基于自锁原理的汽车双质量飞轮安全装置设计研究
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第５１卷第４期 ２０１ ５年２月 机械工程学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＶＯ１．５１ ＮＯ．４
Ｆｅｂ． ２０１ ５
ＤｏＩ：１０．３９０１，ＪＭＥ．２０１５．０４．１４１ 基于自锁原理的汽车双质量飞轮安全装置设计研究木
宋立权 支则君 曾礼平 田宏艳２ （１．重庆大学机械传动国家重点实验室重庆４０００４４； ２．重庆光大产业有限公司 重庆４０１ １２０）
摘要：结合周向短弹簧汽车双质量飞轮的设计开发，提出基于自锁原理的双质量飞轮安全保护装置，实现在飞轮失效时，能 使初级飞轮与次级飞轮自动楔入、自锁联为一体，避免了行车事故的发生，且装置具有结构简单、可靠的特点。通过建立考 虑摩擦的力分析模型，导出能确保自锁的形状约束的型线方程，在此基础上，应用Ｗｉｎｌｄｅｒ弹性理论，构建出基于形状约束 的接触力、转矩．扭转角的分析计算模型。应用所提出的理论方法，对２．０ Ｌ发动机搭载的双质量飞轮的安全保护装置进行设 计，并用有限元法和实际测试进行验证，结果表明，所提出的理论方法和计算模型有较高的符实性。通过分析研究，总结出 双质量飞轮安全保护装置的参数确定原则，所提出的设计理论与方法能参考应用于设计实践，拓宽了双质量飞轮的设计理论。 关键词：双质量飞轮：安全保护装置；形状约束；转矩特性；设计理论方法 中图分类号：ＴＫ４１３ ＴＨ１３３
Ｄｅｓｉｇｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｓａｆｅｔｙ Ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｄｕａｌ Ｍａｓｓ Ｆｌｙｗｈｅｅｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｕｔｏ－ｌｏｃｋ Ｔｈｅｏｒｙ
ＳＯＮＧ Ｌｉｑｕａｎ ＺＨＩ Ｚｅｊｕｎ ＺＥＮＧ Ｌｉｐｉｎｇ ＴＩＡＮ Ｈｏｎｇｙａｎ２ （１．Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４４； ２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｇｕａｎｇｄａ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０１ １２０）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｈｏｒｔ ｓｐｒｉｎｇ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｄｕａｌ ｍａｓｓ ｆｌｙｗｈｅｅｌ，ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｕｔｏ－ｌｏｃｋ ｔｈｅｏｒｙ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｉｓ ｄｅｖｉｃｅ ｃａｒｌ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ａｎｄ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｆｌｙｗｈｅｅｌ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｂｙ ｗｅｄｇｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｕｔｏ—ｌｏｃｋ ｆｅａｔｕｒｅ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｗｈｅｎ ｆｌｙｗｈｅｅｌ ｆａｉｌｓ，ａｎｄ ｔｈｉｓ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｗｉｔｈ ｓｉｍｐｌｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｂｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｆｒｉｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｓｕｒｉｎｇ ａｕｔｏ—ｌｏｃｋ ｓｈａｐｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｐｒｏｆｉｌｅ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗｉｎｋｌｅｒ ｅｌａｓｔｉｃ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ—ｔｏｒｓｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｈａｐｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｕａｌ ｍａｓｓ ｆｌｙｗｈｅｅｌ ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ２．０ Ｌ ｅｎｇｉｎｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｒｅａｌ ｔｅｓｔ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｍｐｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｔｙ．Ｂｙ ｔｈｏｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｄｅｓｉｇｎ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ ｄｕａｌ ｍａｓｓ ｆｌｙｗｈｅｅｌ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ Ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｗｈｉｃｈ ｂｒｏａｄｅｎｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｄｕａｌ ｍａｓｓ ｆｌｙｗｈｅｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｕａｌ ｍａｓｓ ｆｌｙｗｈｅｅｌ；ｓａｆｅｔｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ；ｓｈａｐｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ；ｔｏｒｑｕｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ：ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅｏｒｙ ｍｅｔｈｏｄ
０前言 ２０世纪８０年代初为解决车辆动力传动系统的 扭转振动问题，德国ＬＵＫ公司提出了在系统中增 加弹性单元的方法，即以双质量飞轮取代传统的离 合器扭振减振器（Ｃｌｕｔｃｈ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄａｍｐｅｒ， ＣＴＤ），经过近十年的努力获得成功，其优越的减振 性能得到各国汽车生产厂家的认可Ｌ１ Ｊ。但目前国内 ・教育部博士点基金资助项目（２Ｏ１２０１９ｌｌｌ００ｏ３）。２０１４０８０１收到初稿 ２０１４１ １０４收到修改稿 仍然处于研究与试制阶段，没有形成批量生产。作 为汽车传动系的重要组成部件，双质量飞轮对提高 乘车舒适性、减缓传动系冲击和降低燃油消耗起到 了重要的作用 。 目前，国内外对双质量飞轮进行的理论研究和 试验主要集中在降低整车传动系的扭转振动和噪 声、缓解传动系冲击、隔离发动机传递到变速箱上 的扭振波动等方面。如文献［５．７】讨论了双质量飞轮 各参数对整车传动扭振性能影响，并进行了仿真优 化。ＨＵ等 基于多自由度质量块一扭转振动传动系 分析模型，对径向弹簧双质量飞轮的扭转特性与设 ２０１５年２月 宋立权等：基于自锁原理的汽车双质量飞轮安全装置设计研究 １４３ （ａ）接触点力分析 （ｂ）形状约束型线 图３接触型线
任意接触点处的摩擦角 大小由摩擦因数 决定， ＝ａｒｃｔａｎ／￣，如果能寻找到一条约束型线作 为联结盖的外轮廓型线，使其上任一点的极法角 为定值且小于 ，则楔入后能保证自锁。根据以上 要求构造该型线方程，建立该型线的极坐标系如图 ３ｂ所示，点Ｇ为型线上任一点，其极径为 ，Ｇ 为 该型线上点Ｇ的一个临近点，极角增量为Ａ０，极 径增量为△ ，当Ａ０趋于零时，Ｇ，Ｇ为点Ｇ的切线 方向，ＺＯＧＥ趋近于直角，且ＺＧ＇ＧＥ＝ ，由直角 三角形△Ｇ＇ＧＥ得 ＧＥ ｐ ａｐｔ ａｎｔＴｔ＝一＝———二一＝———二一 ＥＧ ｐａｏ ｐｄＯ
３ 弹性接触力学模型与转矩特性 ３．１弹性接触力学模型 将安全保护装置简化为二维平面结构进行分 析，如图５所示，坐标系Ｏｘｙ建立在联结盖７上， 次级飞轮６转过初始相对扭转角 时，联结盖类椭 圆型线与凸台弧线发生接触并交于点Ｇｎ，凸台面弧 线是半径为 张角为 且关于线ｍ—ｍ对称的圆 弧，次级飞轮外圆半径为 ，内圆半径为 。联 结盖型线的最短和最长极径分别为ａ和ｂ。
设 ＝ｔａｎａ，有 图５结构参数 ｄｐ ＝ ｄ （１）
ｐ
对式（１）积分，得型线方程为 Ｐ＝ａｅｘｐ（２０） （２）
为满足前述要求，只需要令 ＜ ，即能保证 自锁。式（２）中Ｐ与０的关系曲线如图４ａ所示，取 该曲线的第１象限先进行 轴镜像，所得型线再进 行Ｙ轴镜像，构成联结盖外环的类椭圆型线，如图 ４ｂ所示。
图４类椭圆型线
， 曲凸台对杯币重，馁触情况利同，仅分析早个 接触。当０＝ｎ／２时，Ｐ＝ｂ，代入式（２）得
： 鱼 （３）
因 ＝ｔａｎａ，故 …ａｎ（
将式（３）代入式（２）得类椭圆型线第１象限的型线 方程
一唧 凸台与联结盖开始接触时，联结盖的极径与凸 台半径相等，￣ｆＲ＝ａｅｘｐ［（２ｈ￣）ｏｏｌ， 为接触
点Ｇ０所对应的极角，根据几何关系有 ： ＋ Ｐｏ，
此时初始相对扭转角为
＝三ｍ ㈦ａ）～一鱼２ （６）
相对扭转角 逐渐增大时，凸台被继续楔入， 机械工程学报 第５１卷第４期 联结盖与次级飞轮凸台发生接触变形。如图６所示， 以联结盖为分析对象，Ｇ为联结盖变形前约束型线 上一点，Ｇ１为Ｇ变形后对应的点。由于弹性变形 量较小，假设变形后曲线ｒ／ｌ的法线沿７７法线方向不 变，则Ｇ１点所受正压力 与ＧＩＧ共线，摩擦力Ｆ 垂直于 ， 为正压力 和摩擦力，的合力。 为曲线 的极法角， 为正压力 与Ｇ１点极径的 夹角。
图６联结盖受力分析 考虑联结盖与次级飞轮接触作用的弹性变形， 运用Ｗｉｎｋｌｅｒ模型【Ｊ副对弹性接触变形进行计算。 Ｗｉｎｋｌｅｒ模型将接触界面视为一系列相互独立的弹 簧，每一点所受的压力与其法向变形量成正比［１６＿＂】， Ｇｌ点的接触应力 ｐ－ ＝Ｅ ＝Ｅ丝 ｒ７、
ｆ１ ｆ２ ～
式中，巨、 分别为联结盖与凸台的弹性模量； 为联结盖变形量； 为次级飞轮凸台处的变形量： ‘、ｆ２分别为联结盖和凸台在接触点 的法向 厚度。 所作的设计实践表明，ａ与ｂ相差很小 （６／ａ＝１．０３～１．０８），类椭圆型线近似于圆，法向直 线与极径近似重合，法向厚度可用极径方向厚度替 代，于是，由图５几何关系有 ｆＩ！Ｔ＝Ｐ—Ｒ
： －Ｒ‘ （８）
联结盖与凸台的接触变形量之和为过盈量 Ｐ—Ｒ，即 ＋ ＝Ｐ—Ｒ （９） 联立式（７）与式（９），解得
缶＝ 。
将式（８）与式（１Ｏ）代入式（７）可求得接触应力
＝ （ｐ －Ｒ ）Ｆ￣： ２（１１） 巨（ 一 ）＋ （ — ） 在三角形△ＧＧ０中，根据余弦定理有
，ｏｌ＝√ ＋ －２ｐ￣１ ＣＯＳａ （１２） 式中， 为Ｇ１点极径。 由正弦定理可以求得变形后的极法角
５１ 嬲ｍ ＰＳ１ （ ３） ． ｎ
在三角形△ＧＧ０中，ＯＧ与ＯＧＩ所夹的极法角 之差 ＝ 一 （１４） ３．２转矩计算 假设联结盖轴向厚度为ｈ，将接触面分成微元 矩形面积之和，微元面积 上的正压力 ＝ｔｒｄＡ＝ｃｒｈｐ￣ｄＯ （１５）
