双质量飞轮及其作用


    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。

    同时,汽车传动系的固有频率如果与曲轴的扭转振动频率重合,也会产生共振。在共振时,扭转振动的振幅和由此产生的噪声特别大。为了消除这种共振现象,可在传动系中串联一个弹性阻尼装置,这样做同时可以减缓汽车起步或换档时离合器动作时产生的冲击力。因此,设计师在离合器总成上的从动盘设置了螺旋弹簧等弹性元件,即在两块摩擦衬片之间夹一个减振器盘,上面均匀分布螺旋弹簧,利用其弹性来吸收来自传动系的冲击,起到缓冲作用,通过摩擦使扭转振动迅速衰减。

离合器弹簧减振器及摩擦片.bmp (138656 bytes)

    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。

双质量飞轮示意图

双质量飞轮总成

双质量飞轮示意图

双质量飞轮总成

    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。

车汇通
2007年2月9日

本文参考文献∶
1.钱人一, “德国鲁克公司双质量飞轮” ,《汽车与配件》杂志2006年第5-6期
2.吴修义, “双质量飞轮离合器” ,《重型汽车》杂志2004年第6期
3.汽车工程手册,人民交通出版社
4.汽车构造与原理,机械工业出版社