基于解決汽車加速異響的離合器減振特性的建模及優(yōu)化

基于解決汽車加速異響的離合器減振特性的建模及優(yōu)化

上官文斌1，鄭若元1，孫濤1，謝劍云2，王善南2，侯秋豐2

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州510640; 2. 寧波宏協(xié)離合器有限公司，寧波315807)

摘要：為解決汽車加速時(shí)駕駛室內(nèi)的異響，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)-離合器-變速器-傳動(dòng)系統(tǒng)-整車的三自由度非線性力學(xué)模型。由于模型主要用于離合器減振特性的分析，將離合器輸出軸以后的部件簡(jiǎn)化為一個(gè)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的波動(dòng)下，利用建立的模型，可以求出離合器輸入、輸出轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，從而得到離合器的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)衰減率。以離合器的振動(dòng)衰減率最大為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化了離合器的扭轉(zhuǎn)剛度和摩擦阻尼，使其扭轉(zhuǎn)振動(dòng)衰減率得到了較大的增加。對(duì)優(yōu)化前后的離合器進(jìn)行裝車試驗(yàn)，測(cè)試了發(fā)動(dòng)機(jī)艙的噪聲、車內(nèi)的噪聲和變速器支架的振動(dòng)加速度。結(jié)果表明，該優(yōu)化模型的建立和計(jì)算得到的優(yōu)化結(jié)果，對(duì)改善變速器加速異響具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：加速異響；離合器；發(fā)動(dòng)機(jī)艙噪聲；變速器支架振動(dòng)

中圖分類號(hào):U463.211+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.19.018

Abstract:In order to analyze the performance of torsional vibration reduction for a clutch based on trouble shooting for reducing abnormal noise during vehicle accelerating, an engine-clutch-gearbox-vehicle body nonlinear dynamic model with 3-DOF was established. The input and output rotating speeds of the clutch were calculated using the developed model if the torque fluctuation of the flywheel was assumed, so the attenuation rate for the clutch’s torsional vibration could be estimated directly. An abnormal noise in the cabin of a passenger car was received during accelerating the car with a gearbox and the engine speed was in the range of 1700 r/min to 2500 r/min. To reduce the noise, an optimization model was presented by maximizing the attenuation rate of the clutch within the rotating speed of 1700 r/min to 2500 r/min and taking the torsional stiffness and damping of the clutch as design variables. After installing the optimized clutch in the car, the noise at the engine compartment and that at the cabin and the vibration at the bracket of transmission mount were measured and compared with those using the original clutch. The test demonstrated that the noise and vibration are reduced greatly with the optimized clutch. The proposed model and the calculated results provided a guide for improving vibration isolation performance of clutches.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51265037,11464031)；江西省高等學(xué)?？萍悸涞仨?xiàng)目(KJLD12075)；教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金；江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ13524)；南昌航空大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(YC2013-001)

收稿日期：2014-05-29修改稿收到日期：2014-10-17

Optimization of clutch vibration isolation performance based on trouble shooting for reducing abnormal noise during vehicle accelerating

SHANGGUANWen-bin1,ZHENGRuo-yuan1,SUNTao1,XIEJian-yun2,WANGShan-nan2,HOUQiu-feng2(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China；2. Ningbo Hongxie Clutch Co., Ltd., Ningbo 315807, China)

Key words:abnormal noise during car accelerating; clutch; noise at engine compartment; vibration of transmission bracket

變速器齒輪嚙合的振動(dòng)與敲擊[1-3]、軸承的噪聲[4]，是影響汽車加速異響的因素之一。變速器輪齒嚙合處既有滑動(dòng)又有滾動(dòng)，因而不可避免地產(chǎn)生撞擊和摩擦。要減少這種噪聲，一方面，可以提高齒輪的制造精度、減少裝配誤差和減少齒輪裝配間隙，但這種方法會(huì)提高變速器的制造成本。還可以在發(fā)動(dòng)機(jī)的前圍采用高效的隔聲和吸聲產(chǎn)品，減少傳遞到駕駛室的噪聲。另一方面，可以優(yōu)化離合器的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼特性，減少發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的波動(dòng)(扭振)傳遞到變速器輸入軸轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，從而減少齒輪的嚙合噪聲。這種方法是簡(jiǎn)單有效、同時(shí)也是最節(jié)約成本的措施，尤其是在汽車開(kāi)發(fā)階段的后期振動(dòng)噪聲問(wèn)題的整改中。

一乘用車(發(fā)動(dòng)機(jī)排量1.8L，5速手動(dòng)變速器)在加速過(guò)程中駕駛室存在異響，在三檔加速時(shí)，測(cè)試得到的發(fā)動(dòng)機(jī)艙的噪聲信號(hào)和駕駛員右耳處的噪聲信號(hào)見(jiàn)圖1、圖2所示。由圖1可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙右側(cè)(靠近發(fā)動(dòng)機(jī))的噪聲聲壓幅值隨轉(zhuǎn)速增加而逐步升高，增加較為平緩，幅值與變化趨勢(shì)正常；而發(fā)動(dòng)機(jī)艙左側(cè)(靠近變速器)噪聲，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1700～2500r/min區(qū)間時(shí)，有明顯的噪聲突起現(xiàn)象。由圖1還可見(jiàn)，左側(cè)噪聲聲壓級(jí)高于右側(cè)噪聲15dB左右?？梢?jiàn)由在發(fā)動(dòng)機(jī)艙中，變速器產(chǎn)生的噪聲較大。由圖2可知，在1700～2500r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，駕駛員右耳處存在明顯的噪聲突起現(xiàn)象；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)2500r/min時(shí)，車內(nèi)駕駛員右耳噪聲逐步升高，增加平緩，幅值與趨勢(shì)變化正常。該噪聲突起特征與發(fā)動(dòng)機(jī)艙左側(cè)噪聲特征一致。而駕駛室的乘員也感覺(jué)到，三檔加速時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在1700～2500r/min范圍內(nèi)時(shí)，駕駛室存在明顯的異響。為了解決該問(wèn)題，最終的方案是調(diào)整離合器的扭振剛度和阻尼，以減少變速器輸入軸轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，從而減少齒輪的嚙合噪聲，進(jìn)而減少變速器的噪聲。

圖1　三擋加速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙噪聲信號(hào) Fig.1 Noise in engine compartment during 3rd accelerating

圖2　三擋加速時(shí)駕駛員右耳噪聲信號(hào) Fig.2 Noise at driver’s right ear during 3rd accelerating

在離合器應(yīng)用于傳動(dòng)系統(tǒng)中減振設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究中，Singh等[5-8]開(kāi)展了一些研究工作。Singh等[5-6]基于解決汽車變速器齒輪拍擊問(wèn)題，建立了包含離合器的四自由度扭振模型，提出了一系列評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同時(shí)探討了離合器剛度參數(shù)、阻力和飛輪的慣量對(duì)在降低齒輪拍擊振動(dòng)中的作用。

Steinel等[7]對(duì)一商用車進(jìn)行離合器參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，通過(guò)仿真計(jì)算及測(cè)試結(jié)合，提出了一種與汽車振動(dòng)噪聲主觀評(píng)價(jià)相對(duì)應(yīng)的客觀測(cè)試評(píng)價(jià)方法。Steinel等[8]針對(duì)汽車怠速噪聲問(wèn)題，進(jìn)行階次分析，并應(yīng)用ITI-SIM軟件建立考慮齒輪和花鍵間隙的非線性傳動(dòng)系模型，其仿真結(jié)果表明，在離合器從動(dòng)盤(pán)添加預(yù)減振器可有效降低怠速噪聲。盧劍偉等[9]從非線性動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)某變速器齒輪異響故障進(jìn)行分析，針對(duì)異響的表現(xiàn)特征，對(duì)單對(duì)齒輪副間隙非線性振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行研究，從影響齒輪動(dòng)態(tài)響應(yīng)的激勵(lì)頻率、載荷比、阻尼比等參數(shù)出發(fā)，分析了系統(tǒng)穩(wěn)定的條件。

基于解決加速過(guò)程中駕駛室存在異響的問(wèn)題，本文建立了離合器減振特性分析與優(yōu)化的模型，模型中包含離合器的扭轉(zhuǎn)剛度、干摩擦阻尼、變速器輪齒嚙合剛度，建立了包含離合器主、從動(dòng)部分和傳動(dòng)系統(tǒng)與整車的三自由度非線性扭振模型。在發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸入下(離合器的主動(dòng)部分的輸入)，利用建立的模型求得離合器輸入和輸出的角位移響應(yīng)，從而得到離合器的減振性能。對(duì)一車輛在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1700～2500r/min時(shí)的加速異響問(wèn)題，建立了優(yōu)化模型，旨在提高離合器在該轉(zhuǎn)速范圍的減振特性。利用優(yōu)化的離合器的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼，進(jìn)行裝車試驗(yàn)，該車的加速異響得到了較大的改善，表明本文的建模方法和分析技術(shù)對(duì)離合器在傳動(dòng)系統(tǒng)減振特性的分析具有指導(dǎo)意義。

1離合器減振特性建模與計(jì)算分析

1.1離合器減振特性的建模

離合器在車輛傳動(dòng)系中一是起到切斷和傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，二是依靠安裝在其從動(dòng)盤(pán)的扭轉(zhuǎn)減振器起到對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的減振作用。可以建立一個(gè)包含離合器的傳動(dòng)系統(tǒng)多自由度扭振動(dòng)力學(xué)模型，但是這樣的扭振模型中的一些參數(shù)難以獲得。由于本文的工作主要是研究離合器的減振性能，因而將離合器輸出軸以后的部件簡(jiǎn)化為一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)于一定類型的車型，在一定的擋位時(shí)，這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的數(shù)值在一定的范圍。

圖3為建立的分析離合器減振特性的模型，分析離合器的減振特性時(shí)，離合器處于接合狀態(tài)。模型中，J1(kg·m2)為發(fā)動(dòng)機(jī)、飛輪、離合器殼、膜片彈簧、壓盤(pán)、從動(dòng)盤(pán)摩擦片以及上下減振盤(pán)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J2(kg·m2)為離合器從動(dòng)盤(pán)盤(pán)轂鋼片、盤(pán)轂芯、變速器輸入軸及其齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J3(kg·m2)為變速器輸出軸及其齒輪、主減振器、差速器、半軸及整車平動(dòng)質(zhì)量的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θ1、θ2和θ3(rad)分別為摩擦片、變速器輸入軸和變速器輸出軸的角位移；k1(N·m/(°))為從動(dòng)盤(pán)扭轉(zhuǎn)減振器剛度；k2(N·m/(°))為變速器輪齒的當(dāng)量扭轉(zhuǎn)剛度；Tc(N·m)為從動(dòng)盤(pán)中干摩擦阻尼力矩；bg(rad)為輪齒間隙對(duì)應(yīng)的扭角；Te(N·m)為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端輸出力矩，它是模型的激勵(lì)力矩；Td(N·m)為整車的當(dāng)量阻力矩[10-11]。

圖3　離合器動(dòng)力學(xué)模型 Fig.3 Dynamic model of the clutch

圖3所示的動(dòng)力學(xué)模型的方程可以寫(xiě)為：

(1)

式中，可令Te=Tm+Tpsin(ωt)，其中Tm(N·m)為飛輪端輸出的激勵(lì)力矩的平均值，Tp(N·m)為飛輪端輸出的激勵(lì)力矩的波動(dòng)幅值，ω(rad/s)為飛輪端激勵(lì)力矩的波動(dòng)頻率。由于模型的扭振主要由發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)力矩中的簡(jiǎn)諧分量Tpsin(ωt)引起,而恒定力矩Tm不作貢獻(xiàn), 因此令Td=Tm，此時(shí)模型僅受簡(jiǎn)諧分量的激勵(lì)。

離合器從動(dòng)盤(pán)中存在干摩擦阻尼力矩，根據(jù)庫(kù)倫摩擦特性可知，摩擦阻尼片處于滑動(dòng)狀態(tài)下其摩擦阻尼力矩的大小為一恒定值，設(shè)為T(mén)f；而當(dāng)阻尼片處于粘著狀態(tài)，摩擦阻力矩大小和其所受外力相關(guān)，這里利用反正切函數(shù)對(duì)摩擦阻尼片的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行表征[12]：

(2)

式中，σ為平順因子，其取值不同，摩擦模型也會(huì)不同。σ值較小時(shí)，摩擦曲線在零速度差附近比較平緩光滑，此模型雖有利于數(shù)值積分計(jì)算，但摩擦模型誤差較大；σ值較大時(shí)，摩擦曲線在零速度差附近比較陡峭，此時(shí)雖摩擦模型誤差較小，但數(shù)值計(jì)算中容易產(chǎn)生剛度問(wèn)題。綜合上述兩種情況，一般取σ=100[13]。

變速箱齒輪嚙合力矩Tg(N·m)和齒輪的嚙合間隙及齒輪轉(zhuǎn)角差有關(guān)，可由下式確定：

(3)

1.2離合器減振模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算

對(duì)圖3所示的的離合器傳動(dòng)系統(tǒng)扭振，利用表1所示的模型參數(shù)，計(jì)算得到的系統(tǒng)的共振頻率和共振轉(zhuǎn)速見(jiàn)表2。

在發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)下，對(duì)方程(1)進(jìn)行求解分析，可得到離合器的輸入和輸出角速度的波動(dòng)。為了分析離合器的減振效果，用振動(dòng)衰減率δ作為離合器減振能力的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

δ=(1-θ2A/θ1A)×100%

(4)

式中，θ1A(rad/s)為離合器減振器主動(dòng)部分(輸入端)的扭振角速度幅值；θ2A(rad/s)為離合器減振器從動(dòng)部分(輸出端)的扭振角速度幅值。

表1　模型計(jì)算參數(shù)

表2　系統(tǒng)固有頻率和對(duì)應(yīng)共振轉(zhuǎn)速

由表1的參數(shù)，可計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)轉(zhuǎn)速下的離合器輸入與輸出軸的轉(zhuǎn)速。圖4給出了不同轉(zhuǎn)速下離合器的振動(dòng)衰減率，在共振轉(zhuǎn)速2320r/min附近，離合器的振動(dòng)衰減率最小。

圖4　在不同的輸入轉(zhuǎn)速下，離合器的振動(dòng)衰減率 Fig.4 Clutch vibration decay ratio in different input speed

2離合器扭轉(zhuǎn)減振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1優(yōu)化模型的建立

以提高離合器在1700～2500r/min范圍內(nèi)的加權(quán)振動(dòng)衰減率δw為目標(biāo)函數(shù)，以離合器的扭轉(zhuǎn)剛度k1和干摩擦力矩H為設(shè)計(jì)變量，建立優(yōu)化模型。

由于離合器的扭轉(zhuǎn)剛度k1(N·m/(°))受結(jié)構(gòu)及發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的限制，不可能很低，常用的扭轉(zhuǎn)減振器的扭轉(zhuǎn)剛度在10N·m/(°)～30N·m/(°)之間。同時(shí)為了在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有效消除振動(dòng)，必須合理選取減振器阻尼裝置的干摩擦力矩H(N·m)，H的取值范圍一般在8N·m～24N·m。綜上所述，建立如下優(yōu)化模型：

(5)

式中，δw(k1,H)是在1700～2500r/min范圍內(nèi)，計(jì)算得出的離合器在不同轉(zhuǎn)速的振動(dòng)衰減率δ的等權(quán)重加權(quán)值，如式(6)所示，k1和H為優(yōu)化變量。

(6)

2.2優(yōu)化結(jié)果

本文采用Matlab軟件中的序列二次規(guī)劃法(SQP算法)進(jìn)行優(yōu)化?；趯?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1700～2500r/min范圍內(nèi)振動(dòng)衰減率最大，離合器減振器優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表3，優(yōu)化前后系統(tǒng)固有頻率對(duì)比見(jiàn)表4。

表3　減振器優(yōu)化結(jié)果

表4　優(yōu)化前后系統(tǒng)固有頻率對(duì)比

優(yōu)化前后系統(tǒng)離合器扭轉(zhuǎn)振動(dòng)衰減率曲線見(jiàn)圖5，離合器在1700～2500r/min范圍內(nèi)的加權(quán)振動(dòng)衰減率從優(yōu)化前的23.53%提升到了46.07%?？梢?jiàn)，通過(guò)優(yōu)化扭轉(zhuǎn)剛度及干摩擦阻尼力矩，可使離合器振動(dòng)衰減率有一定提高，優(yōu)化效果顯著。

圖5　離合器參數(shù)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)衰減率 Fig.5 Vibration decay ratio comparison

3試驗(yàn)研究

為試驗(yàn)車裝上優(yōu)化后離合器(優(yōu)化的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼參數(shù)見(jiàn)表3)，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)艙和駕駛室的噪聲、變速器支架的振動(dòng)，以評(píng)價(jià)離合器改進(jìn)前后對(duì)加速異響的改進(jìn)效果。圖6為三擋加速時(shí)，更換離合器前后的發(fā)動(dòng)機(jī)艙左側(cè)的聲壓。由圖6可見(jiàn)，更換優(yōu)化的離合器后，發(fā)動(dòng)機(jī)艙左側(cè)的噪聲聲壓幅值降低約10dB。圖7為三擋加速時(shí)，更換離合器前后的駕駛員右耳處噪聲。由此可見(jiàn)，裝有優(yōu)化參數(shù)的離合器后，發(fā)動(dòng)機(jī)艙噪聲聲壓幅值有所降低，且沒(méi)有明顯的噪聲突起現(xiàn)象。同時(shí)，車內(nèi)的噪聲降低、且無(wú)噪聲突然增加再減少的現(xiàn)象，主觀評(píng)價(jià)車內(nèi)的異響也明顯的降低了，只有專業(yè)的試車人員才可以感覺(jué)到，達(dá)到用戶可以接受的程度。

圖6 三擋加速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙左側(cè)的噪聲信號(hào)Fig.6Thesoundpressureinleftsideofenginecompartmentduringacceleratingat3rdgear圖7 三擋加速時(shí)駕駛員右耳附近的噪聲信號(hào)Fig.7Thesoundpressureatdriversrightearduringacceleratingat3rdgear圖8 變速器懸置變速器側(cè)支架三向加速度響應(yīng)均方根值Fig.8Accelerationroot-mean-squarevaluesinthreedirectionsontransmissionmountbracket

變速器支架的振動(dòng)加速度，是反應(yīng)變速器振動(dòng)的特征之一，圖8為更換離合器前后變速器懸置支架變速器側(cè)的三向加速度均方根值響應(yīng)圖。由圖中可知，更換離合器前，在1500～2500r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，變速器支架的加速度響應(yīng)有一較大突起，說(shuō)明變速器的振動(dòng)較大。但更換離合器后，在1500～2500r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，變速器支架的加速度幅值有較大幅度的降低、且變化也比較平緩，變速器的振動(dòng)減少，這是由于離合器的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)進(jìn)行了較大的衰減的緣故。

4結(jié)論

(1)建立了發(fā)動(dòng)機(jī)-離合器-變速器-整車的三自由度非線性力學(xué)模型。模型中將離合器輸出軸以后的部件簡(jiǎn)化為一個(gè)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的波動(dòng)下，利用建立的模型，可以求出離合器輸入、輸出轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，從而得到離合器的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)衰減率。

(2)建立了離合器在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動(dòng)衰減率最大優(yōu)化模型，利用優(yōu)化的模型，可以優(yōu)化離合器的扭轉(zhuǎn)剛度和摩擦阻尼，使其扭轉(zhuǎn)振動(dòng)衰減率增加。

(3)對(duì)安裝優(yōu)化前后離合器的汽車，對(duì)其加速噪聲進(jìn)行了實(shí)測(cè)。結(jié)果表明，安裝優(yōu)化的離合器后，發(fā)動(dòng)機(jī)艙變速器側(cè)的噪聲、駕駛室內(nèi)的噪聲和變速器支架的振動(dòng)均降低，表明本文建立的優(yōu)化模型和計(jì)算方法，對(duì)改善變速器加速異響具有指導(dǎo)意義。

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第一作者朱嶠男，博士生，1989年生

通信作者毛崎波男，博士,教授，1975年生