李明　顾书东　王丹

摘 要：针对与飞轮-离合器摩擦副相关的整车抖动现象，通过采用有限元理念对摩擦副的温场特性进行研究，采用试验的方法研究滑磨过程中摩擦片摩擦系数变化规律，同时结合大量NVH试验数据统计出压盘-飞轮摩擦面粗糙度与起步抖动的关系。采用整车起步NVH测试和主观评价方法，评价不同摩擦副因素下整车的起步抖动性能，总结出摩擦副影响起步抖动的因素。

关键词：摩擦副；温场；摩擦副结构；摩擦系数；粗糙度；一阶抖动

随着社会经济和汽车工业的发展，人们对汽车驾驶舒适性提出了更大的要求，通过不断优化和发展新的离合器技术，同时匹配新的发动机和变速器技术，使驾驶乐趣、低油耗和舒适性更完美的结合在一起。由于结构简单和经济，在自然吸气发动机上仍然大量采用单质量飞轮搭配离合器的技术。

车辆起步抖动是采用单质量飞轮搭配离合器技术车辆常见的故障现象，在汽车起步时，挂上低速档，松开离合器踏板过程中，乘客在车内会感觉到明显的抖动。微型汽车起步时产生抖动的原因很多，包括制造、安装误差、零件破损失效、操作保养不当等[1]。离合器和飞轮组成的摩擦副结构，在离合器滑磨过程中如果传递的摩擦力矩不稳定，会导致出现起步抖动问题。本文重点研究离合器-飞轮摩擦副结构影响起步抖动的因素，寻找起步抖动的解决方案，并进行主观评价和客观测量的验证。

1 摩擦副性能研究

摩擦副性能的影响因素包括摩擦副结构和工况条件两个方面[2]。摩擦副结构主要包括散热结构和摩擦面的设计，本文研究摩擦面的设计。而工况主要是对摩擦系数的影响，工况包括温度、工作载荷和相对滑动速度这3个工况条件，本文研究温度对摩擦系数的影响规律。

1.1 摩擦副温场的研究

离合器结合过程，在摩擦片与飞轮（离合器压盘）转速同步之前，飞轮（离合器压盘）与摩擦片相对滑摩，滑摩功转化成热量，由于离合器本身结构以及在动力总成所处的位置，散热受到限制，热量累积导致摩擦副表面的温度不断提高。

1.1.1 摩擦副有限元模型的建立和计算

对离合器摩擦副进行有限元分析，在 CATIA中建立离合器压盘、摩擦片模型并导入 ANSYS 对模型进行映射网格划分。分析中选用 SOLID70单元進行热分析。有限元边界如图1左图所示。

为了研究离合起结合过程中最严苛的工况，我们按照爬坡工况进行参数设定，整车最大满载质量1820KG，12%坡道，每次循环时间60s，其中离合器滑磨时间2.54s，总共20个循环。在上述边界条件下，根据离合器所处的状态对其加载并进行第1～20个循环的求解，考核在每次循环过程中摩擦片表面的最高温度。

图1右图为20个循环后的温度分布。可看出温度呈明显的梯度分布，压盘和飞轮的温度分布类似，摩擦片结合面径向温度在靠近内边缘处达到最高 ，温度向外边缘逐渐降低。轴向上随着离合器接合次数增加温度逐渐由表面（接触面）向背面、由边缘向内部扩散。压盘和飞轮内边缘聚集的热量最高，变形量最大。

1.1.2 摩擦副结构优化设计

根据温场仿真结果，压盘和飞轮的内边缘较外边缘变形量更大。如果压盘和飞轮摩擦表面设计成内凹锥面，滑摩过程中飞轮和压盘受热变形后与摩擦片平面仍具有较好的几何平行度，摩擦片的受力均匀，扭矩传递更平顺。

一种现有的摩擦副结构采用内凹锥面压盘和内凸锥面飞轮，压盘和飞轮摩擦面锥度值分别定义为0.4%-0.6%和0.1%-0.3%。根据热能公式Q=cmΔT，以滑摩过程中最大能量值为临界点，将压盘和飞轮材料的比热容、密度、体积代入公式计算，0.4%-0.6%锥度的压盘对应的飞轮锥度为0.18%-0.38%，两者的摩擦面均为内凹锥面。

1.2 温度对摩擦性能的影响

本文设计了一套整车热能试验规范，用于研究温度对摩擦系数的影响规律。

1.2.1 热能试验规范

摩擦片摩擦系数与滑磨能量有关，我们设计了一套热能试验规范，离合器滑磨能量趋近于摩擦材料的衰退极限，以此研究高温下摩擦片性能的变化规律，采用3种型号的摩擦片材料。热能试验分为5个阶段，1阶段是磨合工况，使零件达到较好的表面状态，第2阶段是低能量爬坡起步，离合器滑磨产生的热量较低，第3阶段是预热，在平地进行低能量的起步，第4阶段是高能量爬坡起步，离合器滑磨产生的热量高，第5阶段是低能量爬坡起步。

1.2.2 试验数据分析

处理试验数据得到摩擦系数、温度、能量三者的变化曲线，图2表现出3种摩擦材料摩擦系数随温度变化的趋势一致，均随温度的升高呈现稳定-缓慢减小-急剧减小。在200°以内，摩擦系数随着温度升高波动较小，大致趋于稳定，从200°上升到300°，摩擦系数随着温度的升高缓慢减小，从300°到400°，摩擦系数随着温度的升高急剧减小。随着温度的升高，酚醛树脂热分解越来越剧烈，产生的液体及气体相应增多，润滑作用越来越明显，因而摩擦系数急剧减小。

1.3 压盘-飞轮摩擦面粗糙度的研究

根据摩擦机理，摩擦系数的稳定性受摩擦表面粗糙度影响，基于大量的离合器起步抖动NVH试验的数据，统计出抖动敏感性与金属摩擦面粗糙度的关系，数据分析发现，粗糙度Ra2.5-5.5摩擦面对抖动的敏感性最低，粗糙度Ra0.8-2.7和Ra8-9.5摩擦面对抖动敏感性更高。证明压盘-飞轮摩擦面粗糙度会影响起步抖动性能，在第2章节我们会试验验证不同粗糙度对整车起步抖动的影响。

2 不同摩擦副因素下起步抖动性能的验证

整车起步抖动试验采用主观评价和客观测量相结合的手段。主观评价采用10分制打分，客观测量采用LMS 8通道振动噪声采集系统，获取发动机转速、变速箱一轴转速、前排座椅纵向加速度信号，采用FFT滤波和colar map彩图分析起步过程中的一阶抖动数据（摩擦副的几何参数主要是影响起步过程中的一阶抖动）。采用各种定义的摩擦副进行交叉试验，试验编号和摩擦副定义见表1。

试验1、2和3，统计的前排座椅一阶角加速度Vs主观评价得分的散点图，试验2的起步抖动评价优于试验1，试验3的起步抖动评价优于试验1，分别说明提高压盘（飞轮）摩擦面的粗糙度和采用高温下摩擦系数更稳定的摩擦片，有助于提高起步抖动性能。

试验4、5、6和7，统计的前排座椅一阶角加速度Vs主观评价得分的散点可以得出，将飞轮由改为后，试验5的起步抖动评价优于试验7，试验6的起步抖动评价优于试验4，试验5的起步抖动评价优于试验4，分别说明内凸锥面更改为内凹锥面、提高飞轮摩擦面的粗糙度和大锥度摩擦面，有助于提升起步抖动性能。

3 解决方案

（1）在一定范围内提高压盘和飞轮摩擦面的粗糙度，可以提高离合器-飞轮摩擦副传递扭矩的稳定性，降低起步抖动；

（2）采用很宽的温度范围内摩擦系数更稳定的摩擦片，使离合器-飞轮摩擦副在其工作温度范围内摩擦性能保持稳定，降低起步抖动；

（3）优化离合器-飞轮摩擦副结构，设计内凹锥形匹配的压盘和飞轮，使离合器滑磨过程中摩擦片的受力均匀，降低起步抖动。

参考文献：

[1]徐石安，江发潮.汽车离合器（M）.北京：清华大学出版社，2005.

[2]温诗铸，黄平.摩擦学原理（M）.北京：清华大学出版，2002.