變速器換擋異響問題有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

曹昭展

(上海汽車變速器有限公司，上海201800)

0 引言

變速箱換擋性能是指駕駛員換擋過程中，換擋桿、拉索、變速器等具有的性質(zhì)和功能。好的換擋性能要求在換擋過程中無換擋沖擊，使乘員無不適的感覺。目前，絕大多數(shù)整車采用間接操縱，即變速器、發(fā)動機(jī)等的抖動通過拉索傳遞到駕駛員手球，這樣抖動會被衰減掉很多。通過拉索及操縱機(jī)構(gòu)，對變速箱本體進(jìn)行操縱，換擋更柔和，容易獲得更好的換擋手感。文中針對這種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的換擋異響問題展開具體分析。

1 問題背景

某整車廠配置一款縱置變速器，出現(xiàn)“掛擋時副儀表臺共振異響/換擋異響，掛擋時有咚咚咚的聲音”的現(xiàn)象，整車廠以為是拉索和操縱機(jī)構(gòu)的問題，采取了兩個措施：

(1)在換擋機(jī)構(gòu)拉索端增加190 g質(zhì)量的配重塊，大約降了1～2 dB，如圖1所示，圈住部分即為配重塊。

(2)在變速器換擋搖臂配重塊上增加“X向頻率為265 Hz，Z、Y向頻率為295 Hz，質(zhì)量340 g”的吸振器，大約降了7 dB，如圖2所示。

圖1 拉索增加配重塊

圖2 換擋搖臂加吸振器

第二個措施有非常明顯的效果，一般可降7 dB，最大可降9 dB。于是提出了兩個具體方案：

(1)考慮到吸振器的質(zhì)量，將換擋配重塊減掉部分質(zhì)量后增加螺紋孔或螺柱，將適當(dāng)?shù)奈衿餮b配到配重塊上；

(2)將變速器上的配重塊按一定的頻率和質(zhì)量直接包硫化橡膠到搖臂上，配重塊和搖臂之間通過橡膠連接。

針對以上方案，對于如何解決異響問題作進(jìn)一步分析。

2 問題理論分析

首先來認(rèn)識一下吸振器的原理，探討整車廠如何通過吸振器來消除振動。吸振器組成如圖3所示。

圖3 吸振器組成

其原理是：在振動物體上存在具有一定質(zhì)量的彈簧阻尼系統(tǒng)附件，附加系統(tǒng)對主系統(tǒng)的作用力正好平衡了主系統(tǒng)上的激勵。這種利用附加系統(tǒng)吸收主系統(tǒng)的振動能量以降低主系統(tǒng)的振動的設(shè)備稱為動力吸振器。

吸振器的性能測試如下：試驗(yàn)采用錘擊激勵法。將動力吸振器放在剛性平臺上，加速度傳感器放在動力吸振器上，用帶有力傳感器的力錘在動力吸振器表面中間的激勵點(diǎn)位置敲擊，動力吸振器由于激勵產(chǎn)生振動。該振動由測試點(diǎn)上的傳感器拾取，經(jīng)分析儀處理后得到動力吸振器在X、Y、Z3個方向的幅頻曲線，進(jìn)而得到固有頻率。文中整車廠使用的吸振器性能：X向頻率為265 Hz，Z、Y向頻率為295 Hz。

在整車調(diào)試中最常用方法是利用吸振器來消除振動產(chǎn)生的某個特定頻率。吸振器可以在某個頻率范圍內(nèi)有效地衰減振動，而且簡單實(shí)用，不需要改變車輛本身的結(jié)構(gòu)，已成為汽車 NVH 設(shè)計(jì)和調(diào)試中重要的減振手段之一。將它連接于主動件振動位移最大的位置，當(dāng)系統(tǒng)振動時，動力吸振器產(chǎn)生的反作用力可以使主動件的振動減小，從而減小汽車在特定頻段內(nèi)的振動噪聲。

此案例中就是整車廠通過使用吸振器找到了產(chǎn)生換擋異響的位置，即換擋搖臂處，這說明在減振調(diào)試中吸振器是一個很重要的手段之一。

3 有限元仿真分析

3.1 模態(tài)分析

通過有限元軟件可以對換擋搖臂進(jìn)行模態(tài)分析，求出換擋搖臂的固有特性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得出線性結(jié)構(gòu)在受到隨時間以正弦(簡諧) 規(guī)律變化的載荷的作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，從而得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的最大值隨簡諧載荷頻率變化的規(guī)律。

由于換擋搖臂的振動主要是由一階模態(tài)引起，由振動相關(guān)理論可知，高階模態(tài)對響應(yīng)的影響很小且速度減小快，低階模態(tài)在結(jié)構(gòu)的振動過程中起主要作用，故只考慮前幾階的低階模態(tài)。在模態(tài)分析中，低階模態(tài)的作用占主導(dǎo)地位，高階模態(tài)影響較小，且階數(shù)越高，影響越小。文中分析時模態(tài)分析取前6階。

試驗(yàn)?zāi)B(tài)(如圖4所示)測出一階頻率為68.9 Hz，通過仿真求出約束模態(tài)一階模態(tài)頻率為78.6 Hz，誤差為12%。誤差略微有些大，一般控制在10%以內(nèi)，后續(xù)需要對約束位置的剛度因素進(jìn)行調(diào)試，找出規(guī)律。

圖4 模態(tài)試驗(yàn)

3.2 諧響應(yīng)分析

模態(tài)分析中的位移值是一個相對的量值，它表征各節(jié)點(diǎn)在某一階固有頻率上振動量的相對比值，反映該固有頻率上振動的傳遞情況，并不反映實(shí)際振動的數(shù)值。而通過諧響應(yīng)分析可以得到換擋搖臂的位移和頻率之間的關(guān)系，并且可以得到換擋搖臂在某一頻率范圍內(nèi)的振動情況，計(jì)算出換擋搖臂在易發(fā)生共振的頻率下的振動幅值，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

諧響應(yīng)分析試驗(yàn)也是模態(tài)測試的方法，如圖4所示用小錘錘擊，激振點(diǎn)和測試點(diǎn)是同一個點(diǎn)，頻響函數(shù)縱坐標(biāo)是在1 N力下激起的振動加速度。仿真和試驗(yàn)保持一致，先模態(tài)分析取前6階，用模態(tài)疊加法計(jì)算出換擋搖臂的臂端加速度響應(yīng)頻率曲線。如圖5所示，在方塊區(qū)域加1 N的力，提取此區(qū)域的振動加速度響應(yīng)，直接獲取到的加速度響應(yīng)結(jié)果單位是m/s2，加速度響應(yīng)結(jié)果比較大，為便于數(shù)值觀察，試驗(yàn)人員用公式20lga對數(shù)據(jù)進(jìn)行換算處理，a是以g為單位的加速度，仿真的結(jié)果也用此公式進(jìn)行換算，與試驗(yàn)結(jié)果保持一致。最終可以看出圖6和圖7數(shù)值基本保持一致。

圖5 諧響應(yīng)仿真分析加載

圖6 試驗(yàn)結(jié)果曲線

圖7 仿真結(jié)果曲線

基于文中開頭提出的兩個方案，又參考其他平臺的換擋搖臂結(jié)構(gòu)，圖8所示是鎖定的優(yōu)化方法，把天然橡膠通過螺紋與配重塊一起裝配到換擋搖臂上。此方案帶來的直接影響是增大了換擋搖臂的阻尼。

圖8 優(yōu)化后方案

阻尼是動力分析的一大特點(diǎn)，也是動力分析中容易引起困惑之處，由于它影響動力響應(yīng)的衰減，因此對于諧響應(yīng)分析十分重要。阻尼的本質(zhì)和表現(xiàn)是相當(dāng)復(fù)雜的，相應(yīng)的模型也很多。ANSYS提供了強(qiáng)大又豐富的阻尼輸入，材料阻尼、恒定阻尼比，振型阻尼等，一個系統(tǒng)如果沒有阻尼，諧響應(yīng)分析出在共振峰處的響應(yīng)會非常大，而阻尼無法通過仿真計(jì)算獲得，只能通過試驗(yàn)獲取。因此在仿真試驗(yàn)中的阻尼比只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置。此案例中通過試驗(yàn)測出優(yōu)化前阻尼比為0.57%，優(yōu)化后阻尼比為1.71%。仿真諧響應(yīng)分析時直接輸入此阻尼比，仿真結(jié)果如圖10所示，縱坐標(biāo)的值與試驗(yàn)結(jié)果圖9量級基本一致。后續(xù)需要在阻尼比方面進(jìn)行不斷的積累，以便仿真時可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置。

圖9 優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果曲線

圖10 優(yōu)化后仿真結(jié)果曲線

4 減振問題解決過程

以上通過對換擋搖臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，增加了橡膠塊材料，也就是增大了換擋搖臂的阻尼，最終整車廠反饋換擋異響噪聲降低7 dB，解決了噪聲問題，關(guān)鍵步驟如下：

(1)問題提出：在某車型和變速箱開發(fā)過程中，通過主觀評價，發(fā)現(xiàn)有異響，可以通過噪聲測試得到振動頻譜圖，找到在某頻率下振幅較大。由主觀經(jīng)驗(yàn)和模態(tài)測試確定產(chǎn)生噪聲的原因及所在部件，在部件上增加吸振器，目的是找到問題源部件。

(2)試驗(yàn)：布置好吸振器，對噪聲進(jìn)行數(shù)據(jù)前后比對，如果噪聲水平下降說明找到問題所在，然后對其進(jìn)行方案落實(shí)。

(3)方案落實(shí)：可以從提高部件模態(tài)頻率的角度來提高其剛性，或者從阻尼的角度對共振的幅值進(jìn)行降低，先通過仿真得出部件的模態(tài)和諧響應(yīng)分析下的振幅，對優(yōu)化方案進(jìn)行比對，找到較優(yōu)的方案。

(4)實(shí)物驗(yàn)證：對優(yōu)化后安裝的實(shí)物重新測試其性能。

針對換擋搖臂出現(xiàn)的振動噪聲解決過程進(jìn)行了一個簡單的介紹，這也是通過改變振幅來尋找解決振動問題的一個實(shí)際案例，由于以前對相關(guān)知識缺乏，在此案例過程中數(shù)據(jù)積累的不夠，與整車廠的溝通也缺乏，但通過此成功案例對知識進(jìn)行一定的梳理，相信在后續(xù)的類似問題中可以更好地把握。隨著試驗(yàn)和仿真的對標(biāo)積累，阻尼比數(shù)值的積累，通過仿真確定出較優(yōu)方案，這樣會使產(chǎn)品性能越來越好，從而節(jié)約人力物力。

5 換擋搖臂優(yōu)化設(shè)計(jì)

另一實(shí)際案例，某款小扭矩橫置變速箱，整車廠反饋在轉(zhuǎn)速為4 000～5 000 r/min時有抖動現(xiàn)象，經(jīng)測試換擋搖臂的約束模態(tài)一階頻率為92 Hz，如圖11所示。對換擋搖臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改，如圖12所示，板厚從原來的4.5 mm增到6 mm，同時質(zhì)量塊位置進(jìn)行了調(diào)整，優(yōu)化后約束模態(tài)一階頻率為266 Hz。通過有限元仿真，更改前約束模態(tài)一階頻率為100 Hz，優(yōu)化后約束模態(tài)一階頻率為269 Hz，與試驗(yàn)基本一致。優(yōu)化后抖動現(xiàn)象消失，說明提高換擋搖臂的模態(tài)頻率解決了抖動問題。

圖11 某橫置變速箱優(yōu)化前搖臂

圖12 某橫置變速箱優(yōu)化后搖臂

現(xiàn)對目前手動變速箱平臺上使用換擋搖臂作一個統(tǒng)計(jì)，圖13為部分換擋搖臂模型，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

圖13 部分換擋搖臂模型

種類換擋搖臂1換擋搖臂2換擋搖臂3約束一階模態(tài)頻率/Hz77192210

換擋搖臂的結(jié)構(gòu)影響換擋手感，同時會出現(xiàn)掛擋異響抖動的情況。換擋搖臂的臂長、剛度、質(zhì)量塊分配直接影響換擋搖臂的性能。對換擋搖臂從振動的角度考慮時，盡量提高其一階模態(tài)。通過以上統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，一類是沖壓件，如換擋搖臂1；一類是鑄造類，如換擋搖臂2和3。配種塊的分布也有兩類，一類是直接焊接，如換擋搖臂1；一類通過螺栓連接到搖臂上，如換擋搖臂3。沖壓件模態(tài)都偏低，并且提高模態(tài)頻率的空間很小，一般通過增加板厚來提高頻率，但也比較局限，也可以通過調(diào)整配重塊位置和大小，但配重塊影響換擋手感，所以配重塊的匹配也是很重要的。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出，鑄件易于提高模態(tài)頻率，材料分布比較靈活；配重塊通過螺栓連接的方式可以對其進(jìn)行調(diào)整匹配，以達(dá)到振動和換擋手感有一個合理的性能。綜上考慮選擇鑄件提高模態(tài)，配重塊采用螺栓連接的方式以便調(diào)整，這有助于后期對換擋搖臂設(shè)計(jì)時進(jìn)行綜合性能考慮，因此換擋搖臂3是3種結(jié)構(gòu)中最優(yōu)的，并且結(jié)果顯示一階模態(tài)頻率也是最大的。

6 結(jié)論

(1)減振方面，僅從實(shí)際案例中找到了一個途徑、方法和思路，可以通過減振器找到解決振動問題的部件，然后通過有限元模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析對部件優(yōu)化前后進(jìn)行仿真，通過仿真結(jié)果對前后方案進(jìn)行比對，尋找較優(yōu)結(jié)構(gòu)，再通過實(shí)物裝機(jī)驗(yàn)證，積累經(jīng)驗(yàn)后可以通過早期設(shè)計(jì)達(dá)到較優(yōu)性能。

(2)從對換擋搖臂的實(shí)際案例可以看出：提高模態(tài)固有頻率，目前給出的考核要求是換擋搖臂一階固有頻率大于200 Hz(汽油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速6 000 r/min時2階對應(yīng)的頻率)，文中案例中換擋搖臂從100 Hz提高到269 Hz，換擋抖動現(xiàn)象消失；降低其諧響應(yīng)分析的振幅，文中案例中振幅從原來的27.7 dBg降低到優(yōu)化后的13.6 dBg，換擋異響噪聲降低7 dB，綜上說明兩者結(jié)合起來可避免換擋搖臂帶來的振動噪聲問題。

(3)統(tǒng)計(jì)出目前手動變速箱平臺上使用的部分換擋搖臂，最后總結(jié)出較好的換擋搖臂結(jié)構(gòu)，可為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。