顏伏伍，劉宗成，李 玲，吳 勇，魏 潘

(東風(fēng)小康汽車有限公司 汽車技術(shù)中心， 重慶 400039)

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，車輛的駕乘舒適性成為新的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，顧客對(duì)汽車的NVH 性能的要求將越來越高，涉及車輛的振動(dòng)噪聲問題已經(jīng)成為汽車技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1]。近幾年，各大汽車企業(yè)投入了大量資金和人員從事汽車NVH的研究，以解決目前汽車的NVH問題。汽車的NVH水平影響了其在市場(chǎng)上的前景。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中整車上所有大小零部件都在振動(dòng)，但顧客關(guān)注的主要是車內(nèi)能感知或目視到的振動(dòng)，如方向盤、地板、換擋桿、座椅等。其中，換擋桿的振動(dòng)一直是汽車產(chǎn)品性能開發(fā)中比較常見的問題之一。手動(dòng)擋車的換擋桿是駕駛員開車過程中接觸頻繁的部件，其振動(dòng)的大小直接影響駕駛員的駕駛心情，是體現(xiàn)汽車品質(zhì)的重要因素。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車換擋桿的研究，主要集中在換擋桿的操作舒適性上。車輛換擋桿抖動(dòng)，即目視可見的明顯振動(dòng)，雖然不是很嚴(yán)重，但是直接影響客戶對(duì)汽車質(zhì)量和品位的評(píng)價(jià)。手動(dòng)擋車的換擋桿抖動(dòng)問題是關(guān)注重點(diǎn)，特別是在城市公路工況下，駕駛員要頻繁地?fù)Q擋加減速，為方便操作，大部分人習(xí)慣將右手放在換擋桿上，故換擋桿的抖動(dòng)很容易被感知。范文波[2]、楊士欽[3]等分別研究了手動(dòng)擋變速器換擋桿性能的開發(fā)、優(yōu)化和評(píng)價(jià)；周凡華[4]、王陽(yáng)[5]等分別對(duì)換擋品質(zhì)和換擋沖擊進(jìn)行研究；陳浪等[6]經(jīng)過研究提出通過降低換擋桿本體橡膠襯套硬度、降低壓緊彈簧剛度、改進(jìn)尼龍球面墊結(jié)構(gòu)等優(yōu)化方案解決怠速換擋桿抖動(dòng)問題。截止目前，未查閱到對(duì)換擋桿在加速過程中出現(xiàn)抖動(dòng)問題的研究文獻(xiàn)。

本文通過頻譜分析、階次分析、模態(tài)試驗(yàn)分析和CAE分析等方法，確定引起加速過程中換擋桿振動(dòng)大的原因?yàn)閾Q擋機(jī)構(gòu)安裝支架共振導(dǎo)致?lián)Q擋桿強(qiáng)迫振動(dòng)，最終通過采取加裝隔振橡膠墊和加強(qiáng)換擋機(jī)構(gòu)安裝支架的措施，有效解決了換擋桿振動(dòng)大的問題。

1 換擋桿振動(dòng)機(jī)理分析

換擋桿通過換擋機(jī)構(gòu)安裝支架安裝在車身地板上，換擋桿振動(dòng)大一般表現(xiàn)在怠速工況和加速工況。換擋桿加速工況振動(dòng)大是指加速過程中在某個(gè)轉(zhuǎn)速或者某個(gè)車速時(shí)會(huì)出現(xiàn)“麻手”的不舒服感覺[7]。換擋桿本身不是車上的激勵(lì)源，不會(huì)主動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)[8]。只有當(dāng)激勵(lì)源的頻率與傳遞路徑上某部件或換擋桿自身固有頻率發(fā)生耦合時(shí)，換擋桿將間接或直接被激勵(lì)，從而產(chǎn)生較大振動(dòng)。

2 問題描述及分析

某即將量產(chǎn)的手動(dòng)擋SUV在主觀評(píng)價(jià)時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)換擋桿在各擋位急加速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 100 r/min附近時(shí)存在明顯的抖動(dòng)現(xiàn)象。該振動(dòng)嚴(yán)重影響車輛的NVH性能水平，量產(chǎn)后必然引起顧客抱怨，影響市場(chǎng)銷售，因此必須快速采取有效措施減小或消除該抖動(dòng)，以提高整車NVH性能水平[9]。

整車安裝狀態(tài)下?lián)Q擋桿本體的固有頻率一般在30 Hz附近[10]，怠速帶載工況易出現(xiàn)因換擋桿共振而導(dǎo)致的換擋桿振動(dòng)大現(xiàn)象。該款SUV換擋桿振動(dòng)大多出現(xiàn)在加速工況，在換擋頻率相對(duì)較高時(shí)，換擋桿強(qiáng)迫振動(dòng)的可能性也較大，但也不排除為換擋桿本體共振。

3 原因分析

3.1 換擋桿振動(dòng)和模態(tài)測(cè)試

為全面確認(rèn)問題現(xiàn)象，對(duì)問題樣車進(jìn)行客觀道路試驗(yàn)測(cè)試[11]。在換擋桿桿頂端手柄位置布置三向加速度傳感器，運(yùn)用LMS公司Test.Lab測(cè)試軟件，采用Signature Testing-Advanced 測(cè)試模塊在道路試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)整車進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，采樣頻率帶寬為6 400 Hz，頻率分辨率為1 Hz，采集工況分別為2擋、3擋、4擋、5擋全負(fù)荷加速工況，采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?1 000～5 000 r/min區(qū)間的振動(dòng)數(shù)據(jù)[12]。

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：各擋位全負(fù)荷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 100 r/min附近，換擋手柄均存在較大振動(dòng)(整車Z方向振動(dòng)最大)，如圖1所示。此結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相一致。通過階次分析、頻譜分析(以3擋測(cè)試數(shù)據(jù)為例)，如圖2所示，確定換擋桿抖動(dòng)是由于發(fā)動(dòng)機(jī)2階激勵(lì)引起結(jié)構(gòu)共振引起的，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率為67.5 Hz。

圖1 各擋換擋手柄振動(dòng)總級(jí)圖

圖2 3擋換擋手柄振動(dòng)頻譜圖

為確定換擋桿振動(dòng)是否是由換擋桿結(jié)構(gòu)共振引起，在整車狀態(tài)下對(duì)換擋桿模態(tài)進(jìn)行測(cè)試，采用LMS Test.Lab測(cè)試系統(tǒng)軟件，選擇Impact Testing錘擊法模態(tài)測(cè)試模塊對(duì)換擋機(jī)構(gòu)安裝支架進(jìn)行模態(tài)測(cè)試及分析。根據(jù)道路測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果，將模態(tài)測(cè)試分析頻率帶寬設(shè)置為0～100 Hz，頻率分辨率小于等于0.5 Hz。為防止能量泄露，輸入用力指數(shù)窗，輸出用指數(shù)窗，錘擊激勵(lì)要有規(guī)律，每次敲擊量級(jí)要相當(dāng)，不能出現(xiàn)連擊現(xiàn)象，進(jìn)行5次敲擊測(cè)試。為提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，測(cè)試過程中相干函數(shù)的值大于0.9[13]。換擋桿的模態(tài)測(cè)試結(jié)果為35.5 Hz，如圖3所示，由此可以確定該車的換擋桿振動(dòng)問題不是換擋桿本體共振引起的。

圖3 換擋桿FRF曲線圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)特征，引起換擋桿振動(dòng)的直接路徑只有兩條：

1) 變速器→換擋拉索→換擋桿；

2) 車上各振動(dòng)激勵(lì)源→車身→換擋機(jī)構(gòu)安裝支架→換擋桿。

3.2 傳遞路徑振動(dòng)測(cè)試及分析

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，車上的激勵(lì)源很多，如果從激勵(lì)源開始逐個(gè)排查解決會(huì)很浪費(fèi)時(shí)間，而且車上其他位置沒有發(fā)現(xiàn)大的振動(dòng)問題，可以判定主要激勵(lì)源(如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、進(jìn)氣、排氣等)不會(huì)有明顯問題。故從響應(yīng)的逆向開始排查解決，根據(jù)上面分析的兩條傳遞路徑，在試驗(yàn)室將換擋桿周邊的手套箱拆除，露出換擋機(jī)構(gòu)安裝支架，在變速器、換擋拉索支架(代表?yè)Q擋拉索振動(dòng))、換擋機(jī)構(gòu)安裝支架以及支架與車身連接位置車身側(cè)上分別布置三向加速度傳感器，在相同試驗(yàn)場(chǎng)采集三擋全負(fù)荷加速工況振動(dòng)數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示變速器、換擋拉索支架和車身側(cè)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 100 r/min附近時(shí)無明顯振動(dòng)現(xiàn)象，而換擋機(jī)構(gòu)安裝支架上有與換擋桿一樣的共振頻率，如圖4所示。因此，懷疑為換擋機(jī)構(gòu)安裝支架共振引起換擋桿的強(qiáng)迫振動(dòng)。

圖4 三擋換擋機(jī)構(gòu)安裝支架振動(dòng)頻譜圖

3.3 換擋機(jī)構(gòu)安裝支架模態(tài)測(cè)試

為進(jìn)一步確認(rèn)換擋桿產(chǎn)生抖動(dòng)的根本原因，在整車狀態(tài)下對(duì)換擋機(jī)構(gòu)安裝支架進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。測(cè)試方法與換擋桿模態(tài)測(cè)試方法一致。

通過分析換擋機(jī)構(gòu)安裝支架模態(tài)測(cè)試結(jié)果，可以看出換擋機(jī)構(gòu)安裝支架的模態(tài)頻率為67.5 Hz，如圖5所示。由此可以確定該SUV加速過程中換擋桿抖動(dòng)的原因?yàn)閾Q擋機(jī)構(gòu)安裝支架模態(tài)頻率低，共振引起換擋桿強(qiáng)迫振動(dòng)。

4 方案制定及驗(yàn)證

對(duì)比標(biāo)桿車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)該SUV的換擋機(jī)構(gòu)安裝支架本體剛度不足。一方面是這種簡(jiǎn)單的M型結(jié)構(gòu)(如圖6)剛度自身比較低；另一方面是換擋機(jī)構(gòu)安裝支架與車身之間是螺栓連接。目前多數(shù)標(biāo)桿車都是直接將支架焊接集成到車身上，剛度會(huì)比目前的設(shè)計(jì)強(qiáng)很多。這屬于前期經(jīng)驗(yàn)不足，設(shè)計(jì)上的缺陷。目前車輛即將量產(chǎn)，必須找到快捷有效的方案解決該問題，保證車輛的正常量產(chǎn)。

圖5 換擋機(jī)構(gòu)安裝支架FRF曲線圖

4.1 增加隔振橡膠墊

所有NVH問題的解決思路都可以從源、傳遞路徑、響應(yīng)3個(gè)方面開展。通過結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)換擋機(jī)構(gòu)安裝支架與換擋手柄操縱機(jī)構(gòu)之間的傳遞路徑是剛性連接，無隔振橡膠墊，因此首先想到的方案是在其間增加隔振橡膠墊(如圖6圈中位置)，衰減換擋機(jī)構(gòu)安裝支架振動(dòng)向換擋桿的傳遞。通過供應(yīng)商提供不同硬度的橡膠墊裝車驗(yàn)證，經(jīng)主觀評(píng)價(jià)和實(shí)車測(cè)試，實(shí)車測(cè)試結(jié)果如圖7所示，換擋桿振動(dòng)有所降低，但仍不可接受，不能達(dá)到量產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 換擋機(jī)構(gòu)增加隔振橡膠墊

4.2 加強(qiáng)換擋機(jī)構(gòu)安裝支架

增加隔振橡膠墊是最快捷方便的解決方案，但無法徹底解決NVH問題，只能通過修改換擋機(jī)構(gòu)安裝支架的結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)。結(jié)合工程實(shí)際，并經(jīng)過多輪CAE分析優(yōu)化，最終確定的具體方案為：將原來的板厚1.2 mm提高為1.5 mm，同時(shí)在如圖8所示的3處增加加強(qiáng)板。為節(jié)約項(xiàng)目整改周期，同時(shí)減少項(xiàng)目開發(fā)成本，使用HyperMesh前處理軟件進(jìn)行有限元建模[14]。

圖7 增加隔振墊前后換擋手柄振動(dòng)對(duì)比圖

經(jīng)CAE分析，加強(qiáng)后的支架模態(tài)頻率由67.5 Hz提高到181 Hz，分析結(jié)果如圖9所示。此模態(tài)頻率已高于發(fā)動(dòng)機(jī)主階次激勵(lì)的常用頻率，可以保證支架不被激勵(lì)。且經(jīng)過標(biāo)桿分析，建議后期車型開發(fā)前期，制定換擋機(jī)構(gòu)安裝支架的模態(tài)頻率大于170 Hz的目標(biāo)。

圖8 換擋機(jī)構(gòu)安裝支架加強(qiáng)

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將加強(qiáng)后的工程樣件(為保證徹底解決問題，同時(shí)實(shí)施了增加隔振橡膠墊方案)在50臺(tái)份小批量試生產(chǎn)樣車上進(jìn)行裝車驗(yàn)證，主觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)所有車輛均未出現(xiàn)換擋桿抖動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)，隨機(jī)抽取一輛樣車進(jìn)行客觀數(shù)據(jù)測(cè)試，從整車3擋全負(fù)荷加速工況下?lián)Q擋桿振動(dòng)數(shù)據(jù)(如圖10所示)的前后對(duì)比上可以看出：振動(dòng)幅值較原狀態(tài)下降 3.5 m/s2。

圖9 換擋機(jī)構(gòu)安裝支架加強(qiáng)前后CAE分析結(jié)果

圖10 三擋換擋手柄振動(dòng)優(yōu)化前后對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某SUV開發(fā)過程中出現(xiàn)的換擋桿抖動(dòng)問題，本文通過階次分析、頻譜分析、模態(tài)分析技術(shù)發(fā)現(xiàn)引起換擋桿抖動(dòng)的原因?yàn)閾Q擋機(jī)構(gòu)安裝支架剛度弱共振引起換擋桿強(qiáng)迫振動(dòng)，通過增加隔振橡膠墊和加強(qiáng)換擋機(jī)構(gòu)安裝支架結(jié)構(gòu)解決了該問題。對(duì)換擋機(jī)構(gòu)安裝支架進(jìn)行CAE分析提高換擋機(jī)構(gòu)安裝支架的固有頻率，試驗(yàn)驗(yàn)證消除換擋桿抖動(dòng)。通過對(duì)換擋機(jī)構(gòu)安裝支架模態(tài)分析，總結(jié)出換擋機(jī)構(gòu)安裝支架的設(shè)計(jì)頻率要求，為后期車型換擋機(jī)構(gòu)支架的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供參考。