李明　顧書東　王丹

摘 要：針對與飛輪-離合器摩擦副相關(guān)的整車抖動(dòng)現(xiàn)象，通過采用有限元理念對摩擦副的溫場特性進(jìn)行研究，采用試驗(yàn)的方法研究滑磨過程中摩擦片摩擦系數(shù)變化規(guī)律，同時(shí)結(jié)合大量NVH試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出壓盤-飛輪摩擦面粗糙度與起步抖動(dòng)的關(guān)系。采用整車起步NVH測試和主觀評價(jià)方法，評價(jià)不同摩擦副因素下整車的起步抖動(dòng)性能，總結(jié)出摩擦副影響起步抖動(dòng)的因素。

關(guān)鍵詞：摩擦副；溫場；摩擦副結(jié)構(gòu)；摩擦系數(shù)；粗糙度；一階抖動(dòng)

隨著社會經(jīng)濟(jì)和汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對汽車駕駛舒適性提出了更大的要求，通過不斷優(yōu)化和發(fā)展新的離合器技術(shù)，同時(shí)匹配新的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器技術(shù)，使駕駛樂趣、低油耗和舒適性更完美的結(jié)合在一起。由于結(jié)構(gòu)簡單和經(jīng)濟(jì)，在自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)上仍然大量采用單質(zhì)量飛輪搭配離合器的技術(shù)。

車輛起步抖動(dòng)是采用單質(zhì)量飛輪搭配離合器技術(shù)車輛常見的故障現(xiàn)象，在汽車起步時(shí)，掛上低速檔，松開離合器踏板過程中，乘客在車內(nèi)會感覺到明顯的抖動(dòng)。微型汽車起步時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)的原因很多，包括制造、安裝誤差、零件破損失效、操作保養(yǎng)不當(dāng)?shù)萚1]。離合器和飛輪組成的摩擦副結(jié)構(gòu)，在離合器滑磨過程中如果傳遞的摩擦力矩不穩(wěn)定，會導(dǎo)致出現(xiàn)起步抖動(dòng)問題。本文重點(diǎn)研究離合器-飛輪摩擦副結(jié)構(gòu)影響起步抖動(dòng)的因素，尋找起步抖動(dòng)的解決方案，并進(jìn)行主觀評價(jià)和客觀測量的驗(yàn)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(jié)構(gòu)和工況條件兩個(gè)方面[2]。摩擦副結(jié)構(gòu)主要包括散熱結(jié)構(gòu)和摩擦面的設(shè)計(jì)，本文研究摩擦面的設(shè)計(jì)。而工況主要是對摩擦系數(shù)的影響，工況包括溫度、工作載荷和相對滑動(dòng)速度這3個(gè)工況條件，本文研究溫度對摩擦系數(shù)的影響規(guī)律。

1.1 摩擦副溫場的研究

離合器結(jié)合過程，在摩擦片與飛輪（離合器壓盤）轉(zhuǎn)速同步之前，飛輪（離合器壓盤）與摩擦片相對滑摩，滑摩功轉(zhuǎn)化成熱量，由于離合器本身結(jié)構(gòu)以及在動(dòng)力總成所處的位置，散熱受到限制，熱量累積導(dǎo)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(jì)算

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

為了研究離合起結(jié)合過程中最嚴(yán)苛的工況，我們按照爬坡工況進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，整車最大滿載質(zhì)量1820KG，12%坡道，每次循環(huán)時(shí)間60s，其中離合器滑磨時(shí)間2.54s，總共20個(gè)循環(huán)。在上述邊界條件下，根據(jù)離合器所處的狀態(tài)對其加載并進(jìn)行第1～20個(gè)循環(huán)的求解，考核在每次循環(huán)過程中摩擦片表面的最高溫度。

圖1右圖為20個(gè)循環(huán)后的溫度分布?？煽闯鰷囟瘸拭黠@的梯度分布，壓盤和飛輪的溫度分布類似，摩擦片結(jié)合面徑向溫度在靠近內(nèi)邊緣處達(dá)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(shù)增加溫度逐漸由表面（接觸面）向背面、由邊緣向內(nèi)部擴(kuò)散。壓盤和飛輪內(nèi)邊緣聚集的熱量最高，變形量最大。

1.1.2 摩擦副結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)溫場仿真結(jié)果，壓盤和飛輪的內(nèi)邊緣較外邊緣變形量更大。如果壓盤和飛輪摩擦表面設(shè)計(jì)成內(nèi)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(xiàn)有的摩擦副結(jié)構(gòu)采用內(nèi)凹錐面壓盤和內(nèi)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(jù)熱能公式Q=cmΔT，以滑摩過程中最大能量值為臨界點(diǎn)，將壓盤和飛輪材料的比熱容、密度、體積代入公式計(jì)算，0.4%-0.6%錐度的壓盤對應(yīng)的飛輪錐度為0.18%-0.38%，兩者的摩擦面均為內(nèi)凹錐面。

1.2 溫度對摩擦性能的影響

本文設(shè)計(jì)了一套整車熱能試驗(yàn)規(guī)范，用于研究溫度對摩擦系數(shù)的影響規(guī)律。

1.2.1 熱能試驗(yàn)規(guī)范

摩擦片摩擦系數(shù)與滑磨能量有關(guān)，我們設(shè)計(jì)了一套熱能試驗(yàn)規(guī)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(guī)律，采用3種型號的摩擦片材料。熱能試驗(yàn)分為5個(gè)階段，1階段是磨合工況，使零件達(dá)到較好的表面狀態(tài)，第2階段是低能量爬坡起步，離合器滑磨產(chǎn)生的熱量較低，第3階段是預(yù)熱，在平地進(jìn)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(chǎn)生的熱量高，第5階段是低能量爬坡起步。

1.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到摩擦系數(shù)、溫度、能量三者的變化曲線，圖2表現(xiàn)出3種摩擦材料摩擦系數(shù)隨溫度變化的趨勢一致，均隨溫度的升高呈現(xiàn)穩(wěn)定-緩慢減小-急劇減小。在200°以內(nèi)，摩擦系數(shù)隨著溫度升高波動(dòng)較小，大致趨于穩(wěn)定，從200°上升到300°，摩擦系數(shù)隨著溫度的升高緩慢減小，從300°到400°，摩擦系數(shù)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(chǎn)生的液體及氣體相應(yīng)增多，潤滑作用越來越明顯，因而摩擦系數(shù)急劇減小。

1.3 壓盤-飛輪摩擦面粗糙度的研究

根據(jù)摩擦機(jī)理，摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性受摩擦表面粗糙度影響，基于大量的離合器起步抖動(dòng)NVH試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出抖動(dòng)敏感性與金屬摩擦面粗糙度的關(guān)系，數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，粗糙度Ra2.5-5.5摩擦面對抖動(dòng)的敏感性最低，粗糙度Ra0.8-2.7和Ra8-9.5摩擦面對抖動(dòng)敏感性更高。證明壓盤-飛輪摩擦面粗糙度會影響起步抖動(dòng)性能，在第2章節(jié)我們會試驗(yàn)驗(yàn)證不同粗糙度對整車起步抖動(dòng)的影響。

2 不同摩擦副因素下起步抖動(dòng)性能的驗(yàn)證

整車起步抖動(dòng)試驗(yàn)采用主觀評價(jià)和客觀測量相結(jié)合的手段。主觀評價(jià)采用10分制打分，客觀測量采用LMS 8通道振動(dòng)噪聲采集系統(tǒng)，獲取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速箱一軸轉(zhuǎn)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(dòng)數(shù)據(jù)（摩擦副的幾何參數(shù)主要是影響起步過程中的一階抖動(dòng)）。采用各種定義的摩擦副進(jìn)行交叉試驗(yàn)，試驗(yàn)編號和摩擦副定義見表1。

試驗(yàn)1、2和3，統(tǒng)計(jì)的前排座椅一階角加速度Vs主觀評價(jià)得分的散點(diǎn)圖，試驗(yàn)2的起步抖動(dòng)評價(jià)優(yōu)于試驗(yàn)1，試驗(yàn)3的起步抖動(dòng)評價(jià)優(yōu)于試驗(yàn)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(shù)更穩(wěn)定的摩擦片，有助于提高起步抖動(dòng)性能。

試驗(yàn)4、5、6和7，統(tǒng)計(jì)的前排座椅一階角加速度Vs主觀評價(jià)得分的散點(diǎn)可以得出，將飛輪由改為后，試驗(yàn)5的起步抖動(dòng)評價(jià)優(yōu)于試驗(yàn)7，試驗(yàn)6的起步抖動(dòng)評價(jià)優(yōu)于試驗(yàn)4，試驗(yàn)5的起步抖動(dòng)評價(jià)優(yōu)于試驗(yàn)4，分別說明內(nèi)凸錐面更改為內(nèi)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(dòng)性能。

3 解決方案

（1）在一定范圍內(nèi)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(wěn)定性，降低起步抖動(dòng)；

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

（3）優(yōu)化離合器-飛輪摩擦副結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)內(nèi)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(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐石安，江發(fā)潮.汽車離合器（M）.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]溫詩鑄，黃平.摩擦學(xué)原理（M）.北京：清華大學(xué)出版，2002.