在汽车动力传动系统中，摩擦引起的振荡现象该如何解决？

麻烦看官老爷们右上角点击一下“关注”，方便您进行讨论和分享，感谢您的支持!

本头条号已与维权骑士签约，搬运必追究！

---

文丨江柊留声机

编辑丨江柊留声机

在汽车动力传动系统中，摩擦界面引起的振荡问题已成为一个引人关注的研究领域，这些振荡问题可能导致诸如恶性噪音、振动和刺激性等不稳定性（NVH）问题，从而影响车辆品质和用户体验。

本文将深入探讨摩擦引起的振荡问题，特别关注其在汽车动力传动系统中的影响，我们将研究干式离合器系统中的摩擦动力学，以及这些振荡如何引发NVH问题。

通过实验测量和数值模拟，我们将分析不同参与条件下的摩擦系数、振荡频率和稳定性，为深入理解和解决这一问题提供有力支持。

摩擦引起的振荡及其在汽车动力传动系统中的影响

摩擦引起的振荡可能在汽车动力传动系统中引发各种问题，其中最突出的表现是恶性噪声、振动和刺激性（NVH）问题，如抖动和尖叫。

部件磨损和不希望的噪音产生可能源自滑动接触的摩擦界面，在现代汽车动力传动系统中，令人困扰的NVH问题会影响用户对车辆品质的感知。

两个容易出现NVH问题的子系统是车辆制动系统和干式离合器系统，在这些系统中导致不稳定性的两种主要机制是摩擦粘滑和模态耦合。

在离合器系统中，低频NVH问题（5-20赫兹），已经表现出是由于摩擦粘滑行为所导致，而大多数高频不稳定性则是由于模态耦合所致。

许多具有摩擦界面的系统表现出粘滑行为，这通常会导致自激振动，摩擦盘系统（如制动器和离合器）的动力学和振荡行为可以通过分析它们的稳定性并研究不稳定区域中的振幅来进行研究。

在一个扭转的、双自由度的离合器模型中，以模拟参与过程并研究由于摩擦系数变化而产生的自激振荡。

研究发现，运动幅度取决于系统参数，而不是初始条件或初始系统能量，此外，当摩擦系数随滑动速度减小（负斜率）时会出现自激振荡。

在分析了制动系统中的自激振荡，以表征刹车尖叫后，结果表明，尖叫噪音是由盘和垫片的接触以及自激振动的发生引起的。

涉及摩擦的非线性可能会导致模态合并，从而导致不稳定性，具有摩擦非线性的系统可能会失去稳定性，伴随着其平衡位置的定性结构在平衡位置上的非线性参数值的变化（分叉）。

稳定性损失可以在以下两种机制下发生：（i）折叠分叉，当一个特征值的实部变为零或正值时，（ii）Hopf分叉，当复特征值对变为正值或零时。

在超临界的Hopf分叉中，稳定的平衡转变为不稳定，出现有限幅度的稳定极限循环。

在研究滑动质量后讨论了由于摩擦变化而发生的分叉，这些分叉与平衡位置的稳定性变化有关，旨在引起混沌运动、粘滑行为或质量的振荡滑动。

最后，使用数值方法观察了非线性系统中的极限循环，模态耦合已被证明是在离合器激活过程中导致激进NVH的机制，特别是当环状盘的配合表面之间存在较高的相对速度时。

干式离合器模型以模拟压盘的摆动和轴向运动，一个关键假设是由于施加的初始条件，压盘被设置为摆动运动。

观察到这种运动可能在参与过程中引发激进的NVH行为，一个考虑到压盘运动的六自由度（DOF）模型被用于对系统稳定性进行参数研究。

为了模拟压盘的柔韧性，压盘被分为四个由扭转弹簧连接的片段，结果显示压盘倾斜模态的模态耦合是不稳定行为的原因。

通过修改压盘厚度、摩擦系数和压盘的结构刚度，可以缓解这种行为，此外，通过摩擦盘的极限循环研究了离合器系统的振荡运动。

结果显示，在静态平衡不稳定时，被考察的自激系统趋向于极限循环。

使用针对盘的摩擦仪器进行测量及模型验证

使用针对盘的摩擦仪器（pin-on-disc tribometer），对不同离合器参与条件下的摩擦系数进行了测量。

使用了代表性的飞轮/压盘和离合器盘样本之间的接触压力和滑移速度，实验使用直接从离合器盘中提取的尺寸为15×15毫米（高度和宽度）的样本。

本研究使用的盘直径为100毫米，表面处理方式复制了离合器压盘的表面特征，动态摩擦系数是根据每个样本的相同滑移距离（150米）确定的（按照ASTM G115-10标准）。

选择了这个距离是为了限制由于摩擦能量耗散导致的任何大范围温度升高，因此，摩擦系数仅是组件相对速度和法向载荷的函数。

为了复制界面的运动行为，针对盘的滑动速度与在同步期间离合器盘有效半径处发生的滑移速度相匹配。

最低的摩擦系数值出现在高滑动速度和较低的夹紧负荷情况下，相反，最高的摩擦系数值出现在较低的滑动速度和较高的夹紧负荷情况下。

线性拟合斜率提供了摩擦系数梯度ms的值，这将作为模拟的输入，梯度是夹紧负荷的函数，因此在参与过程中会相应地发生变化。

研究对象系统的静态摩擦系数μst被取为0.55，对应于1200 N下的0转/分的线性投影。

用于离合器数学模型的输入参数范围（由于商业敏感性，未提供确切值），通过将数值模拟结果与来自车辆的实验测量进行比较，完成了对干式离合器模型的验证。

实验从车辆以初速度3.91 km/h行驶开始，离合器从脱离位置开始，离合器踏板位置为60%的压缩。

在零时刻，压盘首次接触离合器盘，启动参与过程，逐渐地，在0-4秒内，驾驶员将离合器踏板从60%的踏板位置释放到51%。

而在4-7.2秒内，踏板保持在该位置，其中离合器踏板位置以及相应的缓冲偏转，输入轴弯曲运动的加速度使用采样频率为3 kHz的三轴压电加速度计在输入轴轴承附近进行测量获得。

轴承到输入轴尖端的距离为L = 0.109 m，其中发动机扭矩曲线是通过测量的空气质量、喷射燃油质量数据以及排除所有辅助负载（发电机、空调）来估计的。

使用霍尔传感器阵列和液压主缸活塞上的磁性目标测量了离合器踏板位置（该位置与踏板垫行程成比例）。

传感器信号通过脉冲编码调制方法（PCM）进行处理，并通过控制区域网络（CAN）传输。

为了验证干式离合器模型，使用发动机扭矩和离合器踏板位置作为输入数据来模拟输入轴弯曲运动。

在输入轴轴承位置计算了加速度，并将其幅度和频率与实验测量进行了比较，由于轴对称的振荡行为，出于简洁起见，下面仅呈现了Y轴的弯曲运动。

在实验测量期间，离合器系统表现出激进的NVH行为，其显著的固有频率约为300赫兹。

可以观察到，在操纵开始时（0-0.5秒），实验中的加速度幅度从6 m/s²增加到约10 m/s²的绝对值（峰峰值）。

在0.5 s-4 s的时间段内，驾驶员逐渐改变离合器踏板的位置，由于夹紧负荷的增加，加速度幅度几乎保持在相同水平。

从4秒开始，离合器踏板位置保持稳定，出现幅度减小的现象，导致在操纵结束时的绝对幅度接近4 m/s²（峰峰值）。

在所考察的操纵过程中，这两组数据在大小和趋势方面都有很好的匹配，振荡从约6 m/s²开始，增速逐渐增加，直至0.5秒。

离合器振动的动态特性及其频率分析

从0.5秒到4秒，加速度幅度约为10 m/s²，在保持离合器踏板位置（4-7.2秒）时，振荡减速，导致绝对幅度接近4 m/s²

由于离合器系统的轴对称设计，输入轴在X方向的加速度与Y方向的加速度具有类似的幅度和频率内容，因此，此后只呈现这两个方向之一的振动数据。

对于飞轮和输入轴的相对角速度，其中时间零对应于压盘和飞轮与离合器盘的首次接触点，称为“接触点”。

在这一瞬间，假设存在一个70 N的名义缓冲弹簧载荷，因此在离合器部件之间产生摩擦扭矩。

典型的初始飞轮转速为1570 rpm，发动机扭矩曲线被应用为模型输入，在参与过程中，飞轮和输入轴的角速度在约1.51秒时同步。

在此时，夹紧负荷（缓冲弹簧力）为3204 N，产生的摩擦扭矩为231 Nm，起步操纵过程中的摩擦系数变化。

在1.51秒后（离合器盘和飞轮之间的同步时间），系统中仅应用静态摩擦，然而，压盘在1.8秒时移动，直到达到0.6毫米的缓冲偏转。

缓冲偏转的实现速率稳定，并且等于t/3，根据摩擦系数的实验测量，可以注意到随着飞轮/压盘与离合器盘之间的相对速度降低，摩擦系数增加。

在0.4至0.47毫米的缓冲弹簧偏转范围内，摩擦系数略有下降，在此偏转范围内，弹簧载荷在1000-3000 N之间，相对速度在1200-400 rpm之间。

对于压盘在轴向方向（zpp）上的振动模拟结果，振动的振幅随时间减小，最终达到平衡位置。

在1.8秒后，离合器完全闭合，压盘不能在轴向方向上再进一步移动，因为缓冲弹簧已经完全压缩。

从100赫兹开始的主要频率对应于压盘的轴向运动，而在230赫兹处出现的次要固有频率是压盘倾斜的贡献。

120赫兹的频率对应于离合器盘的轴向运动，周期的初始阶段可见的次要频率是压盘倾斜的贡献。

振荡发生在约3×10^-3弧度的平衡位置上，这是由于缓冲和膜片弹簧力的周向变化，围绕Y轴的倾斜运动具有类似的行为。

在相应频率内容显示出200-300赫兹之间的固有频率贡献，对应于压盘的倾斜，以及以400赫兹为中心的第二个频率，这是由于离合器盘的倾斜。

当压盘倾斜的固有频率增加，从270赫兹开始，离合器盘在径向方向（Y轴）上的振动。

相应的小波图中国显示了三个频率，最低频率从约200赫兹开始，在1.2秒之前贡献到1.2秒。

而另外两个频率从230赫兹（压盘倾斜模态）和260赫兹开始，第一个贡献到0.3秒，第二个贡献到0.6秒。

从200赫兹开始的频率对应于离合器盘的径向运动，最高的260赫兹是来自输入轴弯曲模态的贡献，通过进行稳定性分析后，将进一步展示这两种运动会产生模态耦合不稳定性。

最后可以观察到三个主要的固有频率：从230赫兹开始的第一个频率对应于输入轴的弯曲运动，另外两个频率是离合器盘倾斜运动（约400赫兹）和离合器盘轴向运动（约100赫兹）的贡献。

摩擦引起的振荡问题在汽车动力传动系统中具有重要意义，本文通过实验测量和数值模拟，深入研究了干式离合器系统中摩擦引起的振荡现象，以及其在汽车动力传动系统中可能引发的NVH问题。

我们探讨了不同参与条件下的摩擦系数变化、振荡频率以及系统稳定性，研究发现，摩擦界面的非线性和模态耦合可能导致系统的不稳定性，从而引发噪音和振动问题。

通过深入分析和建模，我们可以更好地理解这些振荡现象，并为减轻其对车辆性能和用户体验的不良影响提供指导，这项研究对于改善汽车动力传动系统的设计和性能具有重要意义，为未来的研究和实践提供了有价值的参考。