双质量飞轮

ksj7341 · 发表于 2009-4-3 00:15

双质量飞轮是上世纪80年代末在汽车上出现的新配置，英文缩写称为DMFW（double mass flywheel）。它对于汽车动力传动系的隔振和减振有很大的作用。提到双质量飞轮，首先要弄清楚飞轮及有关扭转振动的知识。

　　发动机后端带齿圈的金属圆盘称为飞轮。飞轮用铸钢制成，具有一定的重量（汽车工程称为质量），用螺栓固定在曲轴后端面上，其齿圈镶嵌在飞轮外缘。发动机启动时，飞轮齿圈与起动机齿轮啮合，带动曲轴旋转起动。许多人以为，飞轮仅是在起动时才起作用，其实飞轮不但在发动机起动时起作用，还在发动机起动后贮存和释放能量来提高发动机运转的均匀性，同时将发动机动力传递至离合器.

　　我们知道，四冲程发动机只有作功冲程产生动力，其它进气、压缩、排气冲程是消耗动力，多缸发动机是间隔地轮流作功，扭矩呈脉动输出，这样就给曲轴施加了一个周期变化的扭转外力，令曲轴转动忽慢忽快，缸数越少越明显。另外，当汽车起步时，由于扭力突然剧增会使发动机转速急降而熄火。利用飞轮所具有的较大惯性，当曲轴转速增高时吸收部分能量阻碍其降速，当曲轴转速降低时释放部分能量使得其增速，这样一增一降，提高了曲轴旋转的均匀性。

　　当发动机等速运转时，各缸作用在曲轴上的扭转外力是周期变化的，因此曲轮相对于飞轮会发生强迫扭转振动，同时由于曲轴本身的弹性以及曲轴、平衡块、活塞连杆等运动件质量的惯性作用，曲轴会发生自由扭转振动，这两种振动会产生一种共振。因此有些发动机在其扭转振幅最大的曲轴前端加装了扭转减振器，用橡胶、硅油、或者干摩擦的形式，吸收能量以衰减扭转振动。

　　但是，由于汽车传动系的共振取决于传动系中所有旋转圆盘的惯性矩，临界转速越低惯性矩越大，共振也越大。在离合器上设置扭转减振器存在两个方面的局限性∶一不能使发动机到变速器之间的固有频率降低到怠速转速以下，即不能避免在怠速转速时产生共振的可能；二是由于离合器从动盘中弹簧转角受到限制，弹簧刚度无法降低，减振效果比较差。为了解决这两个问题，更有效地达到隔振和减振的目的，双质量飞轮就应运而生了。

　　所谓双质量飞轮，就是将原来的一个飞轮分成两个部分，一部分保留在原来发动机一侧的位置上，起到原来飞轮的作用，用于起动和传递发动机的转动扭矩，这一部分称为初级质量。另一部分则放置在传动系变速器一侧，用于提高变速器的转动惯量，这一部分称为次级质量。两部分飞轮之间有一个环型的油腔，在腔内装有弹簧减振器，由弹簧减振器将两部分飞轮连接为一个整体。由于次级质量能在不增加飞轮的惯性矩的前提下提高传动系的惯性矩，令共振转速下降到怠速转速以下。例如德国鲁克(LUK)公司的发动机双质量飞轮将共振转速从1300转/分降到了300转/分。目前一般汽车怠速在800转/分左右，也就是说在任何情况下，出现共振转速都在发动机运行的转速范围以外，只有在发动机刚起动和停机时才会越过共振转速，这也是常见汽车发动机起动和停机时振幅特别厉害的原因。当然，如果采用高扭矩起动机和提高起动机的转速，调整发动机装置缓冲器，也会使共振振幅尽可能地缩小。

　　双质量飞轮的次级质量与变速器的分离和结合由一个不带减振器的刚性离合器盘来完成，由于离合器没有了减振器机构，质量明显减小。减振器组装在双质量飞轮系统中，并能在盘中滑动，明显改善同步性并使换档容易。

　　双质量飞轮是当前汽车上隔振减振效果最好的装置。因此上世纪90年代以来在欧洲得到广泛推广，已从高级轿车推广到中级轿车，这与欧洲人喜欢手动档和柴油车有很大关系。众所周知，柴油机的振动比汽油机大，为了使柴油机减少振动，提高乘坐的舒适性，现在欧洲许多柴油乘用车都采用了双质量飞轮，使得柴油机轿车的舒适性可与汽油机轿车媲美。在国内，一汽大众的宝来手动档轿车也率先采用了双质量飞轮。

ksj7341 · 发表于 2009-4-3 00:32

汽车史上第一个批量生产的双质量飞轮在1985年前后投产。起初，仅仅采用了无润滑的阻尼器，这种阻尼器由位置远在外侧的、短而呈直线形的重型弹簧组成，在圆周上均匀分布着8个或更多此类弹簧，切向放置。但是，这种方案发生了磨损问题。1987年前后，采用了第一个黄油润滑的双质量飞轮，其中的弹簧用作外部阻尼器，黄油就放在弹簧沟槽中．对弹簧和滑动壳体之，间的接触处进行润滑。这样一来，其使用寿命就不再是一个问题了。当时计划用于2000年的双质量飞轮方案后来并未投入批量生产。

1989年引入了弧形弹簧阻尼器，这是双质量飞轮的一个突破。这项技术立即解决了几乎所有的双质量飞轮共振问题。此外．成本也在不断地下降。最初，双质量飞轮的初级飞轮质量是铸钢或锻钢件。后来，鲁克（ LuK）公司的金属成形专家成功地利用冲压成形的金属板零件制成了除次级飞轮质量以外的所有零件。为了增加初级质量的惯性矩，1995年利用金属板开发了双质量飞轮的折叠式质量。这为广泛地应用双质量飞轮奠定了基础。在这方面的大量细致缜密的工作换来了双质量飞轮生产的大幅度上升。

1998年双质量飞轮的产量大约为200万件，因此，欧洲当年生产的带手动变速器的轿车之中，有1/5左右利用双质量飞轮降低了噪声，提高了舒适性。图6示出了1997年按照发动机排量和汽油机／柴油机分级的各种发动机中采用双质量飞轮的比例。由图可见，排量超过2L的发动机，尤其是汽油机，基本上都装备了双质量飞轮。中等排量的发动机采用双质量飞轮比较晚一些。而排量小于1.6L的发动机采用双质量飞轮者更是少见。2004年鲁克公司的双质量飞轮产、销量约为500万件。

由于双质量飞轮在所有的汽车上都显示出了优点，所以它的应用还将扩大。但由于其成本较高，所以还没有用于小型轿车上。当今在双质量飞轮的开发中一个重要的课题就是如何降低成本。

双质量飞轮的优点

虽然由于成本的缘故，并不是每一个人都愿意接受双质量飞轮，但是它给汽车带来的好处却是显而易见的，所以它在大型车辆中得到了广泛的应用。下面介绍它最重要的优点。

1、扭振、隔振

双质量飞轮最重要的特性是，几乎使发动机曲轴的扭振完全与变速器隔离了。

在离合器中带扭振减振器的传统系统中的变速器输入轴角加速度幅值，为带双质量飞轮的系统中的变速器输入轴角加速度幅值。在离合器中带扭振减振器的传统系统中，低速区没有明显的隔振作用。通过选择适当的阻尼可以避免共振。

与此相反，双质量飞轮几乎将发动机的不均衡性完全滤去了。所谓“滤去”，就是将发动机曲轴的不均衡性“封闭”起来，不让它传递到变速器中去。从而明显地起到了整车传动链隔振的作用。在通常行驶的发动机转速区域内动力总成不再发生共振。由于飞轮次级侧的运转几乎是均衡的，变速器输入轴也是如此，所以变速器不再发生喀喇声，烦人的嗡嗡声也可以几乎完全消除。

但是，与传统的带离合，器的飞轮质量相比，双质量飞轮的初级飞轮质量比较小，这使得发动机曲轴本身的不均衡性比较严重。所以，有些情况下发动机辅助装置（如水泵、发电机等）的驱动必须重新匹配。

良好的隔振性特别是在低速区往往为节能运行创造了条件，因为这使得发动机可以主要运转在低速区，由此可以节省燃油。很多现代化发动机具有相当平坦的扭矩曲线，这样的发动机更为如是的节能运行提供了可能性。

2、变速器减载

另一项积极的效果是减小变速器的载荷。由于减轻了变速器输入轴的运转不均衡性，汽车的传动链和变速器都可以减小应力。

传统系统中一台典型的柴油机在油门踩到底的时候变速器实际的有效扭矩曲线。对于传统的传动链来说，由于发动机运转不均衡的缘故，会产生附加的动态扭矩，这种动态扭矩叠加在扭矩曲线上。根据转速的大小，这可能引起超过10％的附加载荷。

双质量飞轮几乎完全消除了传统系统中高频变速器的附加扭矩。既然变速器减小了附加载荷，就可以传递较高的静力扭矩，在带双质量飞轮的柴油机中尤其是如此。

3、曲轴减载

当读者看到这个小标题时可能会产生一个疑问：既然前面已经提到，安装双质量飞轮之后发动机曲轴的运转不均衡性增加了、这势必导致曲轴的动载荷增加，又谈何“曲轴减载”呢？要回答这个问题，必须注意到动载荷不仅取决于扭振的振幅，而且与转动惯量有关。

双质量飞轮永久性地改变了曲轴的振动系统。在传统的系统中，飞轮包括离合器在内比较重，刚性地与曲轴连接。在发动机转速改变时，飞轮巨大的转动惯量所带来的惯性力矩给曲轴施加了较高的动载荷。

双质量飞轮的初级飞轮质量比传统系统的飞轮质量小得多，所以飞轮转动惯量减小了。并且双质量飞轮是弹性的，像一个扭矩转换器的挠性板。所以，尽管双质量飞轮的发动机运转不均衡性有增无减，但是由此形成的动载荷却下降了，带给曲轴的动载荷也减小了。同时，次级飞轮质量对于曲轴的弯曲载荷而言可以忽略不计。因为次级飞轮质量只是非常松垮地通过扭振减振器及滚子轴承与初级飞轮质量相连接，实际上不产生对于曲车由的动载荷。所以双质量飞轮可以减小曲轴的载荷。

与传统的系统相比，双质量飞轮系统固有的弯曲共振和扭转共振因为采用双质量飞轮而发生了改变，使得曲车由的载荷减小了许多。

采用了双质量飞轮，曲轴的扭转振动和弯曲振动都降低了。在个别的案例中，必须考虑是否可以放弃曲轴减振器，或者是否可以采用便宜一些的材料例如铸铁制造曲轴。

由上所述可见，双质量飞轮技术可能带来可观的经济效益。如果考虑到由于隔振效果引发的二次效果的话，双质量飞轮通常不会造成附加的成本增加。

4、售后保修

双质量飞轮起初设计成能够在整个发动机生命周期中保持正常工作。用于双质量飞轮的备件供应量实际上是极少的。

离合器方面的投诉数量显然出奇地高，而其中离合器并非发生这些投诉的真正原因。往往由于客户投诉变速器有喀喇声而将离合器盘连同整个离合器一起更换了。所以，维修人员只能更换整个系统以求息事宁人他们没有别的办法。通常，更换之后效果并不好。所以，离合器有时候会更换多次，而且还有许多拆装的费用都要列入公司的开支，所以保修费用过高，这又转嫁到整车生产成本中去，部分地加到新离合器零件的生产成本中去。

双质量飞轮结束了这种态势。采用了双质量飞轮之后此类投诉已经明显地下降了，以致可以将注意力转向真正的故障案例。例如，可以转而更多地关注现场研究。

许多汽车制造商已经开始在对是否采用双质量飞轮进行经济核算时考虑此项成本效果。

双质量飞轮是一种成熟的产品,但是还有进一步开发的潜力。

银龙鱼 · 发表于 2009-4-4 13:17

现在市售车有吗？

波音747 · 发表于 2009-4-4 21:33

在国内，一汽大众的宝来手动档轿车也率先采用了双质量飞轮。
但是因为双质量飞轮的质量问题，一汽大众的宝来手动档轿车最后全部更换了普通飞轮。

blackvela · 发表于 2009-4-5 07:49

原帖由 波音747 于 2009-4-4 21:33 发表
在国内，一汽大众的宝来手动档轿车也率先采用了双质量飞轮。
但是因为双质量飞轮的质量问题，一汽大众的宝来手动档轿车最后全部更换了普通飞轮。

双质量飞轮

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