动力传动系扭振特性及其控制方法

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汽车动力传动系是一个复杂的多自由度扭振系统，各部件的转动惯量和扭转刚度分布很不均匀，主要表现在激励源多且引起的振动类型多样，系统非线性强，运行工况复杂，与其耦合的振动形式多且耦合形式复杂等方面。综合国内外相关研究成果，传动系扭振特性可归纳如图2 所示。

传动系扭振控制方法

结合传动系扭振分析及其扭振特性，可将传动系的扭振控制方法及工程应用划分为两个方面：传动系动力学参数优化以及在传动系上附加减、隔振装置。

1. 动力学参数优化

动力学参数优化即为对传动系及其子系统的动力学参数（刚度、阻尼、惯量等）进行优化、匹配，进而达到降低传动系扭振的方法，优化主要集中在如飞轮、曲轴、离合器、传动轴以及半轴等关键子结构。通过建立传动系 CAE 分析模型，分析传动系固有特性（模态频率、振型等）与传动轴关键点（如，主减动力输入端等）的扭振响应（扭振幅值、扭矩波动）提取，进而判断动力学参数修改对传动轴扭振特性的影响，通过调整系统的固有频率，使严重的共振转速远离工作转度或常用工作转速范围。

1.1 动力学参数对传动系固有特性的影响

建立传动系动力学模型，计算传动系的固有特性。在此基础上，修改其动力学参数，并分析对传动系固有特性的影响规律。不失一般性，表 3 列举了传动系关键动力学参数对其固有特性的影响规律。

表 3 关键动力学参数对系统固有特性的影响

1.2 动力学参数对传动系扭振响应的影响

扭振响应指传动系关键位置点（飞轮端、传动轴动力输入以及、主减速器动力输入端等）扭振特征量的波动（如幅值、角速度、力矩等）。不失一般性，表 4 列举了关键动力学参数对传动系扭振响应的影响规律。

表 4 动力学参数对传动系扭振响应的影响（主减速器动力输入端）

2 附加减、隔振装置

附件减、隔振装置扭振控制方法是减小振动、降低扭振应力的一个重要措施，能够为系统提供一定的阻尼，增大系统振动能量的消耗，也能够改变系统的固有频率。动力传动系附加的减、隔振装置通常包括：曲轴扭转减振器（TVD）、离合器扭转减振器（CTD&DMF）以及传动轴扭转减振器（STD）等。

2.1 曲轴扭转减振器（TVD）

曲轴扭转减振器通过调节动力传动系首端扭转刚度，从而改变整个传动系扭转固有频率，改变系统的固有振型，使之尽可能避开由发动机转矩主谐量激励引起的共振。同时，曲轴扭转减振器使得发动机的振动能量尽可能多地被其所吸收，从而降低了曲轴的振动，也提高了曲轴的使用寿命。

目前，用于汽车上的主要是单级扭转减振器（只有一个惯性质量），已有较成熟的设计理论和计算方法，如动力吸振原理法、多质量系统模型法及有限元模型法等[13]。这些方法在对减振器进行优化设计时大多以降低曲轴最大振幅为目标。随着对内燃机污染（尾气、噪声）、油耗、可靠性、动力性、舒适性的要求越来越高，出现了许多对曲轴扭转减振器的更精确、更全面的研究设计方法。同时，随着发动机发展的轻量化和高功率化，受到橡胶的低阻尼限制，单级扭转减振器已满足不了扭转振动的控制要求[14]。越来越多的汽车上已开始使用多级扭转减振器[15]，能够有效的控制曲轴系统第1、2 阶共振。基于多级扭转减振器设计理念（多级串联、多级并联），文献[16]提出了多级混联扭转减振器的设计方法。设计结果表明：多级混联扭转减振器兼顾了单级和多级扭转减振器的优点，并且结构方式组合灵活，具有较强的工程应用价值。

2.2 离合器扭转减振器（CTD&DMF）

传统的离合器扭转减振器是指在离合器从动盘上安装扭振减振器（CTD），由于受离合器从动盘空间尺寸的限制，弹性元件设计尺寸小、减振器相对转角小、刚度大，导致 CTD 隔振效果差，尤其是低速区几乎没有明显的隔振作用[17,18]。进而衍生了双质量飞轮扭振减振器（DMF），即将发动机飞轮分成两部分，中间用扭转减振器连接。这样，扭转减振器弹性元件和阻尼元件可以布置在较大的空间内，减振器相对转角较大，可以将刚度设计得很小，能有效隔离发动机传递到变速箱上的扭振波动。

与CTD 相比，DMF 减振器具有如下优点[19,20]：（1）克服了CTD 减振器安装空间局限性的致命缺陷，确保减振器相对转角和传递的扭矩足够大，而且能降低扭转刚度，从而大大提高了隔振性能；（2）DMF 突破CTD 只能通过改变刚度和阻尼特性进行隔振的局限，还可通过改变转动惯量来综合控制传动系的扭振问题；（3）DMF 的应用使离合器从动盘的转动惯量得以降低，有利于换档以及减少换档时齿轮的冲击，提高了换档品质；（4）有效降低传动系的低阶固有频率，减少与发动机激励产生共振工况的可能性，同时使发动机工作在较低的经济转速成为可能，从而有利于提高燃油经济性和降低排放。当然，DMF 减振器也存在不足：结构比 CTD 复杂、成本较高且维修性较差、安装所需轴向尺寸大（特别在前置前驱型轿车布置上有一定难度）等缺点。随着 DMF 振器技术理论的不断发展与完善，国外成熟 DMF 产品的寿命已达到了整车要求，在前置前驱型轿车上的安装也不存在困难。

2.3 传动轴扭转减振器（STD）

为抑制动力传动系扭转振动，在传动轴上措施相对较多，最常见的方式为使用传动轴扭转减振器（STD）。STD 主要由内环、外环以及粘胶组成，常安装于传动轴跟主减速器之间的万向节的法兰上。

传动轴上其他抑制扭振的措施也在工程中经常被采用，如优化轴管尺寸，以改变传动轴模态，达到抑制扭振的作用；使用弹性联轴器降低轴系的固有频率，避免传动轴因扭转共振引起的失效等。

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来源：汽车NVH云讲堂

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首次发布时间：2023-04-13

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