車輛起步抖動(dòng)影響因素仿真研究*

羅森僑，朱 鵬，冷鴻彬

（1.四川城市職業(yè)學(xué)院汽車工程系，四川 成都 610000；2.成都市簡(jiǎn)陽(yáng)空天產(chǎn)業(yè)功能區(qū)管委會(huì)，四川 成都 641400）

汽車在起步時(shí)，盡管緩抬離合器踏板、輕踩油門踏板或不踩油門踏板，此時(shí)離合器處于黏滑階段，汽車并不能平穩(wěn)起步前進(jìn)，而是在前進(jìn)的過(guò)程中整車有前后方向的振動(dòng)[1]。車外人員能夠觀察到汽車輪胎的抖動(dòng)，抖動(dòng)從方向盤、車廂地板和座椅等途徑傳遞到駕乘人員身體，使駕乘人員感受到不適的震顫感覺(jué)，同時(shí)可能伴隨有噪聲。離合器接合時(shí)仍會(huì)出現(xiàn)全車振動(dòng)，使車輛不能平穩(wěn)起步。汽車起步抖動(dòng)不但會(huì)降低駕乘人員乘坐舒適性，而且會(huì)加速相關(guān)零部件的老化和疲勞破壞，縮短零部件的使用壽命[2]。同時(shí)，起步抖動(dòng)增加了缺乏經(jīng)驗(yàn)的駕駛員誤操作的可能，影響到汽車行駛安全性。因此，起步抖動(dòng)應(yīng)該及時(shí)予以排除。綜上，起步抖動(dòng)客觀上主要表現(xiàn)為汽車前后方向的振動(dòng)；主觀上主要表現(xiàn)為駕乘人員的一種不適的震顫感，并可能伴隨有噪聲的產(chǎn)生。

1 起步抖動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，車輛起步抖動(dòng)主要表現(xiàn)為起步時(shí)車身的縱向振動(dòng)[3]。因此，可根據(jù)座椅導(dǎo)軌處縱向振動(dòng)加速度指標(biāo)對(duì)起步抖動(dòng)程度（起步抖動(dòng)沖擊度和起步抖動(dòng)持續(xù)度）進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]。

車身縱向振動(dòng)加速度指標(biāo)——N2-idx（N2-index）。該指標(biāo)意為在車輛起步過(guò)程中，整個(gè)離合器接合時(shí)間段內(nèi)瞬時(shí)加速度值大于N2-idx指標(biāo)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)不超過(guò)結(jié)合時(shí)間內(nèi)總數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)的2%（例如，離合器接合時(shí)間為3 s，采樣頻率為500 Hz，則3 s內(nèi)大于N2-idx的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)不超過(guò)30個(gè)），這樣做的好處在于可以避免由于試驗(yàn)過(guò)程中瞬時(shí)峰值過(guò)大帶來(lái)的干擾。該指標(biāo)可用于評(píng)價(jià)車輛起步抖動(dòng)的沖擊程度。

2 影響因素貢獻(xiàn)度分析

影響車輛起步抖動(dòng)的子系統(tǒng)有發(fā)動(dòng)機(jī)、飛輪、離合器、變速器、傳動(dòng)軸、主減速器、驅(qū)動(dòng)半軸、車輪和懸架等，并且每個(gè)子系統(tǒng)對(duì)于起步抖動(dòng)的影響還可繼續(xù)往下細(xì)分，最終可分至車輛結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，亦為影響車輛起步抖動(dòng)的根源。鑒于影響車輛起步抖動(dòng)的因素眾多，且不同因素對(duì)起步抖動(dòng)的貢獻(xiàn)度不同，因此需要對(duì)影響因素進(jìn)行“篩選”，此處所述的“篩選”即為影響貢獻(xiàn)度分析。基于此，可對(duì)車輛起步抖動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行揭示，同時(shí)在工程實(shí)際中對(duì)減輕車輛起步抖動(dòng)提供參考。

根據(jù)江淮M4車型參數(shù)一檔起步進(jìn)行起步抖動(dòng)仿真分析，結(jié)果如圖1所示。針對(duì)江淮M4車型進(jìn)行起步抖動(dòng)N2-idx指標(biāo)影響因素貢獻(xiàn)度分析，結(jié)果如圖2所示，圖中豎直紅線為影響因素貢獻(xiàn)度5%標(biāo)尺。

圖1 江淮M4車型一檔起步抖動(dòng)仿真分析結(jié)果

由圖2可知，離合器摩擦片靜摩擦系數(shù)μ0、離合器壓盤壓緊力幅值F對(duì)于起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)提升貢獻(xiàn)相對(duì)最大，離合器摩擦片外徑Ro、內(nèi)徑Ri貢獻(xiàn)次之。即離合器摩擦片靜摩擦系數(shù)μ0、離合器壓盤壓緊力幅值F、離合器摩擦片外徑Ro、內(nèi)徑Ri取值越大，起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)越大[4]。另外，驅(qū)動(dòng)半軸扭轉(zhuǎn)剛度k6、驅(qū)動(dòng)半軸、差速器及簧下質(zhì)量等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J7對(duì)于起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)降低貢獻(xiàn)相對(duì)最大，即驅(qū)動(dòng)半軸扭轉(zhuǎn)剛度k6、驅(qū)動(dòng)半軸、差速器及簧下質(zhì)量等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J7取值越大，起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)越小。故減小離合器摩擦片靜摩擦系數(shù)μ0、離合器壓盤壓緊力幅值F、離合器摩擦片外徑Ro、內(nèi)徑Ri取值，同時(shí)增大驅(qū)動(dòng)半軸、差速器及簧下質(zhì)量等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J7、驅(qū)動(dòng)半軸扭轉(zhuǎn)剛度k6取值可在一定程度上降低起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)，即可降低車輛起步過(guò)程中抖動(dòng)沖擊度。

圖2 江淮M4一檔起步抖動(dòng)影響因素貢獻(xiàn)度分析結(jié)果

3 影響因素

由圖2可知，對(duì)于起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)提升貢獻(xiàn)度大于5%的影響因素有離合器摩擦片靜摩擦系數(shù)μ0、離合器壓盤壓緊力幅值F、離合器摩擦片外徑Ro、內(nèi)徑Ri；對(duì)于起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)降低貢獻(xiàn)度大于5%的影響因素有驅(qū)動(dòng)半軸扭轉(zhuǎn)剛度k6、驅(qū)動(dòng)半軸、差速器及簧下質(zhì)量等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J7。其他影響因素對(duì)于起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)提升或降低貢獻(xiàn)度均遠(yuǎn)小于5%。所以，本研究對(duì)于起步抖動(dòng)影響因素僅分析對(duì)車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)貢獻(xiàn)度大于5%的影響因素。

3.1 離合器摩擦片靜摩擦系數(shù)μ0

由圖1仿真分析結(jié)果可知，車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)為1.185 1 m/s2，離合器摩擦片靜摩擦系數(shù)μ0對(duì)于起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)提升貢獻(xiàn)度最大。故減小離合器摩擦片靜摩擦系數(shù)μ0取值可大幅降低起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)。因此，對(duì)離合器摩擦片靜摩擦系數(shù)μ0取值進(jìn)行調(diào)整：取值由0.226減小至0.222，調(diào)整離合器摩擦片靜摩擦系數(shù)μ0取值后仿真結(jié)果如圖3所示，車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)已降為1.058 5 m/s2。

圖3 調(diào)整μ0取值后仿真分析結(jié)果

3.2 離合器壓盤壓緊力幅值F

由圖1仿真分析結(jié)果可知，車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)為1.185 1 m/s2，離合器壓盤壓緊力幅值F對(duì)于起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)提升貢獻(xiàn)度第二大。故減小離合器壓盤壓緊力幅值F取值亦可較大幅度降低起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)。因此，對(duì)離合器壓盤壓緊力幅值F取值進(jìn)行調(diào)整：取值由700 N減小至690 N，調(diào)整離合器壓盤壓緊力幅值F取值后仿真結(jié)果如圖4所示，車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)已降為1.081 2 m/s2。

圖4 調(diào)整F取值后仿真分析結(jié)果

3.3 離合器摩擦片外徑Ro、內(nèi)徑Ri

由圖1仿真分析結(jié)果可知，車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)為1.185 1 m/s2，離合器摩擦片外徑Ro、內(nèi)徑Ri對(duì)于起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)提升貢獻(xiàn)度較大。故減小離合器摩擦片外徑Ro、內(nèi)徑Ri取值亦可在一定程度上降低起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)。因此，對(duì)離合器摩擦片外徑Ro、內(nèi)徑Ri取值進(jìn)行調(diào)整：Ro由0.22 m減小至0.218 m；Ri由0.15 m減小至0.149 m；調(diào)整離合器摩擦片外徑Ro、內(nèi)徑Ri取值后仿真結(jié)果如圖5所示，車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)已降為1.126 2 m/s2。由此可看出同時(shí)單獨(dú)微調(diào)對(duì)于起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)提升貢獻(xiàn)度較大的影響因素取值，貢獻(xiàn)度越大的因素對(duì)于車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)的改善程度就越大，說(shuō)明車輛起步抖動(dòng)影響因素貢獻(xiàn)度分析是切實(shí)可行的。

圖5 調(diào)整Ro、Ri取值后仿真分析結(jié)果

3.4 驅(qū)動(dòng)半軸扭轉(zhuǎn)剛度k6

由圖1仿真分析結(jié)果可知，車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)為1.185 1 m/s2，驅(qū)動(dòng)半軸扭轉(zhuǎn)剛度k6對(duì)于起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)降低貢獻(xiàn)度最大。故增大驅(qū)動(dòng)半軸扭轉(zhuǎn)剛度k6取值可較大程度上降低起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)半軸扭轉(zhuǎn)剛度k6取值進(jìn)行調(diào)整：由13 850 Nm/rad增大至18 850 Nm/rad；；調(diào)整驅(qū)動(dòng)半軸扭轉(zhuǎn)剛度k6取值后仿真結(jié)果如圖6所示，車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)已降為1.064 6 m/s2。

圖6 調(diào)整k6取值后仿真分析結(jié)果

3.5 驅(qū)動(dòng)半軸、差速器及簧下質(zhì)量等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J7

由圖1仿真分析結(jié)果可知，車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)為1.185 1 m/s2，驅(qū)動(dòng)半軸、差速器及簧下質(zhì)量等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J7對(duì)于起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)降低貢獻(xiàn)度較大。故增大驅(qū)動(dòng)半軸、差速器及簧下質(zhì)量等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J7取值可在一定程度上降低起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)半軸、差速器及簧下質(zhì)量等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J7取值進(jìn)行調(diào)整：由25 kg·m2增大至30 kg·m2；調(diào)整驅(qū)動(dòng)半軸、差速器及簧下質(zhì)量等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J7取值后仿真結(jié)果如圖7所示，車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)已降為1.092 m/s2。

圖7 調(diào)整J7取值后仿真分析結(jié)果

3.6 影響因素綜合分析

由圖1仿真分析結(jié)果可知，車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)為1.185 1 m/s2。離合器摩擦片靜摩擦系數(shù)μ0、離合器壓盤壓緊力幅值F對(duì)于起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)提升貢獻(xiàn)相對(duì)最大，離合器摩擦片外徑Ro、內(nèi)徑Ri貢獻(xiàn)次之。另外，驅(qū)動(dòng)半軸扭轉(zhuǎn)剛度k6、驅(qū)動(dòng)半軸、差速器及簧下質(zhì)量等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J7對(duì)于起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)降低貢獻(xiàn)相對(duì)最大。故減小離合器摩擦片靜摩擦系數(shù)μ0、離合器壓盤壓緊力幅值F、離合器摩擦片外徑Ro、內(nèi)徑Ri取值，同時(shí)增大驅(qū)動(dòng)半軸、差速器及簧下質(zhì)量等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J7、驅(qū)動(dòng)半軸扭轉(zhuǎn)剛度k6取值可大大降低起步抖動(dòng)過(guò)程中車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)，即可大大降低車輛起步過(guò)程中抖動(dòng)沖擊度。因此，同時(shí)對(duì)上述6個(gè)參數(shù)進(jìn)行如下調(diào)整：

1）離合器摩擦片靜摩擦系數(shù)μ0由0.226減小至0.222；

2）離合器壓盤壓緊力F由700 N減小至690 N；

3）離合器摩擦片外徑Ro由0.220 m減小至0.218 m；

4）離合器摩擦片內(nèi)徑Ri由0.150 m減小至0.149 m；

5）驅(qū)動(dòng)半軸扭轉(zhuǎn)剛度k6由13 850 Nm/rad增大至18 850 Nm/rad；

6）驅(qū)動(dòng)半軸、差速器及簧下質(zhì)量等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J7由25 kg·m2增大至30 kg·m2。

同時(shí)調(diào)整上述6個(gè)參數(shù)取值后仿真結(jié)果如圖8所示，車身縱向振動(dòng)加速度N2-idx指標(biāo)已大幅降低至0.724 3 m/s2。表明由影響因素貢獻(xiàn)度分析結(jié)果所指導(dǎo)的參數(shù)調(diào)整方案是切實(shí)有效的。

圖8 同時(shí)調(diào)整6個(gè)參數(shù)取值后仿真分析結(jié)果

4 總結(jié)

本研究通過(guò)影響因素貢獻(xiàn)度分析可知，離合器摩擦片靜摩擦系數(shù)μ0、離合器壓盤壓緊力幅值F、離合器摩擦片外徑Ro、內(nèi)徑Ri、驅(qū)動(dòng)半軸扭轉(zhuǎn)剛度k6、驅(qū)動(dòng)半軸、差速器及簧下質(zhì)量等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J7對(duì)起步抖動(dòng)的影響相對(duì)最大，而這些因素中部分參數(shù)對(duì)離合器摩擦力影響較大，從而可能引發(fā)系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)。最后，根據(jù)影響因素貢獻(xiàn)度分析結(jié)果對(duì)相應(yīng)參數(shù)取值作出調(diào)整，從而達(dá)到手動(dòng)檔汽車起步抖動(dòng)的整改目的。