飞轮的惯量设计为未安装CPVA时飞轮惯量的20％-30％。
所述飞轮的直径设计为飞轮与周边零件没有运动干涉所对应的飞轮最大直径，以确保飞轮的质量较小，当飞轮惯量一定时，飞轮的直径越大，飞轮的质量就越小。本实施例中，为了确保飞轮与周边零件没有运动干涉，将飞轮与周边零件间的最小间距设置为5mm。
B、设计摆锤的摆臂长度与质量：
摆臂越长减振效果越好，本实施例中，所述摆锤的摆臂长度设计为摆锤与周边零件没有运动干涉所对应的摆臂最大长度。为了确保摆锤与周边零件没有运动干涉，将摆锤与周边零件的最小间距设置为5mm。
摆锤的质量越大，CPVA的减振效果越好，为了避免CPVA运行时摆锤与飞轮发生碰撞，应确保摆锤的振幅不超过其运动轨迹的最大行程。本实施例中，将所述摆锤的质量设计为摆锤振幅为摆锤最大行程的80％-90％所对应的摆锤质量；优选为，将所述摆锤的质量设计为摆锤振幅为摆锤最大行程的80％所对应的摆锤质量。
C、选择具有低扭转刚度与小扭转阻尼系数的离合器减振器；飞轮惯量减小后飞轮的4、6阶扭振增大，为了减小输入到变速器端的4、6阶扭振，应通过降低离合器刚度与阻尼系数的方式提升离合器的隔振率。本实施例中，离合器减振器是指安装在主动盘与从动盘之间的弧形弹簧，离合器减振器的扭转刚度主要取决于弧形弹簧的弧向压缩量，本实施例中，所述扭转刚度为8Nm/°。离合器减振器的扭转阻尼系数取决于弧形弹簧的材料，本实施例中，所述扭转阻尼系数为0.15Nm/rad/s。
D、将通过设计TVD参数以获得较好的减振效果。与TVD耦合后的曲轴有两阶共振模态，此两阶模态的振型均是曲轴Hub端幅值较大，飞轮端幅值较小。当曲轴与传动系统连接后，传动系统在这两阶模态上同样会产生共振，为了降低这两阶模态的共振峰，应当使用具有大阻尼的材料作为TVD的阻尼材料。本实施例中，使用AEM橡胶作为TVD的阻尼材料，以吸收更多的能量。
本实施例中采用的理论原理主要由三部分组成：当飞轮的转速为无穷高时，摆锤在飞轮处的等效惯量近似为无穷大；通过优化离合器参数提升其隔振率，降低变速器端的4、6阶扭振；增大曲轴前端TVD(即扭转减振器)阻尼，降低传动系统4、6阶扭振峰值。
(1)CPVA(即离心摆减震器)等效惯量的计算：
在图1所示的圆弧摆系统中，摆锤的质量为m，A点为摆锤的悬挂点，O点为飞轮圆心，OA的长度为r，摆锤质心到悬挂点A的长度为l。设飞轮转过的角度为θ，摆锤相对于飞轮的转角为φ，c为A点处的摩擦阻尼系数。
摆锤的坐标为：
x＝rcosθ+lcos(θ+φ),y＝rsinθ+lsin(θ+φ) (1)
对上式求导得：
Figure BDA0002750675010000031
摆锤和飞轮的动能之和为：
Figure BDA0002750675010000041
其中，J为飞轮的惯量。
用第二类拉格朗日方程建立系统的自由振动方程：
Figure BDA0002750675010000042
上式中q代表广义坐标θ与φ，D为广义耗散能，
Figure BDA0002750675010000043
求解得到摆锤的振动方程为：
Figure BDA0002750675010000044
当摆锤的摆角φ较小时，cosφ≈1，sinφ≈φ，上式简化为：
Figure BDA0002750675010000045
设飞轮的角位移θ、角速度
Figure BDA0002750675010000046
和角加速度
Figure BDA0002750675010000047
分别为：
θ＝μt+θ0sin(ωt) (7-1)
Figure BDA0002750675010000048
Figure BDA0002750675010000049
其中μ为飞轮的平均速度，t为时间，θ0为飞轮振幅，ω为飞轮的波动角速度。由于μ远大于ωθ0，故式(7-2)做简化。
将式(7-2)与(7-3)代入方程(6)中，得：
Figure BDA00027506750100000410
方程(8)的解为：
Figure BDA00027506750100000411
其中：
Figure BDA00027506750100000412
将式(7-3)代入方程(9)与(10)中，得：
Figure BDA0002750675010000051
在图2所示的摆锤加速度分解中，质点m的切向加速度am,τ为零，现将所有的加速度矢量分解到沿am,n方向。在该方向上的矢量和为：
Figure BDA0002750675010000052
圆心o到am,n方向的距离为rφ，所以离心摆施加在飞轮上的力矩T为：
T＝-m(l+r)μ2rφ (13)
将公式(13)与(11)联立得：
Figure BDA0002750675010000053
故摆锤等效到飞轮上的惯量Jeff为：
Figure BDA0002750675010000054
由方程(8)可得离心摆的固有频率ωCPVA为：
Figure BDA0002750675010000055
故当阻尼系数c为零且离心摆同调时，式(15)分母为零，Jeff为无穷大。
以上推导说明，当飞轮的转速为无穷高时，摆锤施加在飞轮上的力矩近似为无穷大，故摆锤在飞轮上的等效惯量为无穷大。因此当飞轮以高转速旋转时，理论上飞轮惯量可以设计成无限小。
(2)离合器参数优化
发动机输出的AC(AC在振动领域代表波动)力矩包含多个阶次的频率成分，CPVA只针对某一阶次的振动有抑制作用，无法衰减其余阶次的振动。当飞轮惯量大幅度减小时，飞轮输入给变速器的各阶次扭振均会增大，图3所示为在无CPVA时飞轮惯量减重前后变速器端扭振对比。CPVA可以吸收增大的2阶扭振，但无法衰减4、6阶扭振，如图4所示，为原始状态、飞轮惯量减重80％(以飞轮惯量减重80％为例对本实施例进行说明)、飞轮惯量减重80％+CPVA三种状态的扭振对比。
通过降低离合器扭转刚度与扭转阻尼系数可以有效提升隔振率，进而降低变速器端4、6阶扭振。在飞轮惯量减重80％+CPVA的基础之上，当离合器的扭转刚度分别采用10Nm/°与8Nm/°时，变速器端2、4、6阶扭振对比，如图5所示，可以看出离合器扭转刚度降低后变速器端4阶扭振明显降低。在飞轮惯量减重80％+CPVA的基础之上，当离合器的扭转阻尼系数分别采用0.3Nm/rad/s与0.15Nm/rad/s时，变速器端2、4、6阶扭振对比，如图6所示，可以看出降低离合器扭转阻尼系数使变速器端4、6阶扭振在中高转速区明显降低，低转速扭振基本不变。
(3)TVD阻尼优化
TVD的橡胶材料对其减振性能有较大影响。在飞轮惯量减重80％+CPVA的基础之上，当采用EPDM橡胶TVD(阻尼比0.06)与AEM橡胶TVD(阻尼比0.11)时，变速器端4、6阶扭振对比，如图7所示，可以看出AEM橡胶TVD对共振模态的抑制效果明显增强。
在飞轮上安装CPVA吸振以降低飞轮端的扭振响应，通过设计较小惯量的飞轮减弱曲轴前端的扭转共振，提升了轮系侧的NVH性能，同时提升了车辆的加速性能与燃油经济性。对于飞轮惯量降低后传动系统4、6阶扭振增大的问题，也提出了相应的优化改进措施，使之降低至可接受的范围之内。

Claims (3)

1.一种钟摆飞轮的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、设计飞轮的惯量与直径:
所述飞轮的惯量设计为未安装CPVA时飞轮惯量的20%-30%；
所述飞轮的直径设计为飞轮与周边零件没有运动干涉所对应的飞轮最大直径；
B、设计摆锤的摆臂长度与质量：
所述摆锤的摆臂长度设计为摆锤与周边零件没有运动干涉所对应的摆臂最大长度；
所述摆锤的质量设计为摆锤振幅为摆锤最大行程的80%-90%所对应的摆锤质量；
C、选择具有低扭转刚度与小扭转阻尼系数的离合器减振器；
D、将具有大阻尼的材料作为TVD的阻尼材料。
2.根据权利要求1所述的钟摆飞轮的设计方法，其特征在于：所述扭转刚度为8Nm/°；所述扭转阻尼系数为0.15Nm/rad/s。
3.根据权利要求1或2所述的钟摆飞轮的设计方法，其特征在于：使用AEM橡胶作为TVD的阻尼材料。
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