关于车辆起步离合器半联动异响问题的研究

宁明志，朱新星，王小波

（上海汽车乘用车公司技术中心，上海 201804）

前言

随着发动机功率扭矩的不断提高，同时伴随汽车轻量化设计的不断推进，整车系统出现整体刚度降低、局部结构振动特征变化等情况，在传动系统的设计中，经常会遇到各种由此诱发的NVH问题[1][2]。因此，对该问题的分析和改进方案的提出，对于改善传动系统的设计具有重大意义。本文就以一款车型开发过程中遇到的实际问题为例，介绍一下 MT车辆半联动起步时NVH异响问题的处理。

1 起步半联动工况分析

1.1 半联动工况定义

即驾驶技术动作为部分踩下离合器的状态。半联动就是离合器介于离与合之间，传动系统介于联与不联之间的状态，它可以提供一种柔性的动力，在一些复杂路况以及起步、转弯和短距离跟进等会经常使用。离合器在半联动状态时，压盘与摩擦片的摩擦力小于完全接合状态。离合器压盘与飞轮上的摩擦片之间是滑动摩擦状态。飞轮的转速大于输出轴的转速，从飞轮传输出来的动力部分传递给变速箱。此时发动机与驱动轮之间相当于一种软连接状态。也就是说，车辆起步，我们将离合器踏板慢慢松开，动、静摩擦片实际是在不断的接近，当两者之间刚开始接触时，由于动、静摩擦片之间的摩擦力还很小，因此与发动机相连的静摩擦片还无法带动动摩擦片旋转，随着我们的脚的抬起，带动摩擦片更紧的与静摩擦片接触，摩擦力也越来越大，最终把动摩擦片慢慢地带动旋转起来。由于“半联动”的存在，汽车就可以慢慢的平缓的起步了。[3]

1.2 异响产生机理

离合器半联动异响产生机理：主要为离合系统接合过程中，传动系统内部受迫振动，当激振频率接近系统固有频率从而引起共振现象。[4][5]

激励源：离合器结合过程中，随着结合位置变化，发动机输出端阻力矩变化，引起发动机扭矩波动。

被激励物：变速箱输入轴总成，离合器从动盘，离合器压盘。

整个激振的过程参见图1：

图1 半联动异响产生机理

（1）变速箱输入轴的弯曲振动频率

离合器从动盘与变速箱输入轴通过花键配合连接，在离合器接合过程中，其固有的弯曲振动频率基本保持不变（接合过程中，从动盘面压的变化对其固有频率影响轻微）。对于普通乘用车，此固有频率大体在250～400Hz，本例中，整车的频率范围在300～350Hz，仿真从动盘系统的固有频率在336Hz附近，正好处于危险频率带。

（2）离合器压盘的振动频率

离合器结合过程中，由于膜片簧和从动盘面压的刚度随行程变化是非线性的，这造成在接合过程中，振动频率范围变化很大。

（3）结合的过程中激起变速箱输入轴（或加上从动盘系统）共振

在离合器结合过程中，若离合器的振动频率与变速箱输入轴的固有频率出现交叠时，容易导致共振产生，则会导致半联动时的异响。

2 影响半联动异响系统特性分析

基于以上原理的分析，我们对离合器系统进行建模和结构模态分析。对离合器这种存在摩擦和振动的系统，产生共振和异响的原因可能有以下几种：

（1）系统安装或者产品存在不对中的情况，导致离合器结合过程异响——模拟对中度从动盘倾斜 1°情况下的系统振动情况；

（2）离合器结合过程中，压盘和从动盘在轴向可以看成单自由度刚度-质量系统。在结合过程中，该系统的频率随着结合力改变，如果该频率与从动盘的结构模态比较接近，可能会引起共振，产生异响——模拟离合器从动盘和压盘在结合传扭过程中的频率曲线；

（3）离合器半联动过程存在静摩擦、动摩擦的转换，当摩擦盘在半联动时，如果摩擦系数曲线产生了“负斜率”特性可能会引发摩擦自激振，使得从动盘持续共振，产生异响。（鉴于目前对比各厂家的离合器材料的性能情况对比，目前采用的离合器材料优化空间有限，故此次不作为分析的重点。）

下面，我们就对系统进行简化建模和有限元分析。

2.1 系统建模

离合器结合过程，压盘和从动盘受到膜片弹簧的变化的力。这个过程压盘和从动盘可以看成单自由度的刚度-质量系统。如下图2所示，计算结合过程系统的频率，并与从动盘的结构模态进行比较。[6][7][8][9]

图2 离合系统示意图

图2所示系统的系统振动频率方程可由下式确定：

离合器系统频率计算。

2.2 系统有限元分析

针对系统进行有限元分析，相关仿真参数设定如下表1：

表1 离合器仿真参数设定

分析结果如下图：

（1）偏置1°离合器的对比结果见图3。

图3 对中&偏置离合器受激振动模拟

（2）离合器振型情况见下表2。

表2 离合器从动盘系统模态分析

（3）同时，将整个简化系统的半联动传扭过程进行仿真，得到下图4结果：

图4 改善前系统半联动过程仿真

从分析结果可以发现：

a.偏置离合器系统的激励情况是正常情况的10倍；

b.离合系统共振以轴向振动为主；

c.离合器模态偏低，系统接合过程中频率都有较大比例存在于共振带附近；

d.在问题区域（300-350Hz）内的从动盘和压盘频率比较贴近，容易发生激励。

3 改进方案及匹配试验

根据上文的分析情况，确定了2种离合器方案，并进行匹配验证[10]，见下表3。

表3 改进措施

针对上述方案，进行有限元分析，结论见下图5。

从仿真图中可以明显看到，增加从动片刚度的零件，可以明显提高系统在结合过程中的频率特性，避开了从动盘的固有频率带。

图5 改善后半联动系统过程仿真

结合上述方案，制作样件并进行实车测试，半联动异响情况消失，至此，问题解决。

4 总结

（1）建立了发动机飞轮—压盘—从动盘—变速箱输入轴的模型。模型中将飞轮简化为刚体，离合器简化为单自由度的刚体-质量系统等。在整车半联动结合过程的系统不稳定情况下，利用建立的模型，可以求出离合器压盘、从动盘的振动情况。

（2）建立了离合器在一定频率带范围内的振动优化模型，利用优化的模型，可以优化离合器的刚度和模态，指导零件和系统的设计。

（3）对安装优化前后离合器的汽车，对其半联动异响情况进行了实测。结果表明，安装优化的离合器后，发动机舱变速器侧的噪声明显降低，表明本文建立的优化模型和计算方法，对改善半联动异响具有指导意义。

[1] 王梦晨.汽车离合器异响的故障诊断分析[J].内燃机与配件;2017年9期.

[2] 朱思捷.离合器传递扭矩不均引起变速箱异响的试验研究[J].合肥学院学报.2017年2期.

[3] 陈权瑞,万里翔,刘雪莱,王波.离合器设计参数对汽车起步振动的影响研究[J].噪声与振动控制.2017年7期.

[4] 施一敏,伊广德,何东伟.摩擦式离合器接合过程中抖动及稳定性研究[J].机电一体化.2013年7期.

[5] 綦有为,陈漫,陈飞.离合器摩擦副实际接触面积模型研究[J].广西大学学报(自然科学版).2016年6期.

[6] 刘欣,张凯,丁殿磊,刘元杰.膜片弹簧离合器分离特性的分析计算与仿真[J].研究与开发;2016年4期.

[7] 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[J].传动技术.2013年6期.

[8] 何波,张志刚,石晓辉,袁立华.离合器波形弹簧载荷—变形特性仿真分析[J].机械设计与制造.2016年3期.

[9] 万里翔,陈浩,刘雪莱,侯秋丰,于洋,上官文斌.离合器压盘热变形与应力分析方法及其应用木[J].汽车工程.2016年11期.

[10] 孟爱华,王兴德;离合器舒适性检测方法研究[J].机电工程.2011年5期.