關于車輛起步離合器半聯動異響問題的研究

寧明志，朱新星，王小波

（上海汽車乘用車公司技術中心，上海 201804）

前言

隨著發動機功率扭矩的不斷提高，同時伴隨汽車輕量化設計的不斷推進，整車系統出現整體剛度降低、局部結構振動特征變化等情況，在傳動系統的設計中，經常會遇到各種由此誘發的NVH問題[1][2]。因此，對該問題的分析和改進方案的提出，對于改善傳動系統的設計具有重大意義。本文就以一款車型開發過程中遇到的實際問題為例，介紹一下 MT車輛半聯動起步時NVH異響問題的處理。

1 起步半聯動工況分析

1.1 半聯動工況定義

即駕駛技術動作為部分踩下離合器的狀態。半聯動就是離合器介于離與合之間，傳動系統介于聯與不聯之間的狀態，它可以提供一種柔性的動力，在一些復雜路況以及起步、轉彎和短距離跟進等會經常使用。離合器在半聯動狀態時，壓盤與摩擦片的摩擦力小于完全接合狀態。離合器壓盤與飛輪上的摩擦片之間是滑動摩擦狀態。飛輪的轉速大于輸出軸的轉速，從飛輪傳輸出來的動力部分傳遞給變速箱。此時發動機與驅動輪之間相當于一種軟連接狀態。也就是說，車輛起步，我們將離合器踏板慢慢松開，動、靜摩擦片實際是在不斷的接近，當兩者之間剛開始接觸時，由于動、靜摩擦片之間的摩擦力還很小，因此與發動機相連的靜摩擦片還無法帶動動摩擦片旋轉，隨著我們的腳的抬起，帶動摩擦片更緊的與靜摩擦片接觸，摩擦力也越來越大，最終把動摩擦片慢慢地帶動旋轉起來。由于“半聯動”的存在，汽車就可以慢慢的平緩的起步了。[3]

1.2 異響產生機理

離合器半聯動異響產生機理：主要為離合系統接合過程中，傳動系統內部受迫振動，當激振頻率接近系統固有頻率從而引起共振現象。[4][5]

激勵源：離合器結合過程中，隨著結合位置變化，發動機輸出端阻力矩變化，引起發動機扭矩波動。

被激勵物：變速箱輸入軸總成，離合器從動盤，離合器壓盤。

整個激振的過程參見圖1：

圖1 半聯動異響產生機理

（1）變速箱輸入軸的彎曲振動頻率

離合器從動盤與變速箱輸入軸通過花鍵配合連接，在離合器接合過程中，其固有的彎曲振動頻率基本保持不變（接合過程中，從動盤面壓的變化對其固有頻率影響輕微）。對于普通乘用車，此固有頻率大體在250～400Hz，本例中，整車的頻率范圍在300～350Hz，仿真從動盤系統的固有頻率在336Hz附近，正好處于危險頻率帶。

（2）離合器壓盤的振動頻率

離合器結合過程中，由于膜片簧和從動盤面壓的剛度隨行程變化是非線性的，這造成在接合過程中，振動頻率范圍變化很大。

（3）結合的過程中激起變速箱輸入軸（或加上從動盤系統）共振

在離合器結合過程中，若離合器的振動頻率與變速箱輸入軸的固有頻率出現交疊時，容易導致共振產生，則會導致半聯動時的異響。

2 影響半聯動異響系統特性分析

基于以上原理的分析，我們對離合器系統進行建模和結構模態分析。對離合器這種存在摩擦和振動的系統，產生共振和異響的原因可能有以下幾種：

（1）系統安裝或者產品存在不對中的情況，導致離合器結合過程異響——模擬對中度從動盤傾斜 1°情況下的系統振動情況；

（2）離合器結合過程中，壓盤和從動盤在軸向可以看成單自由度剛度-質量系統。在結合過程中，該系統的頻率隨著結合力改變，如果該頻率與從動盤的結構模態比較接近，可能會引起共振，產生異響——模擬離合器從動盤和壓盤在結合傳扭過程中的頻率曲線；

（3）離合器半聯動過程存在靜摩擦、動摩擦的轉換，當摩擦盤在半聯動時，如果摩擦系數曲線產生了“負斜率”特性可能會引發摩擦自激振，使得從動盤持續共振，產生異響。（鑒于目前對比各廠家的離合器材料的性能情況對比，目前采用的離合器材料優化空間有限，故此次不作為分析的重點。）

下面，我們就對系統進行簡化建模和有限元分析。

2.1 系統建模

離合器結合過程，壓盤和從動盤受到膜片彈簧的變化的力。這個過程壓盤和從動盤可以看成單自由度的剛度-質量系統。如下圖2所示，計算結合過程系統的頻率，并與從動盤的結構模態進行比較。[6][7][8][9]

圖2 離合系統示意圖

圖2所示系統的系統振動頻率方程可由下式確定：

離合器系統頻率計算。

2.2 系統有限元分析

針對系統進行有限元分析，相關仿真參數設定如下表1：

表1 離合器仿真參數設定

分析結果如下圖：

（1）偏置1°離合器的對比結果見圖3。

圖3 對中&偏置離合器受激振動模擬

（2）離合器振型情況見下表2。

表2 離合器從動盤系統模態分析

（3）同時，將整個簡化系統的半聯動傳扭過程進行仿真，得到下圖4結果：

圖4 改善前系統半聯動過程仿真

從分析結果可以發現：

a.偏置離合器系統的激勵情況是正常情況的10倍；

b.離合系統共振以軸向振動為主；

c.離合器模態偏低，系統接合過程中頻率都有較大比例存在于共振帶附近；

d.在問題區域（300-350Hz）內的從動盤和壓盤頻率比較貼近，容易發生激勵。

3 改進方案及匹配試驗

根據上文的分析情況，確定了2種離合器方案，并進行匹配驗證[10]，見下表3。

表3 改進措施

針對上述方案，進行有限元分析，結論見下圖5。

從仿真圖中可以明顯看到，增加從動片剛度的零件，可以明顯提高系統在結合過程中的頻率特性，避開了從動盤的固有頻率帶。

圖5 改善后半聯動系統過程仿真

結合上述方案，制作樣件并進行實車測試，半聯動異響情況消失，至此，問題解決。

4 總結

（1）建立了發動機飛輪—壓盤—從動盤—變速箱輸入軸的模型。模型中將飛輪簡化為剛體，離合器簡化為單自由度的剛體-質量系統等。在整車半聯動結合過程的系統不穩定情況下，利用建立的模型，可以求出離合器壓盤、從動盤的振動情況。

（2）建立了離合器在一定頻率帶范圍內的振動優化模型，利用優化的模型，可以優化離合器的剛度和模態，指導零件和系統的設計。

（3）對安裝優化前后離合器的汽車，對其半聯動異響情況進行了實測。結果表明，安裝優化的離合器后，發動機艙變速器側的噪聲明顯降低，表明本文建立的優化模型和計算方法，對改善半聯動異響具有指導意義。

[1] 王夢晨.汽車離合器異響的故障診斷分析[J].內燃機與配件;2017年9期.

[2] 朱思捷.離合器傳遞扭矩不均引起變速箱異響的試驗研究[J].合肥學院學報.2017年2期.

[3] 陳權瑞,萬里翔,劉雪萊,王波.離合器設計參數對汽車起步振動的影響研究[J].噪聲與振動控制.2017年7期.

[4] 施一敏,伊廣德,何東偉.摩擦式離合器接合過程中抖動及穩定性研究[J].機電一體化.2013年7期.

[5] 綦有為,陳漫,陳飛.離合器摩擦副實際接觸面積模型研究[J].廣西大學學報(自然科學版).2016年6期.

[6] 劉欣,張凱,丁殿磊,劉元杰.膜片彈簧離合器分離特性的分析計算與仿真[J].研究與開發;2016年4期.

[7] 姜彥,魯統利.從動盤波形彈簧片對干式離合器扭矩傳遞的影響分析[J].傳動技術.2013年6期.

[8] 何波,張志剛,石曉輝,袁立華.離合器波形彈簧載荷—變形特性仿真分析[J].機械設計與制造.2016年3期.

[9] 萬里翔,陳浩,劉雪萊,侯秋豐,于洋,上官文斌.離合器壓盤熱變形與應力分析方法及其應用木[J].汽車工程.2016年11期.

[10] 孟愛華,王興德;離合器舒適性檢測方法研究[J].機電工程.2011年5期.