離合器設計參數對汽車起步振動的影響研究

陳權瑞,萬里翔,劉雪萊,王 波

（1.西南交通大學 機械工程學院，成都 610031；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510641）

離合器設計參數對汽車起步振動的影響研究

陳權瑞1,萬里翔1,劉雪萊2,王 波1

（1.西南交通大學 機械工程學院，成都 610031；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510641）

為了研究離合器設計參數對汽車起步振動性能的影響，建立包含摩擦式離合器的汽車傳動系非線性動力學模型。建模中，考慮離合器的摩擦和多級扭轉非線性特性。仿真得到汽車起步過程傳動系統的動力學響應，對起步過程離合器從動盤轉速進行時域和頻域分析，通過實車測試驗證所建立的模型的正確性。最后分析離合器從動盤性能參數對起步時產生的起步抖動和聳車兩種振動的影響，依據分析結果對離合器設計參數進行結構改進。結果表明：起步抖動和聳車分別發(fā)生在離合器接合和接合完成過程中，振動頻率分別等于接合完成前后系統的第1階固有頻率。分析離合器從動盤各特性參數對起步抖動和聳車的影響，并根據分析結果對離合器從動盤進行了調整，對比調整前后仿真和實車測試的結果發(fā)現，起步抖動和聳車均有所改善。

振動與波；起步抖動；聳車；離合器；從動盤特性參數

起步抖動(judder)和聳車(shuffle)是汽車起步階段兩種常見的NVH問題，嚴重的影響了汽車的舒適性。起步抖動是指在起步的過程中，隨著離合器的逐步接合產生的一種低頻的抖動現象，其表現為車身的前后振動，振動的頻率大概為5 Hz～20 Hz；聳車現象產生于起步階段離合器剛剛完成接合時，表現同樣為車身的前后振動，但頻率較低，一般為2 Hz～8 Hz，且振動幅度較起步抖動稍大。

汽車離合器是控制傳動系動力傳輸的關鍵部件，摩擦式離合器是最常見的離合器類型，其作用是控制傳動系動力的通斷，減少換擋沖擊，保證汽車平穩(wěn)起步。但在起步過程中，由于摩擦式離合器摩擦副的摩擦系數負梯度的存在，可能導致自激振動，從而引起起步抖動[1–2]；另外離合器輸入輸出軸的安裝誤差和摩擦端面的跳動導致的強迫振動，也可能引起起步抖動[1,3–4]，本文僅以自激激勵產生的起步抖動為研究對象。聳車通常是因為離合器接合時節(jié)氣門開度的變化或負載的變化激發(fā)了傳動系的第1階固有頻率，引發(fā)共振[5–8]。可見，離合器是汽車起步振動的一大激勵源，同時離合器從動盤總成包含有扭轉減振器，因此對起步振動又能起到衰減作用。

基于離合器的參數調整，以改善起步抖動（自激產生）和聳車現象為目標，建立了離合器接合過程中，離合器及其傳動系統動力學模型，模型中考慮了離合器從動盤的摩擦系數與接合面相對速度的變化關系，建立離合器在黏滑狀態(tài)下的摩擦力矩的計算模型以及包含多級扭轉力矩的扭轉特性模型。根據仿真結果，建立起步抖動和聳車的評價指標，并依據此指標對某問題車型離合器從動盤參數進行了優(yōu)化。裝車后的試驗表明離合器參數調整后，起步抖動和聳車均有改善，說明本文建立的模型和分析方法，可以用來計算與分析起步過程中離合器從動盤結構性能參數對整車抖動特性的影響。

1 離合器接合過程的動力學建模

為了研究汽車起步過程的起步抖動現象和聳車現象，分析影響參數,建立了包含離合器摩擦特性和扭轉非線性特性的六自由度動力學模型，如圖1所示。圖中各符號及其含義如表1所示。

圖1 離合器接合過程的傳動系統動力學模型

建立的模型中，由于離合器的主、從部分有干摩擦的存在，在離合器在接合過程中，主動盤和從動盤之間有粘著和滑動兩種狀態(tài)；另外，由于從動盤和從動盤轂之間存在多級扭轉減振器，離合器傳遞轉矩是非線性的。當離合器的主動部分與從動部分處于滑動狀態(tài)時，利用牛頓第二定律對圖1的動力學模型建立數學方程，并以矩陣的形式寫出

上式中J為系統慣量矩陣，C為系統阻尼矩陣，K為系統剛度矩陣，T為系統激勵向量

表1 動力學模型中符號及其含義

離合器在接合過程中，主動盤和從動盤之間通過摩擦副連接，其間存在摩擦力矩Tc，而離合器在接合的過程中存在粘著和滑動兩種狀態(tài)，這兩種狀態(tài)下摩擦力矩并不相同。在粘著狀態(tài)下，離合器傳遞的轉矩不大于最大靜摩擦力矩

式中F是作用在離合器摩擦面上的壓緊力，μ是離合器接合面的動摩擦系數，Rm是離合器的當量摩擦半徑[5]，z是摩擦面的個數，為主從動盤間的角速度差，sign為符號算子，表征摩擦力矩的方向。

摩擦系數梯度對整個離合器系統的接合過程會產生很大的影響，為了分析該系數對起步抖動和聳車的影響，對摩擦模型進行一個線性化的假設，將摩擦系數梯度考慮進去，即

μ′為摩擦系數梯度（可以為正、負或0），μ0為摩擦片靜摩擦系數，|v|為主從動盤間的速度差絕對值。將式(8)代入式(7)中，則摩擦力矩可寫成

圖2表示為包含不對稱過渡轉角的離合器扭轉非線性特性，即扭轉彈簧傳遞的力矩與干摩擦阻力矩的和Th隨δ(δ=θ1-θ1)的變化關系[8]。

圖2 離合器多級扭轉非線性特性

Th的計算公式為

上式中Φp1和Φp2分別是一級正、負向轉角。kc1和kc2分別是一、二級扭轉剛度。H1和H2為一、二級干摩擦阻力矩，σ為順滑因子。

2 起步振動仿真計算

現有一前置前驅手動擋車型,對該車進行了起步振動實車測試。首先對測試時整車坐標系進行定義，以振動輸入人體的點為原點，X向為縱向（即汽車行駛方向，車頭方向為正），Y向為橫向，Z向為垂向。加速度傳感器布置在駕駛員座椅導軌處，用來采集傳遞到駕駛員座椅上的振動加速度信號，在布置加速度傳感器時，要保證坐標系方向與整車坐標系一致。利用轉速傳感器分別采集飛輪和變速箱一軸兩處的轉速，布置轉速傳感器時，需要在變速箱上鉆孔并攻絲，然后將傳感器固定。測試工況為一擋起步，起步時發(fā)動機轉速為800 r/min左右。

利用LMS振動噪聲檢測設備采集傳感器數據，得到離合器接合過程中發(fā)動機、變速箱輸入軸轉速和車身縱向加速度振動曲線。結果如圖3所示。測試曲線表明，在離合器快要接合完成時，產生了比較明顯的起步抖動現象；接合完成后產生了較為嚴重的聳車現象。

利用該車的傳動系各部分轉動慣量、剛度、阻尼等參數（如表2）進行動態(tài)響應仿真分析和固有頻率計算。

圖3 實車測試結果

表2 模型計算參數

將動力學方程(1)表示成初值問題的形式

上式中

X為狀態(tài)向量，前六項依次為六自由度傳動系模型的六個慣量盤的角位移，后六項為依次為對應的角速度；X0為模型初值向量

X0表示系統初始位移均為0，發(fā)動機曲軸跟離合器主動部分的初始速度為800 r/min；A為系統的狀態(tài)矩陣，B為控制矩陣，U為輸入向量，分別為

運用4階龍格庫塔方法，利用表1中的輸入參數進行迭代求解。

上式中Xn和U|t=nh分別表示第n次迭代時（即t=nh時刻）系統的狀態(tài)向量和輸入向量，h為計算時的迭代步長，K1，K2，K3，K4分別為中間向量。

計算得到離合器接合過程中飛輪和變速箱一軸的轉速，車身縱向加速度，結果分別如圖4(a)、圖4(b)所示。將其與圖3中的實車試驗曲線進行對比，發(fā)現該模型仿真得到的曲線無論在幅值或波動頻率上都能與試驗較好地吻合，從而驗證了建模的準確性。

從圖4(a)可以看出，接合點之前振幅較小，頻率稍高，約為11Hz；接合點之后振幅較大，頻率稍低，約為3Hz。

由于起步抖動現象時出現在離合器接合過程中，因此在計算系統固頻的時候認為主、從動盤處于未接合狀態(tài)；而聳車現象是出現在離合器接合完成之后，因此在計算系統固有頻率的時候認為離合器主、從動盤處于接合狀態(tài)，即J2和J2合并為一個慣量。忽略系統阻尼，并令kc1=kc2。計算結果如表3、4所示。

根據計算結果可以看出，自激激勵產生的起步抖動的頻率為接合前系統的第1階非零固頻；聳車的頻率為接合后系統第1階非零固頻。

表3 接合前系統固有頻率

表4 接合后系統固有頻率

3 從動盤參數對起步振動的影響分析

離合器從動盤由從動盤本體、減振器、摩擦片、阻尼片等眾多零件構成，是離合器的主要連接部件。其中，摩擦片的性能參數決定了離合器的摩擦特性，扭轉彈簧和阻尼片的性能參數決定了離合器的扭轉特性。因此，研究的重點放在離合器從動盤性能參數對起步抖動和聳車的影響。

文獻[1]指出，起步抖動和聳車均為車身在前后方向的一種振動現象。一般而言，離合器從動盤振動越厲害，兩種現象越明顯。因此，在模型計算分析中，可利用離合器從動盤角速度的波動程度對起步抖動和聳車分別進行衡量。由于從動盤的轉速并非在基于一定值上下波動，而是呈上升趨勢，所以不能用振動標準差來衡量。利用最小二乘法進行分段多項式擬合，使擬合得到的回歸線P1，P2分別符合從動盤接合前、后的上升趨勢（如圖5），然后將轉速與回歸線的偏差平方和進行如式(11)、式(12)的計算，得到新的振動標準差

圖4 系統動態(tài)響應計算結果

上式中std1,std2分別為起步抖動和聳車的振動標準差，θ˙3(n)為計算中t=nh(h為仿真時間步長)時刻從動盤的角速度，jh為主、從動盤接合點，N為計算中從動盤角速度時間序列個數。由上式可知，從動盤的的角速度變化越大，從動盤角速度振動標準差就越大。

結合工程實際，并參考文獻[8]中的取值，確定本文中離合器從動盤參數的變化范圍如表5所示。

圖5 從動盤轉速回歸線

表5 離合器從動盤特性參數變化范圍

以std1,std2為評價指標，進行單一變量下的仿真分析。結果表明：減小摩擦系數負梯度、增大一級扭轉剛度、增大二級干摩擦阻力矩可以減小離合器接合前從動盤和變速箱一軸的轉速波動（即std1減?。纳破鸩蕉秳蝇F象；減小靜摩擦系數、減小一級和二級扭轉剛度、增大二級干摩擦阻力矩和一級正向轉角可以減小離合器接合后的從動盤及一軸轉速波動（即std2減?。?，從而改善聳車現象。

4 從動盤參數調整

根據第3節(jié)中從動盤各參數對起步振動的影響分析，對離合器從動盤總成進行調整以改善起步抖動和聳車現象。主要進行的調整為：減小二級扭轉剛度，增大二級干摩擦阻力矩，增大一級正向轉角。將調整前后的離合器從動盤總成分別命名為從動盤A和從動盤B。A、B參數對比如表6所示。

表6 離合器從動盤參數調整前后對比

圖6和表7分別為離合器調整前后動態(tài)響應計算結果對比和振動標準差對比，結果表明，抖動和聳車得到抑制。

表7 離合器參數調整前后振動標準差對比

將從動盤參數調整以后的離合器裝車，然后按第3節(jié)中的實車測試方法進行測試，測試結果如圖7所示。結果表明：基于仿真分析的離合器參數調整使該車在一檔起步時的抖動和聳車情況較之前均有較大的改善，與理論計算結果一致，本文的建模和計算方法得到了有效的驗證，同時也說明了文中的理論計算對解決工程實際問題具有很好的指導意義。

5 結語

(1)車輛起步過程中存在起步抖動和聳車兩種振動現象。利用集總質量法建立了離合器接合過程汽車傳動系統6自由度模型對二者進行了仿真分析，建模中考慮了離合器的摩擦特性和多級扭轉特性。

(2)對模型進行了動態(tài)響應計算和固有頻率計算，結果表明抖動（自激激勵產生）和聳車分別發(fā)生在接合過程和接合完成后，振動頻率分別等于系統接合前、后第1階非零固頻。

圖6 系統動態(tài)響應計算結果

圖7 離合器調整前后實車測試結果

(3)基于建立的離合器接合過程的傳動系模型，分析了從動盤性能對起步抖動和影響。分析結果表明：減小摩擦系數負梯度、增大一級扭轉剛度、增大二級干摩擦阻力矩可以改善起步抖動現象；減小靜摩擦系數、減小一級和二級扭轉剛度、增大二級干摩擦阻力矩和一級正向轉角可以改善聳車現象。

(4)針對文中的車型存在的起步振動問題，根據參數影響分析結果，對離合器從動盤參數進行調整：減小二級扭轉剛度，增大二級干摩擦阻力矩，增大一級正向轉角。通過仿真對比分析和實車測試對比分析，發(fā)現離合器從動盤參數調整后，起步抖動和聳車均有改善。

[1]ALBERS,D HERBST.Chatter-Causes and Solutions[R].1998,6 th LUK Kolloquim.

[2]D CENTEA,H RAHNEJAT,M T MENDAY.The influence of the interface coefficient of friction upon the propensity to judder in automotive clutches[J].I.Mech.E.Part D:Journal of Automobile Engineering,1999,213:245-358.

[3]T SAWANOBORI,K SUEHIRO.An analysis of clutch judder[J].SAE Technical Paper Series,No.951318.

[4]FARSHIDANFAR A,RAHNEJAT H,MENDAY M T.Low frequency torsional vibration of vehicular driveline systems in shuffle.Multi-body Dynamics Monitoring and Simulation Techniques[J]. London Professional Engineering Publishing,2000:269-282.

[5]J W BIERMANN,B HAGERODT.Investigation of the clonk phenomenon in vehicle transmissions-measurement,modeling and simulation[J].I.Mech.E.Par K:Journal of Multi-body Danamics,1999,213:53-59.

[6]J W Biermann,A Reita and T Schumacher.The clonk phenomenon—A load change reaction to be balanced in terms of comfort and engine response[J].International Journal ofAutomotive Technology,2000,1(1):56-60.

[7]任少云，孫承順，張建武.考慮齒隙影響的牽引車拖載起步時傳動系扭振瞬態(tài)響應分析[J].振動與沖擊，2004，23(3)：70-75.

[8]LIU X L,SHANGGUAN W B,JING X,et al.Vibration isolation analysis of clutches based on trouble shooting of vehicle accelerating noise[J].JournalofSound &Vibration,2016(382):84-99.

Study on the Influence of Clutch Design Parameters on Vehicle Starting Vibration

CHEN Quan-rui1,WAN Li-xiang1,LIU Xue-lai2,WANG Bo1
(1.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.School of Mechanical andAutomotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China)

In order to study the effect of clutch design parameters on the starting vibration performance of automobiles,a nonlinear dynamic model of vehicle transmission system with friction clutch is established.In the modeling,the nonlinearity characteristics of clutch friction and multi-stage torsion are considered.The dynamic response of vehicle starting process of the transmission system is obtained by simulation,and the rotating speed of the clutch driven disk in start process is analyzed in time and frequency domains.The correctness of the model is verified by a real car test.Finally,the influence of the clutch driven disk performance parameters on the starting judder and shuffle of the car is analyzed.The results show that the judder and the shuffle occur during clutch engagement and after the engagement respectively,and the vibration frequencies are equal to the first-order natural frequencies of the system before and after the engagement respectively.The clutch is adjusted based on the results of parameter analysis.The simulation and tests results show that the judder and shuffle are improved.

vibration and wave;judder;shuffle;clutch;characteristics of driven disc

U463.211

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.023

1006-1355(2017)05-0109-06

2017-03-16

陳權瑞(1992－)，男，湖南省益陽市人，碩士生，主要研究方向為汽車設計理論與方法、汽車振動噪聲控制。

萬里翔(1965－)，男，湖北省孝感市人，碩士生導師，主要研究方向為汽車設計理論與方法、汽車振動噪聲控制。

E-mail:wanlx@home.swjtu.edu.cn