基于車輛起步抖動的摩擦副研究及性能提升

李明　顧書東　王丹

摘 要：針對與飛輪-離合器摩擦副相關的整車抖動現象，通過采用有限元理念對摩擦副的溫場特性進行研究，采用試驗的方法研究滑磨過程中摩擦片摩擦系數變化規律，同時結合大量NVH試驗數據統計出壓盤-飛輪摩擦面粗糙度與起步抖動的關系。采用整車起步NVH測試和主觀評價方法，評價不同摩擦副因素下整車的起步抖動性能，總結出摩擦副影響起步抖動的因素。

關鍵詞：摩擦副；溫場；摩擦副結構；摩擦系數；粗糙度；一階抖動

隨著社會經濟和汽車工業的發展，人們對汽車駕駛舒適性提出了更大的要求，通過不斷優化和發展新的離合器技術，同時匹配新的發動機和變速器技術，使駕駛樂趣、低油耗和舒適性更完美的結合在一起。由于結構簡單和經濟，在自然吸氣發動機上仍然大量采用單質量飛輪搭配離合器的技術。

車輛起步抖動是采用單質量飛輪搭配離合器技術車輛常見的故障現象，在汽車起步時，掛上低速檔，松開離合器踏板過程中，乘客在車內會感覺到明顯的抖動。微型汽車起步時產生抖動的原因很多，包括制造、安裝誤差、零件破損失效、操作保養不當等[1]。離合器和飛輪組成的摩擦副結構，在離合器滑磨過程中如果傳遞的摩擦力矩不穩定，會導致出現起步抖動問題。本文重點研究離合器-飛輪摩擦副結構影響起步抖動的因素，尋找起步抖動的解決方案，并進行主觀評價和客觀測量的驗證。

1 摩擦副性能研究

摩擦副性能的影響因素包括摩擦副結構和工況條件兩個方面[2]。摩擦副結構主要包括散熱結構和摩擦面的設計，本文研究摩擦面的設計。而工況主要是對摩擦系數的影響，工況包括溫度、工作載荷和相對滑動速度這3個工況條件，本文研究溫度對摩擦系數的影響規律。

1.1 摩擦副溫場的研究

離合器結合過程，在摩擦片與飛輪（離合器壓盤）轉速同步之前，飛輪（離合器壓盤）與摩擦片相對滑摩，滑摩功轉化成熱量，由于離合器本身結構以及在動力總成所處的位置，散熱受到限制，熱量累積導致摩擦副表面的溫度不斷提高。

1.1.1 摩擦副有限元模型的建立和計算

對離合器摩擦副進行有限元分析，在 CATIA中建立離合器壓盤、摩擦片模型并導入 ANSYS 對模型進行映射網格劃分。分析中選用 SOLID70單元進行熱分析。有限元邊界如圖1左圖所示。

為了研究離合起結合過程中最嚴苛的工況，我們按照爬坡工況進行參數設定，整車最大滿載質量1820KG，12%坡道，每次循環時間60s，其中離合器滑磨時間2.54s，總共20個循環。在上述邊界條件下，根據離合器所處的狀態對其加載并進行第1～20個循環的求解，考核在每次循環過程中摩擦片表面的最高溫度。

圖1右圖為20個循環后的溫度分布。可看出溫度呈明顯的梯度分布，壓盤和飛輪的溫度分布類似，摩擦片結合面徑向溫度在靠近內邊緣處達到最高 ，溫度向外邊緣逐漸降低。軸向上隨著離合器接合次數增加溫度逐漸由表面（接觸面）向背面、由邊緣向內部擴散。壓盤和飛輪內邊緣聚集的熱量最高，變形量最大。

1.1.2 摩擦副結構優化設計

根據溫場仿真結果，壓盤和飛輪的內邊緣較外邊緣變形量更大。如果壓盤和飛輪摩擦表面設計成內凹錐面，滑摩過程中飛輪和壓盤受熱變形后與摩擦片平面仍具有較好的幾何平行度，摩擦片的受力均勻，扭矩傳遞更平順。

一種現有的摩擦副結構采用內凹錐面壓盤和內凸錐面飛輪，壓盤和飛輪摩擦面錐度值分別定義為0.4%-0.6%和0.1%-0.3%。根據熱能公式Q=cmΔT，以滑摩過程中最大能量值為臨界點，將壓盤和飛輪材料的比熱容、密度、體積代入公式計算，0.4%-0.6%錐度的壓盤對應的飛輪錐度為0.18%-0.38%，兩者的摩擦面均為內凹錐面。

1.2 溫度對摩擦性能的影響

本文設計了一套整車熱能試驗規范，用于研究溫度對摩擦系數的影響規律。

1.2.1 熱能試驗規范

摩擦片摩擦系數與滑磨能量有關，我們設計了一套熱能試驗規范，離合器滑磨能量趨近于摩擦材料的衰退極限，以此研究高溫下摩擦片性能的變化規律，采用3種型號的摩擦片材料。熱能試驗分為5個階段，1階段是磨合工況，使零件達到較好的表面狀態，第2階段是低能量爬坡起步，離合器滑磨產生的熱量較低，第3階段是預熱，在平地進行低能量的起步，第4階段是高能量爬坡起步，離合器滑磨產生的熱量高，第5階段是低能量爬坡起步。

1.2.2 試驗數據分析

處理試驗數據得到摩擦系數、溫度、能量三者的變化曲線，圖2表現出3種摩擦材料摩擦系數隨溫度變化的趨勢一致，均隨溫度的升高呈現穩定-緩慢減小-急劇減小。在200°以內，摩擦系數隨著溫度升高波動較小，大致趨于穩定，從200°上升到300°，摩擦系數隨著溫度的升高緩慢減小，從300°到400°，摩擦系數隨著溫度的升高急劇減小。隨著溫度的升高，酚醛樹脂熱分解越來越劇烈，產生的液體及氣體相應增多，潤滑作用越來越明顯，因而摩擦系數急劇減小。

1.3 壓盤-飛輪摩擦面粗糙度的研究

根據摩擦機理，摩擦系數的穩定性受摩擦表面粗糙度影響，基于大量的離合器起步抖動NVH試驗的數據，統計出抖動敏感性與金屬摩擦面粗糙度的關系，數據分析發現，粗糙度Ra2.5-5.5摩擦面對抖動的敏感性最低，粗糙度Ra0.8-2.7和Ra8-9.5摩擦面對抖動敏感性更高。證明壓盤-飛輪摩擦面粗糙度會影響起步抖動性能，在第2章節我們會試驗驗證不同粗糙度對整車起步抖動的影響。

2 不同摩擦副因素下起步抖動性能的驗證

整車起步抖動試驗采用主觀評價和客觀測量相結合的手段。主觀評價采用10分制打分，客觀測量采用LMS 8通道振動噪聲采集系統，獲取發動機轉速、變速箱一軸轉速、前排座椅縱向加速度信號，采用FFT濾波和colar map彩圖分析起步過程中的一階抖動數據（摩擦副的幾何參數主要是影響起步過程中的一階抖動）。采用各種定義的摩擦副進行交叉試驗，試驗編號和摩擦副定義見表1。

試驗1、2和3，統計的前排座椅一階角加速度Vs主觀評價得分的散點圖，試驗2的起步抖動評價優于試驗1，試驗3的起步抖動評價優于試驗1，分別說明提高壓盤（飛輪）摩擦面的粗糙度和采用高溫下摩擦系數更穩定的摩擦片，有助于提高起步抖動性能。

試驗4、5、6和7，統計的前排座椅一階角加速度Vs主觀評價得分的散點可以得出，將飛輪由改為后，試驗5的起步抖動評價優于試驗7，試驗6的起步抖動評價優于試驗4，試驗5的起步抖動評價優于試驗4，分別說明內凸錐面更改為內凹錐面、提高飛輪摩擦面的粗糙度和大錐度摩擦面，有助于提升起步抖動性能。

3 解決方案

（1）在一定范圍內提高壓盤和飛輪摩擦面的粗糙度，可以提高離合器-飛輪摩擦副傳遞扭矩的穩定性，降低起步抖動；

（2）采用很寬的溫度范圍內摩擦系數更穩定的摩擦片，使離合器-飛輪摩擦副在其工作溫度范圍內摩擦性能保持穩定，降低起步抖動；

（3）優化離合器-飛輪摩擦副結構，設計內凹錐形匹配的壓盤和飛輪，使離合器滑磨過程中摩擦片的受力均勻，降低起步抖動。

參考文獻：

[1]徐石安，江發潮.汽車離合器（M）.北京：清華大學出版社，2005.

[2]溫詩鑄，黃平.摩擦學原理（M）.北京：清華大學出版，2002.