MT車型換擋桿振動試驗研究與仿真分析

黃超華，陳志遠，田子龍，陳寒霜，馬安康

(廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州511434)

近年來，隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展及消費者對汽車性能要求的提高，汽車的NVH問題日益收到關(guān)注，各大汽車廠商在整車開發(fā)中對NVH性能改善的投入也越來越多。其中，對于MT車型，駕駛員使用換擋桿的頻率較高，換擋桿的振動大小直接影響了車輛駕駛品質(zhì)的優(yōu)劣。據(jù)調(diào)查，市場上大部分MT車型在加速過程中，換擋桿均存在不同程度的“顫抖”現(xiàn)象。因此，研究換擋桿的振動機理，建立換擋桿振動的控制方法，對改善MT車型的NVH 性能表現(xiàn)具有重要意義。

基于MT 車型換擋桿振動問題，業(yè)內(nèi)有很多研發(fā)人員對其進行了研究及優(yōu)化，大體分為三類研究方向：一、通過控制變速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)精度，減小由于內(nèi)部間隙干涉而造成的換擋桿振動，如同步器與齒輪間隙、換擋撥叉與齒套間隙、撥塊與撥頭間隙等[1–2]；二、分析整個激勵源-換擋桿支架的傳遞路徑，對其隔振薄弱處進行隔振，如降低壓緊彈簧剛度、降低橡膠襯套硬度等[3]；三、針對振動傳遞路徑中相對薄弱的部件，如換擋桿支架、換擋搖臂支架等，對其進行加強優(yōu)化[4–5]。本文針對該問題，嘗試從變速器換擋機構(gòu)本體及傳遞路徑兩方面展開研究。

本文針對某MT車型的三、四擋加速過程中，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 800 r/min、2 400 r/min附近出現(xiàn)的換擋桿振動問題，從振動特征和振動幅值大小兩方面入手，對其產(chǎn)生機理進行分析。結(jié)合主觀評價和客觀測試，對換擋桿振動進行綜合評估。在激勵源和傳遞路徑優(yōu)化兩方面提出了換擋桿振動的控制方法和標準，通過對變速器換擋機構(gòu)優(yōu)化、換擋拉鎖隔振優(yōu)化，提升MT 車型的換擋桿振動水平，并通過主、客觀評價對減振方案有效性進行驗證。

1 換擋操縱系統(tǒng)概述

本文分析研究的MT 車型，其換擋操縱系統(tǒng)如圖1所示，主要包含變速器、換擋機構(gòu)、換擋配重、換擋搖臂、換擋拉索、換擋桿底座、換擋桿等部件。與通常意義上的前置前驅(qū)MT車型布置相同。

圖1 換擋操縱系統(tǒng)示意圖

2 測試設(shè)備及方法

整車換擋桿振動測試所用儀器包括LMSSCM205 型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前端、B&K4524B 型三向加速度計、便攜式計算機等。振動傳感器布置在變速器換擋機構(gòu)的換擋配重、選擋搖臂、換擋搖臂，如圖2所示；車內(nèi)換擋桿如圖3所示。同時通過CAN 總線采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機扭矩數(shù)據(jù)作為參考。

圖2 換擋配重、換擋搖臂、選檔搖臂測點

圖3 換擋桿測點

3 換擋桿振動機理分析

為分析加速換擋桿振動的產(chǎn)生機理，對三擋模式進行加速測試（三擋工況下，該問題較明顯），轉(zhuǎn)速范圍為1 000 r/min～4 000 r/min，主要關(guān)注點為變速器換擋機構(gòu)，換擋搖臂、選檔搖臂、換擋桿的三向振動幅值。根據(jù)客觀測試及主觀評價結(jié)果，顯示在轉(zhuǎn)速1 800 r/min左右、2 400 r/min左右，換擋桿出現(xiàn)明顯振動。同時客觀數(shù)據(jù)顯示在換擋機構(gòu)的換擋配重、換擋搖臂以及換擋桿在同樣轉(zhuǎn)速區(qū)間出現(xiàn)相應(yīng)振動峰值，如圖4所示。

圖4 換擋機構(gòu)、換擋搖臂、換擋桿振動測試結(jié)果

根據(jù)圖4所示的測試結(jié)果，懷疑在變速器換擋機構(gòu)處，或者車內(nèi)換擋桿處存在相應(yīng)的局部模態(tài)，在轉(zhuǎn)速經(jīng)過該模態(tài)區(qū)間時，振動被激勵起來。同時振動通過換擋機構(gòu)的換擋配重傳遞至換擋搖臂，再通過換擋拉鎖將振動傳遞至換擋桿；或者振動反向從換擋桿通過換擋拉鎖傳遞至換擋機構(gòu)。

為了確認在變速器換擋機構(gòu)、車內(nèi)換擋桿兩處是否存在相應(yīng)的局部模態(tài)，對變速器換擋機構(gòu)（包含原換擋機構(gòu)、換擋搖臂、換擋配重等）、換擋桿（包括換擋手柄、換擋桿、換擋桿底座等）進行CAE建模分析，運用HyperMesh 進行前后處理，再用Nastran 進行分析計算，得到變速器換擋機構(gòu)、車內(nèi)換擋桿操縱機構(gòu)的模態(tài)計算結(jié)果，如表1中所示。

從表1結(jié)果可以得出，換擋桿操縱機構(gòu)模態(tài)較低，與問題相關(guān)性不大。但是變速器換擋機構(gòu)存在Y方向120 Hz、X/Z方向160 Hz 彈性體模態(tài)，與發(fā)動機4 階在1 800 r/min、2 400 r/min 左右的頻率相對應(yīng)，其分析結(jié)果如圖5（Y向）、圖6（X/Z向）所示。

圖5 換擋機構(gòu)Y向彈性體模態(tài)

圖6 換擋機構(gòu)X/Z向彈性體模態(tài)

表1 換擋機構(gòu)、換擋桿操縱機構(gòu)模態(tài)計算結(jié)果

綜合以上客觀測試及CAE分析結(jié)果，推斷換擋桿振動產(chǎn)生機理，如圖7所示，主要包括激勵源和傳遞路徑。激勵源方面需要對變速器換擋機構(gòu)彈性體模態(tài)進行優(yōu)化，至于傳遞路徑，則需要進行換擋拉鎖隔振優(yōu)化。

圖7 換擋桿振動產(chǎn)生機理

4 方案優(yōu)化設(shè)計

4.1 整體優(yōu)化思路

換擋桿振動控制方法，主要包括變速器換擋機構(gòu)彈性體模態(tài)控制和換擋拉鎖隔振控制，其整體控制流程如圖8所示。

圖8 換擋桿振動控制流程

換擋桿處的振動總值是直觀反映換擋桿振動水平的指標，也是換擋桿振動需要控制的最終指標。振動總值（Root of squares sum，RSS）的物理意義為某一測點3個方向振動能量的總和，其計算公式為

式（1）中：R為振動總值；Sx、Sy、Sz分別為X、Y、Z向的振動有效值。

4.2 激勵源控制

針對變速器換擋機構(gòu)120 Hz、160 Hz 彈性體模態(tài)問題，根據(jù)CAE 變形能結(jié)果，主要針對變速器換擋機構(gòu)芯軸、換擋配重進行優(yōu)化。優(yōu)化方案及其模態(tài)計算結(jié)果，如表2所示。

表2 優(yōu)化方案及模態(tài)結(jié)果

同時，對各方案的換擋撥叉→換擋配重的振動傳遞函數(shù)（VTF）進行分析，其結(jié)果如圖9（a）至圖9（c）所示。由方案1、方案2分析結(jié)果可知，換擋機構(gòu)芯軸軸徑改變對120 Hz、160 Hz模態(tài)有影響，軸徑越粗，模態(tài)越高，而對VTF幅值基本無影響；由方案3、方案4分析結(jié)果可知，減小換擋配重質(zhì)量，模態(tài)提升明顯，能有效避開問題頻率，但VTF 幅值也隨之上升。但方案3 量產(chǎn)可行性最大，同時對換擋吸入感影響最小，擬做為主要優(yōu)化方案實施。

圖9 換擋撥叉→換擋配重振動傳遞函數(shù)分析結(jié)果

4.3 換擋拉索優(yōu)化

換擋桿振動主要由換擋機構(gòu)通過換擋拉鎖，傳遞至車內(nèi)換擋桿。其中換擋拉鎖的隔振能力主要受拉鎖曲率半徑大?。ㄈ鐖D10 所示）以及換擋拉鎖鎖芯與拉鎖套管的間隙大小、拉鎖球頭橡膠特性等因素影響。

圖10 換擋拉索曲率半徑

因此，換擋拉鎖隔振優(yōu)化主要通過以下3 方面實施：一、在滿足曲率半徑布置要求的前提下，把換擋拉鎖曲率半徑做到最小，增大換擋拉鎖鎖芯與拉鎖套管的摩擦力，減弱振動傳遞。二、換擋拉索球頭增開月牙槽，如圖11 所示，以降低換擋機構(gòu)傳遞至換擋桿的振動量值。三、換擋拉索增加阻尼，通過在換擋拉鎖鎖芯與拉鎖套管間加注不可揮發(fā)的油脂實現(xiàn)。

圖11 換擋拉索球頭開月牙槽

5 方案驗證

5.1 客觀測試

為驗證上述優(yōu)化方案的有效性，對優(yōu)化設(shè)計后的車輛進行客觀測試。優(yōu)化前、后車內(nèi)換擋桿振動結(jié)果對比如圖12 所示。優(yōu)化后車內(nèi)換擋桿對應(yīng)的1 800 r/min、2 400 r/min的振動幅值從6 m/s2、4 m/s2均降低至1 m/s2左右，換擋桿振動水平降低了70%～80%，優(yōu)化方案效果顯著。

圖12 換擋桿振動優(yōu)化前后測試結(jié)果對比

5.2 主觀評價

為了驗證主觀感受的提升效果，組織主觀評價工作。主觀評價小組人員由行業(yè)內(nèi)技術(shù)專家和NVH專業(yè)工程師構(gòu)成，共計7人，去除最低分和最高分后，對中間5 組評分進行統(tǒng)計，優(yōu)化前、后車輛主觀評價得分結(jié)果如表3所示，優(yōu)化后主觀評價得分提升至7.3分，相比原狀態(tài)5.3分，提升2分。

表3 改善效果主觀評價表

6 結(jié)語

本文通過對MT車型換擋桿振動問題進行客觀測試鎖定問題點，然后通過研究明確了換擋桿振動的產(chǎn)生機理，從激勵源控制和傳遞路徑控制兩方面提出了MT車型換擋桿振動的控制流程。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計驗證，車內(nèi)換擋桿處振動幅值降低了70 %～80%，主觀評價得分提升了2分，換擋桿振動水平得到顯著改善，確認了優(yōu)化方案的有效性，對其他相關(guān)性問題具有重要實際參考意義。