离合器设计参数对汽车起步振动的影响研究

陈权瑞,万里翔,刘雪莱,王 波

（1.西南交通大学 机械工程学院，成都 610031；2.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510641）

离合器设计参数对汽车起步振动的影响研究

陈权瑞1,万里翔1,刘雪莱2,王 波1

（1.西南交通大学 机械工程学院，成都 610031；2.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510641）

为了研究离合器设计参数对汽车起步振动性能的影响，建立包含摩擦式离合器的汽车传动系非线性动力学模型。建模中，考虑离合器的摩擦和多级扭转非线性特性。仿真得到汽车起步过程传动系统的动力学响应，对起步过程离合器从动盘转速进行时域和频域分析，通过实车测试验证所建立的模型的正确性。最后分析离合器从动盘性能参数对起步时产生的起步抖动和耸车两种振动的影响，依据分析结果对离合器设计参数进行结构改进。结果表明：起步抖动和耸车分别发生在离合器接合和接合完成过程中，振动频率分别等于接合完成前后系统的第1阶固有频率。分析离合器从动盘各特性参数对起步抖动和耸车的影响，并根据分析结果对离合器从动盘进行了调整，对比调整前后仿真和实车测试的结果发现，起步抖动和耸车均有所改善。

振动与波；起步抖动；耸车；离合器；从动盘特性参数

起步抖动(judder)和耸车(shuffle)是汽车起步阶段两种常见的NVH问题，严重的影响了汽车的舒适性。起步抖动是指在起步的过程中，随着离合器的逐步接合产生的一种低频的抖动现象，其表现为车身的前后振动，振动的频率大概为5 Hz～20 Hz；耸车现象产生于起步阶段离合器刚刚完成接合时，表现同样为车身的前后振动，但频率较低，一般为2 Hz～8 Hz，且振动幅度较起步抖动稍大。

汽车离合器是控制传动系动力传输的关键部件，摩擦式离合器是最常见的离合器类型，其作用是控制传动系动力的通断，减少换挡冲击，保证汽车平稳起步。但在起步过程中，由于摩擦式离合器摩擦副的摩擦系数负梯度的存在，可能导致自激振动，从而引起起步抖动[1–2]；另外离合器输入输出轴的安装误差和摩擦端面的跳动导致的强迫振动，也可能引起起步抖动[1,3–4]，本文仅以自激激励产生的起步抖动为研究对象。耸车通常是因为离合器接合时节气门开度的变化或负载的变化激发了传动系的第1阶固有频率，引发共振[5–8]。可见，离合器是汽车起步振动的一大激励源，同时离合器从动盘总成包含有扭转减振器，因此对起步振动又能起到衰减作用。

基于离合器的参数调整，以改善起步抖动（自激产生）和耸车现象为目标，建立了离合器接合过程中，离合器及其传动系统动力学模型，模型中考虑了离合器从动盘的摩擦系数与接合面相对速度的变化关系，建立离合器在黏滑状态下的摩擦力矩的计算模型以及包含多级扭转力矩的扭转特性模型。根据仿真结果，建立起步抖动和耸车的评价指标，并依据此指标对某问题车型离合器从动盘参数进行了优化。装车后的试验表明离合器参数调整后，起步抖动和耸车均有改善，说明本文建立的模型和分析方法，可以用来计算与分析起步过程中离合器从动盘结构性能参数对整车抖动特性的影响。

1 离合器接合过程的动力学建模

为了研究汽车起步过程的起步抖动现象和耸车现象，分析影响参数,建立了包含离合器摩擦特性和扭转非线性特性的六自由度动力学模型，如图1所示。图中各符号及其含义如表1所示。

图1 离合器接合过程的传动系统动力学模型

建立的模型中，由于离合器的主、从部分有干摩擦的存在，在离合器在接合过程中，主动盘和从动盘之间有粘着和滑动两种状态；另外，由于从动盘和从动盘毂之间存在多级扭转减振器，离合器传递转矩是非线性的。当离合器的主动部分与从动部分处于滑动状态时，利用牛顿第二定律对图1的动力学模型建立数学方程，并以矩阵的形式写出

上式中J为系统惯量矩阵，C为系统阻尼矩阵，K为系统刚度矩阵，T为系统激励向量

表1 动力学模型中符号及其含义

离合器在接合过程中，主动盘和从动盘之间通过摩擦副连接，其间存在摩擦力矩Tc，而离合器在接合的过程中存在粘着和滑动两种状态，这两种状态下摩擦力矩并不相同。在粘着状态下，离合器传递的转矩不大于最大静摩擦力矩

式中F是作用在离合器摩擦面上的压紧力，μ是离合器接合面的动摩擦系数，Rm是离合器的当量摩擦半径[5]，z是摩擦面的个数，为主从动盘间的角速度差，sign为符号算子，表征摩擦力矩的方向。

摩擦系数梯度对整个离合器系统的接合过程会产生很大的影响，为了分析该系数对起步抖动和耸车的影响，对摩擦模型进行一个线性化的假设，将摩擦系数梯度考虑进去，即

μ′为摩擦系数梯度（可以为正、负或0），μ0为摩擦片静摩擦系数，|v|为主从动盘间的速度差绝对值。将式(8)代入式(7)中，则摩擦力矩可写成

图2表示为包含不对称过渡转角的离合器扭转非线性特性，即扭转弹簧传递的力矩与干摩擦阻力矩的和Th随δ(δ=θ1-θ1)的变化关系[8]。

图2 离合器多级扭转非线性特性

Th的计算公式为

上式中Φp1和Φp2分别是一级正、负向转角。kc1和kc2分别是一、二级扭转刚度。H1和H2为一、二级干摩擦阻力矩，σ为顺滑因子。

2 起步振动仿真计算

现有一前置前驱手动挡车型,对该车进行了起步振动实车测试。首先对测试时整车坐标系进行定义，以振动输入人体的点为原点，X向为纵向（即汽车行驶方向，车头方向为正），Y向为横向，Z向为垂向。加速度传感器布置在驾驶员座椅导轨处，用来采集传递到驾驶员座椅上的振动加速度信号，在布置加速度传感器时，要保证坐标系方向与整车坐标系一致。利用转速传感器分别采集飞轮和变速箱一轴两处的转速，布置转速传感器时，需要在变速箱上钻孔并攻丝，然后将传感器固定。测试工况为一挡起步，起步时发动机转速为800 r/min左右。

利用LMS振动噪声检测设备采集传感器数据，得到离合器接合过程中发动机、变速箱输入轴转速和车身纵向加速度振动曲线。结果如图3所示。测试曲线表明，在离合器快要接合完成时，产生了比较明显的起步抖动现象；接合完成后产生了较为严重的耸车现象。

利用该车的传动系各部分转动惯量、刚度、阻尼等参数（如表2）进行动态响应仿真分析和固有频率计算。

图3 实车测试结果

表2 模型计算参数

将动力学方程(1)表示成初值问题的形式

上式中

X为状态向量，前六项依次为六自由度传动系模型的六个惯量盘的角位移，后六项为依次为对应的角速度；X0为模型初值向量

X0表示系统初始位移均为0，发动机曲轴跟离合器主动部分的初始速度为800 r/min；A为系统的状态矩阵，B为控制矩阵，U为输入向量，分别为

运用4阶龙格库塔方法，利用表1中的输入参数进行迭代求解。

上式中Xn和U|t=nh分别表示第n次迭代时（即t=nh时刻）系统的状态向量和输入向量，h为计算时的迭代步长，K1，K2，K3，K4分别为中间向量。

计算得到离合器接合过程中飞轮和变速箱一轴的转速，车身纵向加速度，结果分别如图4(a)、图4(b)所示。将其与图3中的实车试验曲线进行对比，发现该模型仿真得到的曲线无论在幅值或波动频率上都能与试验较好地吻合，从而验证了建模的准确性。

从图4(a)可以看出，接合点之前振幅较小，频率稍高，约为11Hz；接合点之后振幅较大，频率稍低，约为3Hz。

由于起步抖动现象时出现在离合器接合过程中，因此在计算系统固频的时候认为主、从动盘处于未接合状态；而耸车现象是出现在离合器接合完成之后，因此在计算系统固有频率的时候认为离合器主、从动盘处于接合状态，即J2和J2合并为一个惯量。忽略系统阻尼，并令kc1=kc2。计算结果如表3、4所示。

根据计算结果可以看出，自激激励产生的起步抖动的频率为接合前系统的第1阶非零固频；耸车的频率为接合后系统第1阶非零固频。

表3 接合前系统固有频率

表4 接合后系统固有频率

3 从动盘参数对起步振动的影响分析

离合器从动盘由从动盘本体、减振器、摩擦片、阻尼片等众多零件构成，是离合器的主要连接部件。其中，摩擦片的性能参数决定了离合器的摩擦特性，扭转弹簧和阻尼片的性能参数决定了离合器的扭转特性。因此，研究的重点放在离合器从动盘性能参数对起步抖动和耸车的影响。

文献[1]指出，起步抖动和耸车均为车身在前后方向的一种振动现象。一般而言，离合器从动盘振动越厉害，两种现象越明显。因此，在模型计算分析中，可利用离合器从动盘角速度的波动程度对起步抖动和耸车分别进行衡量。由于从动盘的转速并非在基于一定值上下波动，而是呈上升趋势，所以不能用振动标准差来衡量。利用最小二乘法进行分段多项式拟合，使拟合得到的回归线P1，P2分别符合从动盘接合前、后的上升趋势（如图5），然后将转速与回归线的偏差平方和进行如式(11)、式(12)的计算，得到新的振动标准差

图4 系统动态响应计算结果

上式中std1,std2分别为起步抖动和耸车的振动标准差，θ˙3(n)为计算中t=nh(h为仿真时间步长)时刻从动盘的角速度，jh为主、从动盘接合点，N为计算中从动盘角速度时间序列个数。由上式可知，从动盘的的角速度变化越大，从动盘角速度振动标准差就越大。

结合工程实际，并参考文献[8]中的取值，确定本文中离合器从动盘参数的变化范围如表5所示。

图5 从动盘转速回归线

表5 离合器从动盘特性参数变化范围

以std1,std2为评价指标，进行单一变量下的仿真分析。结果表明：减小摩擦系数负梯度、增大一级扭转刚度、增大二级干摩擦阻力矩可以减小离合器接合前从动盘和变速箱一轴的转速波动（即std1减小），改善起步抖动现象；减小静摩擦系数、减小一级和二级扭转刚度、增大二级干摩擦阻力矩和一级正向转角可以减小离合器接合后的从动盘及一轴转速波动（即std2减小），从而改善耸车现象。

4 从动盘参数调整

根据第3节中从动盘各参数对起步振动的影响分析，对离合器从动盘总成进行调整以改善起步抖动和耸车现象。主要进行的调整为：减小二级扭转刚度，增大二级干摩擦阻力矩，增大一级正向转角。将调整前后的离合器从动盘总成分别命名为从动盘A和从动盘B。A、B参数对比如表6所示。

表6 离合器从动盘参数调整前后对比

图6和表7分别为离合器调整前后动态响应计算结果对比和振动标准差对比，结果表明，抖动和耸车得到抑制。

表7 离合器参数调整前后振动标准差对比

将从动盘参数调整以后的离合器装车，然后按第3节中的实车测试方法进行测试，测试结果如图7所示。结果表明：基于仿真分析的离合器参数调整使该车在一档起步时的抖动和耸车情况较之前均有较大的改善，与理论计算结果一致，本文的建模和计算方法得到了有效的验证，同时也说明了文中的理论计算对解决工程实际问题具有很好的指导意义。

5 结语

(1)车辆起步过程中存在起步抖动和耸车两种振动现象。利用集总质量法建立了离合器接合过程汽车传动系统6自由度模型对二者进行了仿真分析，建模中考虑了离合器的摩擦特性和多级扭转特性。

(2)对模型进行了动态响应计算和固有频率计算，结果表明抖动（自激激励产生）和耸车分别发生在接合过程和接合完成后，振动频率分别等于系统接合前、后第1阶非零固频。

图6 系统动态响应计算结果

图7 离合器调整前后实车测试结果

(3)基于建立的离合器接合过程的传动系模型，分析了从动盘性能对起步抖动和影响。分析结果表明：减小摩擦系数负梯度、增大一级扭转刚度、增大二级干摩擦阻力矩可以改善起步抖动现象；减小静摩擦系数、减小一级和二级扭转刚度、增大二级干摩擦阻力矩和一级正向转角可以改善耸车现象。

(4)针对文中的车型存在的起步振动问题，根据参数影响分析结果，对离合器从动盘参数进行调整：减小二级扭转刚度，增大二级干摩擦阻力矩，增大一级正向转角。通过仿真对比分析和实车测试对比分析，发现离合器从动盘参数调整后，起步抖动和耸车均有改善。

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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

陈权瑞(1992－)，男，湖南省益阳市人，硕士生，主要研究方向为汽车设计理论与方法、汽车振动噪声控制。

万里翔(1965－)，男，湖北省孝感市人，硕士生导师，主要研究方向为汽车设计理论与方法、汽车振动噪声控制。

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