離合器從動盤性能對汽車起步抖動的影響研究

上官文斌 孫濤 鄭若元 謝劍云 王善南

摘要： 建立了摩擦離合器接合過程中傳動系統(tǒng)動力學(xué)特性分析的模型。建模中，考慮到離合器接合過程中存在的粘滑現(xiàn)象，對離合器黏著和滑動狀態(tài)下的摩擦力矩進行分析，得到了離合器接合過程中的摩擦力矩的計算模型。在進行模型的計算分析時，引入了Karnopp摩擦模型，實現(xiàn)了黏著和滑移狀態(tài)下，動力學(xué)方程的一致性。在已知發(fā)動機轉(zhuǎn)速時，計算分析了離合器過程中從動盤的角速度的與摩擦系數(shù)隨接合面相對滑移變化的關(guān)系。研究了離合器從動盤總成的扭轉(zhuǎn)剛度和波形片的軸向剛度對起步抖動的影響。針對兩款車存在的起步抖動問題，根據(jù)理論計算的結(jié)果，對這兩款車的離合器從動盤扭轉(zhuǎn)剛度和波形片軸向剛度進行了優(yōu)化，試驗結(jié)果表明：利用優(yōu)化的離合器從動盤的性能參數(shù)，兩款車的起步抖動問題有了較大的改善。關(guān)鍵詞： 離合器； 起步抖動； 扭轉(zhuǎn)特性； 軸向彈性； 抖動實驗

中圖分類號： U463.211； U462.3+2文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1004-4523（2016）03-0488-10

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.03.015

引言

汽車離合器由主動部分、從動部分，壓緊與分離機構(gòu)等組成，其中主動部分與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速的輸出端（飛輪）連接，從動部分與變速器的輸入軸相連，壓緊與分離機構(gòu)是使離合器的主動部分與從動部分結(jié)合或分離的裝置。離合器的從動部分包括從動盤、摩擦片等。主動部分與從動部分之間靠摩擦片的摩擦傳遞動力。汽車在起步的過程中，隨著離合器的逐步接合會產(chǎn)生一種低頻的抖動現(xiàn)象，其表現(xiàn)為車身的前后振動。這是離合器在滑磨階段，由于摩擦產(chǎn)生的自激振動，或者由于離合器的輸入輸出軸安裝誤差、或離合器摩擦面端面跳動大等引起的強迫振動[1]。這種摩擦振動嚴(yán)重影響了汽車的舒適性。

Christopher， Centea， Roger等對離合器接合過程中的自激振動進行了研究[24]，其中Christopher等[2]基于一摩擦振動試驗臺的模型，建立了2自由度的扭振模型，通過理論與試驗分析，認為摩擦系數(shù)與相對滑動速度的負梯度關(guān)系是導(dǎo)致系統(tǒng)自激振動的最大原因；Centea等[3]建立了8自由度的扭振模型，計算分析了摩擦系數(shù)與相對速度的關(guān)系、離合器接合速率對離合器抖動的影響。Roger[4]通過摩擦材料摩擦系數(shù)的試驗，得到了幾組摩擦特性不同的離合器樣件，在整車上試驗，測試結(jié)果表明具有負梯度特性的摩擦材料會使離合器在接合中產(chǎn)生較大的抖動。Albers，Sawanobori等[1，5]還對離合器接合過程中的強迫振動進行了研究，其中Albers[1]研究表明，強迫振動主要是離合器接合過程中壓緊力波動引起的，而壓緊力波動的原因是離合器中輸入輸出軸安裝不對中；Sawanobori等[5]則建立了壓緊力波動對離合器接合抖動影響的試驗臺，建立了該試驗臺的數(shù)學(xué)模型，通過計算和試驗論述離合器輸入、輸出軸安裝不對中時，對起步抖動的影響。上述研究工作主要是針對離合器接合抖動的機理展開，從機理角度不難找到抑制汽車起步抖動的方法：改善摩擦片摩擦性能、提高離合器零部件制造安裝精度。然而受摩擦材料發(fā)展以及成本的限制，此種改善方法效果十分有限。國內(nèi)研究中，上海交通大學(xué)的陳俐、張建武[67]等人研究了離合器接合過程中的抖動機理、雙離合器自動變速器在結(jié)合過程中動態(tài)特性的控制等。陳俐等[6]將摩擦系數(shù)與相對滑移速度的關(guān)系視為線性函數(shù)，分析了離合器結(jié)合過程中的抖動，提出了抑制抖動的壓力控制方法。張建武等[7]建立了離合器摩擦系數(shù)與接觸壓力、溫度和相對滑移速度的關(guān)系的模型，研究了雙離合器結(jié)合過程中的最優(yōu)控制。此外，重慶大學(xué)的胡明輝等[8]建立了2自由度模型，利用其他文獻上發(fā)表的摩擦系數(shù)與溫度的關(guān)系，研究了摩擦系數(shù)對機械變速器起步的影響。

基于調(diào)整離合器從動盤的性能參數(shù)，以降低離合器的滑磨過程中的自激振動，本文研究了離合器從動盤的扭轉(zhuǎn)剛度和軸向剛度對汽車起步抖動的影響。首先建立了離合器接合過程中，離合器及其傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型，模型中考慮了離合器從動盤的摩擦系數(shù)與接合面相對速度的變化關(guān)系，建立離合器在黏滑狀態(tài)下的摩擦力矩的計算模型?；诮⒌哪Ｐ?，分析了離合器從動盤扭轉(zhuǎn)剛度以及離合器從動盤波形片軸向剛度對起步抖動的影響。針對兩輛乘用車存在的起步抖動問題，根據(jù)理論計算的結(jié)果，對這兩輛車的離合器從動盤扭轉(zhuǎn)剛度和軸向剛度進行了優(yōu)化。裝車后的試驗表明，離合器參數(shù)調(diào)整后，兩輛車的起步抖動問題有了很大的改善，說明本文建立的模型和分析方法，可以用來計算與分析離合器從動盤結(jié)構(gòu)性能參數(shù)對整車抖動特性的影響。

5小結(jié)

（1） 建立了離合器接合過程汽車傳動系統(tǒng)動態(tài)特性分析的的四自由度模型，模型中考慮到了干摩擦離合器在接合過程中的黏滑特性，數(shù)值計算中引入了Karnopp摩擦模型，利用龍格庫塔法對建立的模型進行求解，得到了離合器接合過程中主、從動盤角速度振動情況。

（2） 基于建立的離合器接合過程的傳動系模型，分析了從動盤扭轉(zhuǎn)剛度和波形片軸向剛度對起步抖動的影響。從計算結(jié)果可知：離合器從動盤扭轉(zhuǎn)剛度的適當(dāng)增大，可以降低離合器接合過程中的振動，波形片軸向剛度的適當(dāng)減小，也可以很好地改善汽車起步抖動。

（3） 針對A、B兩輛車存在的起步抖動問題，根據(jù)文中理論分析結(jié)果，將A車離合器從動盤扭轉(zhuǎn)剛度加大，將B車的波形片軸向剛度調(diào)小，通過測試結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)離合器參數(shù)調(diào)整后A、B車的起步抖動有了很大的改善，說明文中關(guān)于起步抖動的理論計算對解決工程實際問題具有指導(dǎo)意義。

參考文獻：

[1]Albers A， Herbst D. ChatterCauses and Solutions[C]. 6th LUK Kolloquim.1998.

[2]Bostwick C C， Szadkowski A. Selfexcited vibrations during engagements of dry friction clutches[J]. SAE Technical Paper Series， No. 982846.

[3]Centea D， Rahnejat H， Menday M T. 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

[4]Ivan Roger， Scansani Gregori. Methodology to determine the clutch facing sensitivity regarding judder in the vehicle[J]. SAE Technical Paper，2010360501

[5]Sawanobori T， Suehiro K. An analysis of clutch judder[J]. SAE Technical Paper Series， No. 951318.

[6]陳俐，王昊松，習(xí)綱. 離合器接合過程抖振機理與控制研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報，2011，23（7）：1451—1457.

Chen Li， Wang Haosong， Xi Gang. Clutch engagement control based on stability analysis[J]. Journal of System Simulation， 2011，23（7）：1451—1457.

[7]Wu M X， Zhang J W， Lu T L， et al. Research on optimal control for dry dual-clutch engagement during launch[J]. I.Mech.E. Part D： Journal of Automobile Engineering， 2010， 224：749—763.

[8]胡明輝，王斐，謝紅軍，等. 摩擦系數(shù)對AMT起步的影響分析[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報，2013，36（50）：8—12.

Hu Minghui， Wang Fei， Xie Hongjun， et al. Analysis on the influence of friction coefficient on the starting control of automatic mechanical transmission[J].Journal of Chongqing University， 2013，36（50）：8—12.

[9]Ibrahim R A. Frictioninduced vibration， chatter， squeal， and chaos—Part I： Mechanics of contact and friction[J]. ASME Applied Mechanics Reviews，1994，47（7）：209—226.

[10]Ibrahim R A. Frictioninduced vibration， chatter， squeal， and chaos—Part II： Dynamics and modeling[J]. ASME Applied Mechanics Reviews，1994，47（7）：227—253.

[11]Crowther A， Zhang N， Liu D K， et al. Analysis and simulation of clutch engagement judder and stick-slip in automotive powertrain systems[J]. I. Mech. E. Part D： Journal of Automobile Engineering， 2004， 218： 1427—1446.

[12]Crowther A R， Zhang N. Torsional finite elements and nonlinear numerical modelling in vehicle powertrain dynamics[J]. Journal of Sound and Vibration， 2005， 284： 825—849.

[13]劉麗蘭，劉宏昭，吳子英，等. 機械系統(tǒng)中摩擦模型的研究進展[J]. 力學(xué)進展，2008，38（2）：201—213.

Liu Linan， Li Hongzhao， Wu Ziying， et al. An overview of friction models in mechanical systems[J]. Advances in Mechanics， 2008，38（2）：201—213.

[14]Karnopp D. Computer simulation of stick slip friction in mechanical dynamic systems[J]. ASME Journal of Dynamic Systems， Measurement and Control，1985，107：100—103.

[15]Dipl Ing， Paul Maucher. Clutch chatter[C]. 4th LUK Kolloquim.1990.

[16]Rabeih E M A， Crolla D A. Intelligent control of clutch judder and shunt phenomena in vehicle drivelines[J]. International Journal of Vehicle Design， 1996， 17（3）： 318—332.

[17]Ivan Scansani Gregori， Walter Haertel Jr. Judder based on Sub Scale Test Machine Concerning Facing[J]. SAE Technical Paper，2013011436.

[18]陳玉華. 離合器接合抖動的測試、分析與評價[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2013：47—57.