离合器波形片特性对机械变速器乘用车起步颤振影响的研究

陈 达 何维廉

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

0 前言

随着对车辆高舒适度日益要求提高，车辆起步行驶中，颤振现象愈加被重视。车辆在起步过程中，当离合器正常结合时整车出现明显的颤振，造成较差的驾驶舒适度。整车颤振实测如图1所示，整车加速度颤动实测如图2所示。

图1 问题车辆颤动实测曲线Fig.1 Measurement of the speed vibration on the vehicle

图2 问题车辆整车加速度曲线图Fig.2 Measurement of acceleration in the vehicle

图1中，横坐标表示时间，单位为秒（s），纵坐标表示转速，单位为rpm，黑色曲线表示发动机转速曲线。红色曲线表示变速箱转速曲线。图2中，横坐标表示时间，单位为秒（s），纵坐标表示整车加速度，单位为mm/s2。由图可知问题车辆变速箱转速波动严重，整车加速度振幅达到350mm/s2。主观感受整车颤振明显。为了改善车辆驾驶舒适度，必须改善车辆起步颤振现象［1］。

车辆颤振现象主要由离合器传递扭矩波动引起，而离合器传递扭矩波动的主要因素之一就是从动盘波形片在离合器结合时不平稳［2］，如图3所示。

图3 离合器颤振结构简化图Fig.3 Structure model for clutch set

经实测发现，问题车辆的离合器波形片特性较差，如图4。

图4 问题车辆波形片实测分析Fig.4 Analysis for the cushion segment

图中，横坐标表示轴向压缩量，纵坐标表示压紧力。曲线1表示问题车辆波形片的实测曲线，曲线2表示在波形片理论设计中理想的特性曲线。其主要参数如表1，波形片的理想特性曲线相对平缓，且轴向压缩量较大，相同的轴向压缩量下，理想曲线压紧力较小［3－4］。

表1 问题车辆实测参数Table1 Parameters for the vehicle

本文主要研究从动盘波形片结构变化对整车颤振的影响。首先，对离合器从动盘进行分析，建立波形片振动模型，然后具体分析波形片结构变化对于车辆颤振的影响，并提出相应的改善措施，实测验证。

1 模型建立

1.1 建立模型

扭矩传递是由压盘压紧从动盘，通过从动盘摩擦片接触产生摩擦力，传递发动机扭矩至变速箱及整车。离合器从动盘根据设计的不同［5］，主要由摩擦片，波形片，压缩弹簧，弹簧保持架，盖板，轮毂，膜片弹簧等组成，如图5。

图5 从动盘结构图Fig.5 Structure for disc

在释放整车离合器踏板时，压盘对从动盘的压紧力逐渐增加，波形片由自由状态逐渐变成压紧状态，同时波形片传递的扭矩相应增加。由此，建立波形片振动模型［6－8］，如图6。

图6 波形片振动模型Fig.6 Model for cushion segment vibration

2 波形片结构变化分析

2.1 增大波形片短波高度

增大波形片短波高度进行仿真振动模拟［9］。问题车辆的短波高度为0.7mm，由此逐次增加，分别至0.9mm和1.2mm，其仿真曲线如图7。图中，蓝色曲线表示短波高度为0.9mm的曲线，黑色曲线表示短波高度为1.2mm的曲线。由此，对仿真曲线进行分析，得参数如表2。

图7 增加波形片短波高度仿真曲线Fig.7 Simulation with increased short wave height of cushion segment

表2 增加波形片短波高度Table2 Influence for short wave height of cushion segment

由仿真得出，增加波形片短波高度后，轴向压缩量的变化量较小，曲线斜率有略微增大，0.1mm轴向压缩量对应的压紧力略微增大。由此可知，增大波形片的短波高度对波形片特性的影响较小。

2.2 增大波形片主波高度和过度半径

对增加波形片主波高度进行仿真振动模拟［10］。问题车辆的主波高度及过度半径为1.45mm/0，1.45mm表示主波高度，0表示过度半径为0。由此逐次增加，分别至1.55mm/0.1mm 和1.65mm/0.2mm，其改进原理如图8，仿真曲线如图9。

图中，红色曲线表示1.55mm/0.1mm主波高度曲线，绿色曲线表示1.65mm/0.2mm主波高度曲线。由此对仿真曲线进行分析，得参数如表3。

图8 增加波形片主波高度和过度半径原理图Fig.8

图9 增加波形片主波高度和过度半径仿真曲线Fig.9

由仿真得出，增加波形片主波高度和过度半径后，轴向压缩量明显增大，曲线斜率明显减小［11］，0.1mm轴向压缩量对应的压紧力明显减小。由此可知，增大波形片的主波高度和过度半径对波形片特性的影响较大。

2.3 增大波形片段宽

对增加波形片段宽进行仿真振动模拟。问题车辆的段宽81mm。由此逐次增加，分别至83mm 86 mm，仿真曲线如图10。

图中，黑色曲线表示83mm段宽波形片曲线，棕色曲线表示86mm波形片曲线。由此对仿真曲线进行分析，得参数如表4。

表3 增加波形片主波高度和过度半径Table3 Increase main wave height ＆transition radius

图10 增大波形片段宽仿真曲线Fig.10 Simulation for increasing segment width

表4 增加波形片段宽Table4 Increase segment width

由仿真得出，增加波形片主波高度和过度半径后，轴向压缩量几乎无变化，曲线斜率略有减小，0.1 mm轴向压缩量对应的压紧力明显减小。由此可知，增大波形片段宽只对轴向压紧力有影响。

3 实测

基于上述仿真研究，在同等条件下，对使用增大波形片主波高度的车辆与问题车辆进行实测对标，测得曲线如图11。

分析实测曲线，可得以下参数，如表5。

实测显示，增大波形片主波高度后，轴向压缩量明显增大，波形片曲线相对问题车辆明显平缓［12］，在0.3～0.4mm的轴向压缩量对应的压紧力降低很多。

由此，在同等条件下，对安装改进波形片的整车颤振进行实际测量，如图12、13。

由图可知，通过增大波形片主波高度后，整车的颤振明显减小，整车加速度幅度降低至200mm/s2。经上述分析得，通过增大波形片的主波高度能够明显的改善车辆的颤振现象。

图11 增大波形片主波高度车辆与问题车辆实测对标Fig.11 Comparison between original and increased main wave height

表5 主波高度增大实测对标

图12 增大波形片主波高度实测整车颤振曲线Fig.12 Judder measurement on the vehicle with increased main wave height

4 结论

（1）整车颤振主要产生在起步时，其主要原因之一就是波形片设计曲线不合理。通过改善波形片结构参数能够改善整车的颤振问题。

图13 增大波形片主波高度实测整车加速度曲线Fig.13 acceleration measurement on the vehicle with increased main wave height

（2）通过改善波形片的短波高度对波形片的特性几乎没有影响。通过增大段宽只对0.3～0.4 mm轴向压缩力有明显的改善，所以此措施并不能完全的改善波形片特性。

（3）由仿真分析及实测对标可知，通过增大波形片的主波高度能够明显的改善整车的颤振问题。通过理论和实际验证表明，增大波形片的主波高度措施能够较容易的实施。

［1］ 丰敦文，赵大永.汽车离合器维修技术探讨.汽车维修，2010，10：14－15.

［2］ 袁智军，周然杰.摩擦因数对微型汽车起步抖动影响的研究.机械制造，2009，47（7）：80－82.

［3］ 何承恩，刘晓文.基于某在产车型转向系统抖动大的问题解决措施.企业科技与发展，2013，9：22－25.

［4］ 赵治国，仇江海.DCT车辆起步及换挡过程双离合器H∞鲁棒控制.中国机械工程，2012，23（6）：745－751.

［5］ 李亮，贾钢.汽车动力学稳定性控制研究进展.机械工程学报，2013，49（24）：95－107.

［6］ Heckmann，A.A brake model with thermoelastic disc for the analysis of vehicle judder vibrations.In：Vehicle System Dynamics.2006，44（1）：360－367.

［7］ Duan，C，Singh，R.Analysis of the vehicle brake judder problem by employing a simplified source－path－receiver model.In：Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D：Journal of Automobile Engineering.2011，225（2）：141－149.

［8］ Hussain，K，Yang，S H.A study of commercial vehicle brake judder transmission using multi－body dynamic analysis.In：Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part K：Journal of Multi－body Dynamics.2007 ，221（2）：311－318.

［9］ Chen，S M，Wang，D F.Brake judder analysis using a car rigid－flexible coupling model.In：Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D：Journal of Automobile Engineering.2012 ，226（3）：348－361.

［10］ 张驰，胡应存，梁宝钱.汽车离合器高强度波形片成形回弹数值模拟及模具优化.重庆理工大学学报，2012，26（1）：17－21 .

［11］ 王志良.桑塔纳轿车离合器波形片断裂分析.汽车技术，1993，8：49－50.

［12］ 姜彦，鲁统利.从动盘波形弹簧片对干式离合器扭矩传递的影响分析.传动技术，2013，2：7－11.

［13］ 张铁山，赵金磊.模态分析和拓扑优化在专用车离合器零件设计中的应用.专用汽车，2007，12：31－33.