离合器自激振动的起步颤振作用机理分析

沈周行，李鹏忠

（同济大学中德学院，上海 200092）

0 引 言

对于在欧洲上市的某型紧凑型乘用车（1.2L发动机、59 kW），由于在潮湿和低温的环境下车辆起动时存在颤振。

汽车起步颤振是指在离合器结合过程中，由汽车传动系中转矩波动所引起，频率范围在 5～20 Hz内，车辆在水平行驶方向产生的振动，这种现象往往发生在汽车起动的过程中[1]。

发动机内部爆燃造成的振动通过发动机悬置和传动系统两条路径传递，最后以噪声和振动的方式被汽车驾驶员和乘客感知。在动力系统中，安装在飞轮和变速器中间的离合器总成（包括离合器压盘、离合器从动盘和分离轴承）对汽车起动颤振的影响最大。

汽车起步颤振中，与离合器相关的有4种典型分类：

（1）离合器自激励振动；

（2）由于离合器部件制造偏差造成的尺寸偏差引起的离合器振动；

（3）离合器从动盘的波形片力学特性非线性，造成离合器振动；

（4）汽车发动机的曲轴轴向冲击传递到离合器盖或传动片等部件，引起离合器的共振[2]。

为了分析起步颤振的原因，进一步找出解决的方法，进行了起步颤振试验。

1 车辆起步颤振试验

由于起步颤振的问题来自用户的抱怨，而且车辆起步颤振的原因存在一定复杂性，不能通过用户的描述得出结论。为了探究车辆起步颤振的来源，同时也为了确定车辆动力总成的阻尼和车辆对于颤振的灵敏度，安排下述试验。

1.1 车辆参数和车辆零件

表1 被测车辆的参数

1.2 试验过程

（1）在安装原有传动轴的条件下，挂1挡测试车辆颤振（车况为冷车）；

（2）换装匹配1.4 L发动机的传动轴，挂1挡测试车辆颤振（车况为冷车）；

（3）测试和评价车辆动力总成的阻尼；

（4）在测试台架上测试3种零件：①离合器总成；②新的离合器总成；③三套离合器返回件。

1.3 车辆试验

1.3.1 带有原装传动轴的颤振试验

颤振试验在平地上进行。在试验之前车辆被放置于冷藏仓内冷却到-2°C。测量的参数分别为：发动机转速；变速器转速，车辆在纵向的加速度（加速度传感器安装在驾驶员座椅位置）；离合器壳中的温度。在最初的几次起动过程中，明显感觉到了车辆的颤振，主观评价指数5，见图1。当离合器温度逐渐升高，车辆的颤振渐渐变小，并逐渐消失。

在图2中，可以看到颤振的频率分析，在车辆颤振发生过程中，其频率一直保持在9.5 Hz，与发动机的1阶频率、变速器的1阶频率和两者速度差的1阶频率都没有联系，所以这种颤振可以被判定为自激励颤振。9.5 Hz的颤振与处于1挡位置的开环动力总成的1阶频率相符合。

除了自激励颤振之外，车辆起动的过程中，当发动机速度下降到500～600 r/min时，可以感受到16～20 Hz的颤振，见图3，主观评价指数 4。这种振动并不是由离合器引起，是由汽车前悬挂的共振引起。在车辆满载情况下快速地分离离合器，可以测量出车辆前悬挂的固有频率为 19 Hz，如图 4。所以车辆起动时，当发动机的转速逐渐降低到 500～600 r/min，车辆前轮悬挂会在发动机第二点火次序中被激励振动，同时车辆会以16～20 Hz的频率振动。

来自客户的抱怨应该是自激励颤振（9.5Hz）和 16～20Hz的振动的结合。由于这两种振动在冷车和潮湿的环境下同时出现，一般驾驶员很难区别。

1.3.2 使用匹配1.4L发动机的传动轴颤振测试

在相同情况下，使用与1.4L发动机相匹配的传动轴做颤振试验，试验结果与使用原装传动轴的结果相比，颤振并没有明显的改善，如图 5。

1.4 动力总成的阻尼计算

动力总成的阻尼可以通过在车辆满载的情况下，1挡挡位踩离合器，发动汽车，快速地分离离合器得到结果，如图6。

最后确定的动力总成的阻尼为0.04Nms。与市场上被测试过的车辆相比（平均值为0.071），这个阻尼系数偏低。

1.5 车辆颤振敏感度

车辆颤振敏感系数是指在颤振的频率范围内，车辆颤振的传递特性，可以用公式（3）计算：

其中，Kreson为动力总成在颤振频率时的振动放大系数； Kvehicle为车辆本身的物理振动特性；Kb为传动系统中在颤振频率范围内，理论计算的车辆振动和实际测量到的车辆振动之间的比值。

通过公式（3）～（6）可以计算出车辆的颤振感应敏感度。

与市场上测试过的车辆相比（平均值为0.52），此车型的颤振敏感度明显偏高。

1.6 试验结论

（1）在低温环境下（-2°C～3°C），车辆起步时出现自激励颤振，主观评价为 5。自激励颤振的频率大概为9.5 Hz，相当于车辆起动时处于1挡传动系统的第1阶固有频率。

（2）除了9.5Hz左右的自激励颤振，在车辆起动时还感受到了16～20 Hz的振动，当发动机转速从怠速降到500～600 r/min时，车辆颤振的程度降到 4。这个频率范围的颤振实际上是发动机在第二点火次序时前轮悬挂的自然振动。

（3）来自客户的抱怨是离合器里的自激励颤振（9.5 Hz）和车辆前悬挂的振动（16～20 Hz）。由于这两种振动差不多同时出现，对于一般的驾驶者来说难以发现。

（4）换装用于配备 1.4 L发动机的传动轴后，颤振的情况并没有好转。

（5）经过测量，车辆传动系统的阻尼约为0.04 Nms，阻尼偏小。经计算，车辆颤振感应系数为0.78，这是一个重要的车辆颤振传递特性（车辆的颤振感应系数越小，车辆对于颤振的感应程度越小）。

（6）在颤振台架上，在车辆原装件的颤振试验中，离合器在潮湿和低温环境下出现了明显的自激励颤振，同时台架试验也验证了整车试验的结论。

综上所述，此车型的起步颤振主要来自于离合器的自激励振动，这是离合器在结合过程中离合器压盘和离合器从动盘之间滑摩激励所造成的振动。

2 离合器结合过程动力学建模

当汽车起动结合离合器的过程中，离合器压盘向离合器从动盘逐渐压紧，开始接触并开始传递转矩。在此过程中，离合器压盘和离合器从动盘之间存在相对滑移，此滑移的速度随着离合器压紧力的逐渐增大而逐渐变小，最后离合器从动盘和压盘的速度一致，并传递转矩。

为方便分析，将发动机的传动系统简化为一个4自由度的动力学模型[3]，如图7所示。

根据模型，离合器在结合过程中汽车传动系统的动力学公式为：

式中：

Je为车辆动力总成中离合器之前的部件如飞轮、发动机曲轴等部件的等效转动惯量，θe为其相对应的转角；

Jc1为离合器盖和离合器压盘的等效转动惯量，θc1为其相对应的转角；

Jc2为离合器从动盘的等效转动惯量，θc2为其相对应的转角；

Jv为车辆动力总成中离合器之后的传动系转换到变速箱输入轴上的等效转动惯量，θv为其相对应的转角；

cv，cc1，cc2，ce为各自相对应的旋转黏性系数；

Te为发动机输出的转矩，Tv为道路阻力等效到变速箱输入轴的转矩，Tc为离合器压盘和离合器从动盘表面之间传递的转矩。

kec和 kev为发动机曲轴和变速箱输入轴的等效刚度。

μ为离合器压盘和从动盘之间的滑动摩擦系数，z为摩擦面的个数，F为作用在离合器压盘和从动盘上的正应力，Rm为离合器当量摩擦半径。

当离合器压盘和离合器从动盘之间的滑移速度为 0，即离合器完全结合，两者转动速度一致时，此时传动系统的动力学公式为

3 离合器自激励振动

离合器接合面的滑动摩擦系数µ不是恒定值，除了与材料参数有关外，还与摩擦面的相对角速度（ θc1−θc2）有关。

设在离合器接合过程中，正压力F恒定，并以离合器从动盘作为研究对象，根据式（7）和式（9），得

将式（16）代入式（15），并忽略 2次以上的高次项，得

从式（11）可以得到，当

即当

时，出现负阻尼，根据非线性振动理论[4]，负阻尼将导致离合器从动盘产生自激振动，引起离合器抖动。

4 结 论

通过试验和结果分析可以得出结论：此车型的起步颤振主要来自汽车离合器的自激励振动，同时，由于车辆动力总成的阻尼系数偏低，且车辆的颤振敏感度较高，间接加剧了车辆起步时的颤振。

对于离合器结合过程的建模和离合器自激励过程的分析，可以得到结论: 当离合器从动盘和离合器压盘之间的摩擦系数变化率低于某数值时，系统出现负阻尼，从而产生自激励振动，使离合器抖动，造成车辆起步颤振。

根据对离合器自激励振动的分析，增大离合器摩擦片的摩擦系数，即选用有高静摩擦系数的摩擦材料，可以有效缩短离合器结合的时间，提高结合品质，并有效地减小离合器振动。

同时根据试验经验也可以得知，通过加大变速器输入轴的刚度，或者提高离合器盖的刚度，可以减少离合器结合过程中压紧力的波动，优化离合器振动的问题[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.

[3]CHEN Li，WANG Hao-song，XI Gang. Clutch Engagement Control Based on Stability Analysis[J]. Journal of System Simulation.2011，7：1451-1458.

[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.