沈周行，李鵬忠

（同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092）

0 引 言

對于在歐洲上市的某型緊湊型乘用車（1.2L發(fā)動機(jī)、59 kW），由于在潮濕和低溫的環(huán)境下車輛起動時存在顫振。

汽車起步顫振是指在離合器結(jié)合過程中，由汽車傳動系中轉(zhuǎn)矩波動所引起，頻率范圍在 5～20 Hz內(nèi)，車輛在水平行駛方向產(chǎn)生的振動，這種現(xiàn)象往往發(fā)生在汽車起動的過程中[1]。

發(fā)動機(jī)內(nèi)部爆燃造成的振動通過發(fā)動機(jī)懸置和傳動系統(tǒng)兩條路徑傳遞，最后以噪聲和振動的方式被汽車駕駛員和乘客感知。在動力系統(tǒng)中，安裝在飛輪和變速器中間的離合器總成（包括離合器壓盤、離合器從動盤和分離軸承）對汽車起動顫振的影響最大。

汽車起步顫振中，與離合器相關(guān)的有4種典型分類：

（1）離合器自激勵振動；

（2）由于離合器部件制造偏差造成的尺寸偏差引起的離合器振動；

（3）離合器從動盤的波形片力學(xué)特性非線性，造成離合器振動；

（4）汽車發(fā)動機(jī)的曲軸軸向沖擊傳遞到離合器蓋或傳動片等部件，引起離合器的共振[2]。

為了分析起步顫振的原因，進(jìn)一步找出解決的方法，進(jìn)行了起步顫振試驗。

1 車輛起步顫振試驗

由于起步顫振的問題來自用戶的抱怨，而且車輛起步顫振的原因存在一定復(fù)雜性，不能通過用戶的描述得出結(jié)論。為了探究車輛起步顫振的來源，同時也為了確定車輛動力總成的阻尼和車輛對于顫振的靈敏度，安排下述試驗。

1.1 車輛參數(shù)和車輛零件

表1 被測車輛的參數(shù)

1.2 試驗過程

（1）在安裝原有傳動軸的條件下，掛1擋測試車輛顫振（車況為冷車）；

（2）換裝匹配1.4 L發(fā)動機(jī)的傳動軸，掛1擋測試車輛顫振（車況為冷車）；

（3）測試和評價車輛動力總成的阻尼；

（4）在測試臺架上測試3種零件：①離合器總成；②新的離合器總成；③三套離合器返回件。

1.3 車輛試驗

1.3.1 帶有原裝傳動軸的顫振試驗

顫振試驗在平地上進(jìn)行。在試驗之前車輛被放置于冷藏倉內(nèi)冷卻到-2°C。測量的參數(shù)分別為：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；變速器轉(zhuǎn)速，車輛在縱向的加速度（加速度傳感器安裝在駕駛員座椅位置）；離合器殼中的溫度。在最初的幾次起動過程中，明顯感覺到了車輛的顫振，主觀評價指數(shù)5，見圖1。當(dāng)離合器溫度逐漸升高，車輛的顫振漸漸變小，并逐漸消失。

在圖2中，可以看到顫振的頻率分析，在車輛顫振發(fā)生過程中，其頻率一直保持在9.5 Hz，與發(fā)動機(jī)的1階頻率、變速器的1階頻率和兩者速度差的1階頻率都沒有聯(lián)系，所以這種顫振可以被判定為自激勵顫振。9.5 Hz的顫振與處于1擋位置的開環(huán)動力總成的1階頻率相符合。

除了自激勵顫振之外，車輛起動的過程中，當(dāng)發(fā)動機(jī)速度下降到500～600 r/min時，可以感受到16～20 Hz的顫振，見圖3，主觀評價指數(shù) 4。這種振動并不是由離合器引起，是由汽車前懸掛的共振引起。在車輛滿載情況下快速地分離離合器，可以測量出車輛前懸掛的固有頻率為 19 Hz，如圖 4。所以車輛起動時，當(dāng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸降低到 500～600 r/min，車輛前輪懸掛會在發(fā)動機(jī)第二點火次序中被激勵振動，同時車輛會以16～20 Hz的頻率振動。

來自客戶的抱怨應(yīng)該是自激勵顫振（9.5Hz）和 16～20Hz的振動的結(jié)合。由于這兩種振動在冷車和潮濕的環(huán)境下同時出現(xiàn)，一般駕駛員很難區(qū)別。

1.3.2 使用匹配1.4L發(fā)動機(jī)的傳動軸顫振測試

在相同情況下，使用與1.4L發(fā)動機(jī)相匹配的傳動軸做顫振試驗，試驗結(jié)果與使用原裝傳動軸的結(jié)果相比，顫振并沒有明顯的改善，如圖 5。

1.4 動力總成的阻尼計算

動力總成的阻尼可以通過在車輛滿載的情況下，1擋擋位踩離合器，發(fā)動汽車，快速地分離離合器得到結(jié)果，如圖6。

最后確定的動力總成的阻尼為0.04Nms。與市場上被測試過的車輛相比（平均值為0.071），這個阻尼系數(shù)偏低。

1.5 車輛顫振敏感度

車輛顫振敏感系數(shù)是指在顫振的頻率范圍內(nèi)，車輛顫振的傳遞特性，可以用公式（3）計算：

其中，Kreson為動力總成在顫振頻率時的振動放大系數(shù)； Kvehicle為車輛本身的物理振動特性；Kb為傳動系統(tǒng)中在顫振頻率范圍內(nèi)，理論計算的車輛振動和實際測量到的車輛振動之間的比值。

通過公式（3）～（6）可以計算出車輛的顫振感應(yīng)敏感度。

與市場上測試過的車輛相比（平均值為0.52），此車型的顫振敏感度明顯偏高。

1.6 試驗結(jié)論

（1）在低溫環(huán)境下（-2°C～3°C），車輛起步時出現(xiàn)自激勵顫振，主觀評價為 5。自激勵顫振的頻率大概為9.5 Hz，相當(dāng)于車輛起動時處于1擋傳動系統(tǒng)的第1階固有頻率。

（2）除了9.5Hz左右的自激勵顫振，在車輛起動時還感受到了16～20 Hz的振動，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從怠速降到500～600 r/min時，車輛顫振的程度降到 4。這個頻率范圍的顫振實際上是發(fā)動機(jī)在第二點火次序時前輪懸掛的自然振動。

（3）來自客戶的抱怨是離合器里的自激勵顫振（9.5 Hz）和車輛前懸掛的振動（16～20 Hz）。由于這兩種振動差不多同時出現(xiàn)，對于一般的駕駛者來說難以發(fā)現(xiàn)。

（4）換裝用于配備 1.4 L發(fā)動機(jī)的傳動軸后，顫振的情況并沒有好轉(zhuǎn)。

（5）經(jīng)過測量，車輛傳動系統(tǒng)的阻尼約為0.04 Nms，阻尼偏小。經(jīng)計算，車輛顫振感應(yīng)系數(shù)為0.78，這是一個重要的車輛顫振傳遞特性（車輛的顫振感應(yīng)系數(shù)越小，車輛對于顫振的感應(yīng)程度越?。?。

（6）在顫振臺架上，在車輛原裝件的顫振試驗中，離合器在潮濕和低溫環(huán)境下出現(xiàn)了明顯的自激勵顫振，同時臺架試驗也驗證了整車試驗的結(jié)論。

綜上所述，此車型的起步顫振主要來自于離合器的自激勵振動，這是離合器在結(jié)合過程中離合器壓盤和離合器從動盤之間滑摩激勵所造成的振動。

2 離合器結(jié)合過程動力學(xué)建模

當(dāng)汽車起動結(jié)合離合器的過程中，離合器壓盤向離合器從動盤逐漸壓緊，開始接觸并開始傳遞轉(zhuǎn)矩。在此過程中，離合器壓盤和離合器從動盤之間存在相對滑移，此滑移的速度隨著離合器壓緊力的逐漸增大而逐漸變小，最后離合器從動盤和壓盤的速度一致，并傳遞轉(zhuǎn)矩。

為方便分析，將發(fā)動機(jī)的傳動系統(tǒng)簡化為一個4自由度的動力學(xué)模型[3]，如圖7所示。

根據(jù)模型，離合器在結(jié)合過程中汽車傳動系統(tǒng)的動力學(xué)公式為：

式中：

Je為車輛動力總成中離合器之前的部件如飛輪、發(fā)動機(jī)曲軸等部件的等效轉(zhuǎn)動慣量，θe為其相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角；

Jc1為離合器蓋和離合器壓盤的等效轉(zhuǎn)動慣量，θc1為其相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角；

Jc2為離合器從動盤的等效轉(zhuǎn)動慣量，θc2為其相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角；

Jv為車輛動力總成中離合器之后的傳動系轉(zhuǎn)換到變速箱輸入軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，θv為其相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角；

cv，cc1，cc2，ce為各自相對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)黏性系數(shù)；

Te為發(fā)動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，Tv為道路阻力等效到變速箱輸入軸的轉(zhuǎn)矩，Tc為離合器壓盤和離合器從動盤表面之間傳遞的轉(zhuǎn)矩。

kec和 kev為發(fā)動機(jī)曲軸和變速箱輸入軸的等效剛度。

μ為離合器壓盤和從動盤之間的滑動摩擦系數(shù)，z為摩擦面的個數(shù)，F(xiàn)為作用在離合器壓盤和從動盤上的正應(yīng)力，Rm為離合器當(dāng)量摩擦半徑。

當(dāng)離合器壓盤和離合器從動盤之間的滑移速度為 0，即離合器完全結(jié)合，兩者轉(zhuǎn)動速度一致時，此時傳動系統(tǒng)的動力學(xué)公式為

3 離合器自激勵振動

離合器接合面的滑動摩擦系數(shù)μ不是恒定值，除了與材料參數(shù)有關(guān)外，還與摩擦面的相對角速度（ θc1?θc2）有關(guān)。

設(shè)在離合器接合過程中，正壓力F恒定，并以離合器從動盤作為研究對象，根據(jù)式（7）和式（9），得

將式（16）代入式（15），并忽略 2次以上的高次項，得

從式（11）可以得到，當(dāng)

即當(dāng)

時，出現(xiàn)負(fù)阻尼，根據(jù)非線性振動理論[4]，負(fù)阻尼將導(dǎo)致離合器從動盤產(chǎn)生自激振動，引起離合器抖動。

4 結(jié) 論

通過試驗和結(jié)果分析可以得出結(jié)論：此車型的起步顫振主要來自汽車離合器的自激勵振動，同時，由于車輛動力總成的阻尼系數(shù)偏低，且車輛的顫振敏感度較高，間接加劇了車輛起步時的顫振。

對于離合器結(jié)合過程的建模和離合器自激勵過程的分析，可以得到結(jié)論: 當(dāng)離合器從動盤和離合器壓盤之間的摩擦系數(shù)變化率低于某數(shù)值時，系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)阻尼，從而產(chǎn)生自激勵振動，使離合器抖動，造成車輛起步顫振。

根據(jù)對離合器自激勵振動的分析，增大離合器摩擦片的摩擦系數(shù)，即選用有高靜摩擦系數(shù)的摩擦材料，可以有效縮短離合器結(jié)合的時間，提高結(jié)合品質(zhì)，并有效地減小離合器振動。

同時根據(jù)試驗經(jīng)驗也可以得知，通過加大變速器輸入軸的剛度，或者提高離合器蓋的剛度，可以減少離合器結(jié)合過程中壓緊力的波動，優(yōu)化離合器振動的問題[5]。

[1]D. Centea，H. Rahnejat，M.T. Menday. Non-linear multi-body dynamic analysis for the study of clutch torsional vibrations （judder）[J]. Applied Mathematical Modelling. 25（2001）：177-192.

[2]Przemyslaw Zagrodzki. Thermoelastic instability in friction clutches and brakes – Transient modal analysis revealing mechanisms of excitation of unstable modes [J]. International Journal of Solids and Structures. 46（2009）：2463–2476.

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[4]Kani H，Miyake J，Ninomiya T. Analysis of the Friction Surface on Clutch Judder [J]. JSA Review of Automotive Engineering（S1349-4724），1992，13（1）：82-84.

[5] H.J. Drexl. Clutch judder-causes and counter measures.Technische Konferenz SITV. 90（1990）：7-46.