離合器自激振動(dòng)的起步顫振作用機(jī)理分析

沈周行，李鵬忠

（同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092）

0 引 言

對(duì)于在歐洲上市的某型緊湊型乘用車（1.2L發(fā)動(dòng)機(jī)、59 kW），由于在潮濕和低溫的環(huán)境下車輛起動(dòng)時(shí)存在顫振。

汽車起步顫振是指在離合器結(jié)合過程中，由汽車傳動(dòng)系中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)所引起，頻率范圍在 5～20 Hz內(nèi)，車輛在水平行駛方向產(chǎn)生的振動(dòng)，這種現(xiàn)象往往發(fā)生在汽車起動(dòng)的過程中[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部爆燃造成的振動(dòng)通過發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和傳動(dòng)系統(tǒng)兩條路徑傳遞，最后以噪聲和振動(dòng)的方式被汽車駕駛員和乘客感知。在動(dòng)力系統(tǒng)中，安裝在飛輪和變速器中間的離合器總成（包括離合器壓盤、離合器從動(dòng)盤和分離軸承）對(duì)汽車起動(dòng)顫振的影響最大。

汽車起步顫振中，與離合器相關(guān)的有4種典型分類：

（1）離合器自激勵(lì)振動(dòng)；

（2）由于離合器部件制造偏差造成的尺寸偏差引起的離合器振動(dòng)；

（3）離合器從動(dòng)盤的波形片力學(xué)特性非線性，造成離合器振動(dòng)；

（4）汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸軸向沖擊傳遞到離合器蓋或傳動(dòng)片等部件，引起離合器的共振[2]。

為了分析起步顫振的原因，進(jìn)一步找出解決的方法，進(jìn)行了起步顫振試驗(yàn)。

1 車輛起步顫振試驗(yàn)

由于起步顫振的問題來自用戶的抱怨，而且車輛起步顫振的原因存在一定復(fù)雜性，不能通過用戶的描述得出結(jié)論。為了探究車輛起步顫振的來源，同時(shí)也為了確定車輛動(dòng)力總成的阻尼和車輛對(duì)于顫振的靈敏度，安排下述試驗(yàn)。

1.1 車輛參數(shù)和車輛零件

表1 被測(cè)車輛的參數(shù)

1.2 試驗(yàn)過程

（1）在安裝原有傳動(dòng)軸的條件下，掛1擋測(cè)試車輛顫振（車況為冷車）；

（2）換裝匹配1.4 L發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)軸，掛1擋測(cè)試車輛顫振（車況為冷車）；

（3）測(cè)試和評(píng)價(jià)車輛動(dòng)力總成的阻尼；

（4）在測(cè)試臺(tái)架上測(cè)試3種零件：①離合器總成；②新的離合器總成；③三套離合器返回件。

1.3 車輛試驗(yàn)

1.3.1 帶有原裝傳動(dòng)軸的顫振試驗(yàn)

顫振試驗(yàn)在平地上進(jìn)行。在試驗(yàn)之前車輛被放置于冷藏倉內(nèi)冷卻到-2°C。測(cè)量的參數(shù)分別為：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；變速器轉(zhuǎn)速，車輛在縱向的加速度（加速度傳感器安裝在駕駛員座椅位置）；離合器殼中的溫度。在最初的幾次起動(dòng)過程中，明顯感覺到了車輛的顫振，主觀評(píng)價(jià)指數(shù)5，見圖1。當(dāng)離合器溫度逐漸升高，車輛的顫振漸漸變小，并逐漸消失。

在圖2中，可以看到顫振的頻率分析，在車輛顫振發(fā)生過程中，其頻率一直保持在9.5 Hz，與發(fā)動(dòng)機(jī)的1階頻率、變速器的1階頻率和兩者速度差的1階頻率都沒有聯(lián)系，所以這種顫振可以被判定為自激勵(lì)顫振。9.5 Hz的顫振與處于1擋位置的開環(huán)動(dòng)力總成的1階頻率相符合。

除了自激勵(lì)顫振之外，車輛起動(dòng)的過程中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)速度下降到500～600 r/min時(shí)，可以感受到16～20 Hz的顫振，見圖3，主觀評(píng)價(jià)指數(shù) 4。這種振動(dòng)并不是由離合器引起，是由汽車前懸掛的共振引起。在車輛滿載情況下快速地分離離合器，可以測(cè)量出車輛前懸掛的固有頻率為 19 Hz，如圖 4。所以車輛起動(dòng)時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸降低到 500～600 r/min，車輛前輪懸掛會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)第二點(diǎn)火次序中被激勵(lì)振動(dòng)，同時(shí)車輛會(huì)以16～20 Hz的頻率振動(dòng)。

來自客戶的抱怨應(yīng)該是自激勵(lì)顫振（9.5Hz）和 16～20Hz的振動(dòng)的結(jié)合。由于這兩種振動(dòng)在冷車和潮濕的環(huán)境下同時(shí)出現(xiàn)，一般駕駛員很難區(qū)別。

1.3.2 使用匹配1.4L發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)軸顫振測(cè)試

在相同情況下，使用與1.4L發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配的傳動(dòng)軸做顫振試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與使用原裝傳動(dòng)軸的結(jié)果相比，顫振并沒有明顯的改善，如圖 5。

1.4 動(dòng)力總成的阻尼計(jì)算

動(dòng)力總成的阻尼可以通過在車輛滿載的情況下，1擋擋位踩離合器，發(fā)動(dòng)汽車，快速地分離離合器得到結(jié)果，如圖6。

最后確定的動(dòng)力總成的阻尼為0.04Nms。與市場上被測(cè)試過的車輛相比（平均值為0.071），這個(gè)阻尼系數(shù)偏低。

1.5 車輛顫振敏感度

車輛顫振敏感系數(shù)是指在顫振的頻率范圍內(nèi)，車輛顫振的傳遞特性，可以用公式（3）計(jì)算：

其中，Kreson為動(dòng)力總成在顫振頻率時(shí)的振動(dòng)放大系數(shù)； Kvehicle為車輛本身的物理振動(dòng)特性；Kb為傳動(dòng)系統(tǒng)中在顫振頻率范圍內(nèi)，理論計(jì)算的車輛振動(dòng)和實(shí)際測(cè)量到的車輛振動(dòng)之間的比值。

通過公式（3）～（6）可以計(jì)算出車輛的顫振感應(yīng)敏感度。

與市場上測(cè)試過的車輛相比（平均值為0.52），此車型的顫振敏感度明顯偏高。

1.6 試驗(yàn)結(jié)論

（1）在低溫環(huán)境下（-2°C～3°C），車輛起步時(shí)出現(xiàn)自激勵(lì)顫振，主觀評(píng)價(jià)為 5。自激勵(lì)顫振的頻率大概為9.5 Hz，相當(dāng)于車輛起動(dòng)時(shí)處于1擋傳動(dòng)系統(tǒng)的第1階固有頻率。

（2）除了9.5Hz左右的自激勵(lì)顫振，在車輛起動(dòng)時(shí)還感受到了16～20 Hz的振動(dòng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從怠速降到500～600 r/min時(shí)，車輛顫振的程度降到 4。這個(gè)頻率范圍的顫振實(shí)際上是發(fā)動(dòng)機(jī)在第二點(diǎn)火次序時(shí)前輪懸掛的自然振動(dòng)。

（3）來自客戶的抱怨是離合器里的自激勵(lì)顫振（9.5 Hz）和車輛前懸掛的振動(dòng)（16～20 Hz）。由于這兩種振動(dòng)差不多同時(shí)出現(xiàn)，對(duì)于一般的駕駛者來說難以發(fā)現(xiàn)。

（4）換裝用于配備 1.4 L發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)軸后，顫振的情況并沒有好轉(zhuǎn)。

（5）經(jīng)過測(cè)量，車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的阻尼約為0.04 Nms，阻尼偏小。經(jīng)計(jì)算，車輛顫振感應(yīng)系數(shù)為0.78，這是一個(gè)重要的車輛顫振傳遞特性（車輛的顫振感應(yīng)系數(shù)越小，車輛對(duì)于顫振的感應(yīng)程度越?。?。

（6）在顫振臺(tái)架上，在車輛原裝件的顫振試驗(yàn)中，離合器在潮濕和低溫環(huán)境下出現(xiàn)了明顯的自激勵(lì)顫振，同時(shí)臺(tái)架試驗(yàn)也驗(yàn)證了整車試驗(yàn)的結(jié)論。

綜上所述，此車型的起步顫振主要來自于離合器的自激勵(lì)振動(dòng)，這是離合器在結(jié)合過程中離合器壓盤和離合器從動(dòng)盤之間滑摩激勵(lì)所造成的振動(dòng)。

2 離合器結(jié)合過程動(dòng)力學(xué)建模

當(dāng)汽車起動(dòng)結(jié)合離合器的過程中，離合器壓盤向離合器從動(dòng)盤逐漸壓緊，開始接觸并開始傳遞轉(zhuǎn)矩。在此過程中，離合器壓盤和離合器從動(dòng)盤之間存在相對(duì)滑移，此滑移的速度隨著離合器壓緊力的逐漸增大而逐漸變小，最后離合器從動(dòng)盤和壓盤的速度一致，并傳遞轉(zhuǎn)矩。

為方便分析，將發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)簡化為一個(gè)4自由度的動(dòng)力學(xué)模型[3]，如圖7所示。

根據(jù)模型，離合器在結(jié)合過程中汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)公式為：

式中：

Je為車輛動(dòng)力總成中離合器之前的部件如飛輪、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等部件的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，θe為其相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角；

Jc1為離合器蓋和離合器壓盤的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，θc1為其相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角；

Jc2為離合器從動(dòng)盤的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，θc2為其相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角；

Jv為車輛動(dòng)力總成中離合器之后的傳動(dòng)系轉(zhuǎn)換到變速箱輸入軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，θv為其相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角；

cv，cc1，cc2，ce為各自相對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)黏性系數(shù)；

Te為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，Tv為道路阻力等效到變速箱輸入軸的轉(zhuǎn)矩，Tc為離合器壓盤和離合器從動(dòng)盤表面之間傳遞的轉(zhuǎn)矩。

kec和 kev為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和變速箱輸入軸的等效剛度。

μ為離合器壓盤和從動(dòng)盤之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，z為摩擦面的個(gè)數(shù)，F(xiàn)為作用在離合器壓盤和從動(dòng)盤上的正應(yīng)力，Rm為離合器當(dāng)量摩擦半徑。

當(dāng)離合器壓盤和離合器從動(dòng)盤之間的滑移速度為 0，即離合器完全結(jié)合，兩者轉(zhuǎn)動(dòng)速度一致時(shí)，此時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)公式為

3 離合器自激勵(lì)振動(dòng)

離合器接合面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ不是恒定值，除了與材料參數(shù)有關(guān)外，還與摩擦面的相對(duì)角速度（ θc1?θc2）有關(guān)。

設(shè)在離合器接合過程中，正壓力F恒定，并以離合器從動(dòng)盤作為研究對(duì)象，根據(jù)式（7）和式（9），得

將式（16）代入式（15），并忽略 2次以上的高次項(xiàng)，得

從式（11）可以得到，當(dāng)

即當(dāng)

時(shí)，出現(xiàn)負(fù)阻尼，根據(jù)非線性振動(dòng)理論[4]，負(fù)阻尼將導(dǎo)致離合器從動(dòng)盤產(chǎn)生自激振動(dòng)，引起離合器抖動(dòng)。

4 結(jié) 論

通過試驗(yàn)和結(jié)果分析可以得出結(jié)論：此車型的起步顫振主要來自汽車離合器的自激勵(lì)振動(dòng)，同時(shí)，由于車輛動(dòng)力總成的阻尼系數(shù)偏低，且車輛的顫振敏感度較高，間接加劇了車輛起步時(shí)的顫振。

對(duì)于離合器結(jié)合過程的建模和離合器自激勵(lì)過程的分析，可以得到結(jié)論: 當(dāng)離合器從動(dòng)盤和離合器壓盤之間的摩擦系數(shù)變化率低于某數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)阻尼，從而產(chǎn)生自激勵(lì)振動(dòng)，使離合器抖動(dòng)，造成車輛起步顫振。

根據(jù)對(duì)離合器自激勵(lì)振動(dòng)的分析，增大離合器摩擦片的摩擦系數(shù)，即選用有高靜摩擦系數(shù)的摩擦材料，可以有效縮短離合器結(jié)合的時(shí)間，提高結(jié)合品質(zhì)，并有效地減小離合器振動(dòng)。

同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)也可以得知，通過加大變速器輸入軸的剛度，或者提高離合器蓋的剛度，可以減少離合器結(jié)合過程中壓緊力的波動(dòng)，優(yōu)化離合器振動(dòng)的問題[5]。

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