目前市场上各种纯电动汽车大行其道，然而对于驾驶爱好者而言并不是个好消息，离开发动机，驾驶必将失去很多乐趣；既然选择了发动机，就要承受它的“小脾气”！来，本期《讲堂》给大家聊聊发动机的“小脾气”到底会搞出什么“大新闻”？追求极致NVH的工程师们能惯着它吗？

相信看到题目的各位一脸懵，“小脾气”？“大新闻”？DMF又是啥？别着急，听我慢慢给各位道来。在开始主题介绍之前呢，先带大家回顾一下汽车的动力传输过程。

BWM 3系四驱系统动力传输过程

以BWM 3系四驱系统为例，发动机的动力经发动机输出后，传递给与曲轴相连的离合器，再进一步传递给变速箱输入轴，经过合适的档位进行输出给传动轴，对于前置后驱的车型而言，动力直接经传动轴输送到后驱动桥，经主减速器、差速器输送到半轴进而传递到后驱动轮上。对于四驱系统而言，还要把一部分动力经过分动箱输送给前轮，以便实现四驱功能。驱动过程分析明白了，那跟NVH问题又有什么关系呢？

☆发动机的“小脾气”

这一切要从发动机的“小脾气”说起，它到底是个啥？

2018 BMW X3xdrive30i 发动机外特性曲线

我们在选购新车的时候，除了NVH以外，还尤其关注发动机的动力参数。以2018款BMW X3xdrive30i为例，上图是X3搭载的发动机的外特性曲线[1]。其中，横坐标表示转速，左侧纵坐标及黄色曲线表示扭矩特性，右侧纵坐标及白色曲线表示其功率特性。我们可以清楚的看到这台车最大扭矩350NM，最大功率为250马力，最大扭矩平台转速区间为1500-5000r/min。然而，在发动机实际运转过程中，某一转速下，其输出的扭矩真的是一个恒定值吗？

某恒定转速下，四缸四冲程发动机输出扭矩随曲轴转角波动情况

上图是在某恒定的转速下，如1500r/min时，四缸四冲程发动机的输出的扭矩随发动机曲轴转角的变化情况。由上图可以看出，在曲轴转了2圈，共计720°的情况下，发动机输出的扭矩并不是一个恒定的值，而是在发生有规律的波动。那这就奇怪了，咱们不是说好了固定转速下要输出一个恒定扭矩吗？这不是跟前面的外特性曲线图矛盾了吗？

四缸四冲程发动机

实际上，对于四冲程四缸机而言，四个气缸要进行点火做功，在发动机转两圈的过程中，这4个气缸都得点火一次，也就意味着要产生4次冲击。这也就是为什么上图扭矩曲线中会出现4个峰值。这也就是我们所说的，四缸发动机主要以2阶激励为主。即，转1圈，激励2次，称之为2阶。需要注意的是，这个2阶激励是绕曲轴的。依此类推，对于四冲程六缸机而言，其主要激励为3阶。

而在发动机外特性曲线中，扭矩之所以是一个恒定值，是因为这儿的扭矩指的是平均值，在随转角变化的过程中，因为在“吸气——压缩——做功——排气”过程中，只有做功时对外输出能量，其余过程都是在消耗能量，因此，产生的扭矩可正可负，将它们全部考虑在内，就可以得到在该转速下的平均值，然后，把不同转速下的平均值分别算出来，把得到的离散点连接到一起，就可以得到所谓的发动机外特性曲线了。

好了，发动机的“小脾气”给大家讲明白了。很明显，这种扭矩的波动必然会导致一系列NVH问题，如果放任这种扭振传递给车身，将会产生各种异响，也会使驾驶员感到车身的抖动，直接影响驾驶感受，对于消费者而言，显然是不会买单的。

☆你有小脾气？离合器表示不服！

既然这种扭振是由发动机本身的结构特性决定的，那作为传动系统中一个关键环节的离合器，总得表示表示吧！

带扭转减振器的离合器拆解图[2]

我们知道，发动机的动力是经过离合器传递给变速箱的。所谓离合器，顾名思义，负责发动机与变速箱之前分离和结合。也就是主管发动机的动力能不能进行下一步传输的关键部件。当然，发动机的扭矩波动也会传递给它。因此，除了上述功能外，离合器还有一个很重要的作用——衰减发动机的扭转振动。这就离不开动力的传递中的一个关键部件，就是扭转减振器（CTD）。看准了各位，不是DCT。

离合器扭转减振器结构图[3]

发动机的动力经过从动盘传递给变速箱的输入轴，由于发动机的转矩波动现象的存在，因此，工程师们开发了带有扭转减振器的离合器。它相当于在发动机的输出端和变速箱的输入端之间加上了周向弹簧，也就是图中的8个均匀分布的弹簧。这样就实现了输入端与输出端之间的旋转振动的隔振。但是这一切就万事大吉了吗？

并没有。我们知道，但凡涉及到隔振，我们不得不提到系统的固有频率，也就是说，扭转弹簧两侧连接的是旋转质量，当激励的频率与扭振的固有频率一致时，此时发生共振，一般情况下，在追求NVH性能的工程设计中，我们是要尽量避免共振现象的。那有没有二般情况呢？后文会给各位详细讲解。

说回离合器，由于离合器尺寸的限制，减振弹簧的刚度、尺寸设计都会受到限制，这种限制导致的结果就是，扭振系统的固有频率通常会落在高于发动机怠速转速所对应的频率范围内。这也就意味着，当发动机正常工作时，总是会碰上这个共振点，引起传动系的大幅度扭振，即使中间夹层布置了阻尼片，但是由于尺寸限制，还是不能很好的降低共振，这也很容易使汽车产生在某些转速附近，出现明显的抖动现象，进而引发噪声。

既然你共振频率落在了发动机常用转速对应激励频率范围内，那能不能想办法让共振频率小一点，最好是远小于怠速转速所产生的激励频率，这样就可以保证只要发动机正常工作，就不会产生扭转的共振，以更好的隔振了。

☆扭振乱不乱，DMF说了算！

DMF常见结构形式

这就要隆重的介绍一下今天的重量级选手了。没错，就是咱们题目中提到的DMF。是不是看着跟DCT有点像。其实它俩没有半毛钱关系。DCT是指双离合变速箱，由于换挡速度快，显著提升发动机燃油经济性而被越来越广泛的采用。当然，低速时的顿挫是大家比较关心的。这个主要是换挡逻辑清不清晰的问题。咱们来看看这个DMF是个啥？

DMF，全称Dual Mass Flywheel，即双质量飞轮。相比于DCT，它的知名度小了很多。我在写这篇文章的时候，问过身边的几个朋友：“兄dei，DCT大家很熟悉，那你知道DMF是什么吗？”他们都很礼貌的回应我：“这**是个啥？”

实际上，正是这位叫做DMF的“大佬”在背后默默的付出，才会使得发动机的扭振问题得到了很好的改善，因此，咱们今天必须给它正个名。

双质量飞轮结构组成

看图说话。双质量飞轮虽然具有许多不同的结构形式，但一般都是由第一质量、第二质量以及中间的扭振结构组成。其中最著名的厂家就是德国的LUK公司，算是做DMF较早的公司。当然，现在包括采埃孚在内以及许多国内的供应商，也在做这些产品。

以图中这种周向长弧形螺旋弹簧双质量飞轮（DMF-CS）为例，当发动机工作时，动力输入到第一质量，带动第一质量旋转，而此时由于周向弹簧与第一质量上的卡槽连接，周向弹簧被压缩，将动力传递给传力板，传力板与第二质量刚性连接，进而将动力传递给变速箱的输入端，完成动力的传输。实质上，通过这种双质量飞轮结构的设计，相当于把原来的一个飞轮切割成两部分，中间通过螺旋弹簧进行传递，进而构成一个扭振系统，实现隔振的功能。那么，就为了追求个NVH，把最普通的飞轮设计成这么复杂的玩意儿，值得吗？

双质量飞轮原理图

离合器扭转减振器与DMF隔振效果对比[4]

对比离合器上采用的扭转减振器和双质量飞轮结构的隔振效果，我们可以看到，在发动机转速低于1600r/min时，基本没什么隔振效果，因为此时发动机的激励频率与离合器扭振结构的固有频率非常接近，其结构尺寸受限以及扭振弹簧刚度不能合理设计是隔振效果差的最主要原因。

第一、二飞轮质量之间的扭振波动情况，扭振得到了很好的衰减

反观双质量飞轮结构，在怠速750r/min直到3000r/min的转速范围内，隔振效果非常好，大大减缓了扭振的传递。所以，基于这么简单的一个原理上的设计，就使得整车的NVH问题得到了很好的解决。所以，拿理论指导实践，还是可以达到事半功倍的效果的。厂家多花点成本，把钱用在刀刃上，这钱花的值！对于消费者，选购一款装有DMF的车型换来更好的NVH特性，这钱花的也值！

离心摆式双质量飞轮

当然，上述原理分析主要是针对最简单的双质量飞轮结构，而在实际生产中，还有更复杂的结构。比如上图的离心摆式双质量飞轮，通过在传力板上安装离心摆结构，实现了针对特定工况进行的扭振隔离。也就是说，通过设计其结构及安装位置，可以使其离心摆结构的共振频率与激励频率重合，这样，发动机传递的振动就被离心摆吸收掉了，而不能再往后传递了，这样减振效果得到更好的提升。所以，这就是工程上利用共振的一种例子，也是咱们前文提到的二般情况~~也就说不是所有的共振都有害，我们可以反其道而行之，利用共振的原理来达到我们的需求。

☆金无足赤，DMF亦然！

好了，前文算是把DMF捧上了天，那么，双质量飞轮真的有这么完美吗？

No！前文提到了将扭振系统的固有频率移到了怠速转速范围以下，且远离了怠速转速。那么各位是否注意到，发动机打火时或者熄火过程中，转速在0~750r/min之间变化，不一样要经过共振频率吗？是的，这就是我们即使装了双质量飞轮，在启动汽车点火过程也会出现的抖动的原因。那么这个问题怎么解决？

可以从以下几个方面进行简单分析：首先，点火就是拧一下钥匙或按一下启动键的功夫，最多也就1~2秒的功夫，所以一般大家不会过于纠结这个问题。其次，可以在离合器中加装阻尼片或者硅油，来削弱共振时的幅值，这样也可以缓解这个问题。最后，目前的学术研究中，也有采用磁流变双质量飞轮的，就是在点火或者熄火过程中，通过控制磁场，使双质量飞轮阻尼变大，消除共振[5] 。当然，这种成本会更高，且结构尺寸较大，不太利于安装。因此，一般车企还是采用普通的双质量飞轮，已经足够达到消费者需求了。

此外呢，由于结构复杂了，因此成本也就会上升。且反映较多的密封性问题，如果里面的油脂或者硅油被污染了，减振效果势必会下降。还有就是弹簧的磨损问题，这都是在设计时需要重点考虑的地方……毕竟，没有任何的东西是绝对完美的，就像在汽车的造型设计和功能设计之间的妥协一样，但是没关系，只要符合大家的需求，适当的包容一下，也没毛病。

写到这儿，汽车NVH问题中的动力系统扭振就给大家简单分析完了，在我看来，最简单的原理指导最有效的设计，这才是工程研究的精髓。

本文gif视频源来自于网络

参考文献

[1]https://www.automobile-catalog.com/curve/2018/2602910/bmw_x3_xdrive30i.html.

[2]https://www.tdi-plc.com/wp-content/uploads/2012/12/FA20_clutch_kit_sports_150x100_300.jpg.

[3]http://www.freedawn.co.uk/scientia/wp-content/uploads/2015/04/clutch-plate-310.png.

[4]李伟. 汽车传动系用双质量飞轮的设计方法与扭振隔振特性研究[D]. 2009.

[5]陈志勇, 毛阳, 史文库, et al. 基于双质量飞轮的启停工况传动系扭振研究[J]. 北京理工大学学报, 2016, 36(1).

本文作者为踢车帮 杨仕祥