某皮卡車排擋桿共振問題仿真研究

繆 雷，薛皓文

Miao Lei，Xue Haowen

（北汽福田汽車股份有限公司工程研究院分析中心，北京 102206）

0 引 言

隨著汽車工業的高速發展，汽車在國內廣泛普及，人們對汽車有了更加深入的認識和理解。人們已經不再滿足于“擁有車”的狀態，而是對車的要求更加苛刻，對汽車的“舒適性”有了更深刻的認識。汽車的重要評價指標“NVH（Noise-噪聲、Vibration-振動和Harshness-平順性）”正在逐漸成為人們購車的重要參考因素。以某皮卡的排擋桿在汽車熄火工況下的共振問題為基礎，采用試驗與數值仿真相結合的方法，切實解決了該換擋桿的共振問題，降低了排擋桿的振動，提高了汽車的舒適性。

1 模型的建立

1.1 實物模型

變速箱與排擋桿連接部位的實物照片如圖 1所示。

其中拉桿1與力傳動臂3固連，拉桿可以繞桿的軸向旋轉；頂針 2為兩邊各一個，可起到拉桿和力傳動臂的位置恢復作用。通過試驗（試驗儀器設備測試）測得頂針內彈簧的剛度和在變速箱內空擋狀態下拉桿的徑向剛度值。

頂針內彈簧剛度測試結果如圖2所示。

測得頂針內彈簧剛度（選取圖中斜直線線性階段斜率的平均值）為6.2 N/mm。拉桿右端剛度采用 7.5e+4 N/mm，在變速箱擋位為空擋時幾乎類似于全約束，所以剛度值相對較大。

1.2 數值仿真模型

變速箱與排擋桿連接后整體數值計算模型如圖3所示。

圖中虛線框采用Cbush單元模擬各個彈性連接處的彈簧，球頭上6根Cbush單元為對稱分布，且各個單元將球頭平面分成 6等分，即單元間夾角為60°，每個單元上端部分別采用6自由度全約束，這樣模擬球頭的限位彈簧分別具有拉壓剛度的自動調整特性，這樣對稱分布能夠很好地模擬此處限位彈簧實際功能。球頭中部帶有兩邊對稱的 2個圓柱旋轉副，端部用1、3、5（X、Z和繞Y軸旋轉）約束，釋放Y向、繞X軸旋轉和繞Z軸旋轉的自由度，這樣使得球頭能夠與實際工況相一致。拉桿中間兩邊對稱的虛線框Cbush單元模擬頂針內彈簧（其剛度值測試如圖 2），其中左右單元的約束采用6自由度全約束，用于模擬頂針與機架（變速箱箱體）的固定連接。拉桿左側約束采用1、2、4、5（X、Y、繞 X軸旋轉和繞 Y軸旋轉）約束，釋放Z向移動和繞Z向旋轉的自由度（此處Z 向為與拉桿圓柱中心線徑向平行的方向）。拉桿右端Cbush為拉桿與變速箱換擋插拔向連接端，其剛度值采用 7.5e+4 N/mm。排擋桿球頭采用質量集中CONM2單元來模擬，球頭質量為0.13 kg。

2 結果分析

2.1 仿真結果分析

采用模態分析方法，計算軟件提供3類解法：1）跟蹤法（Tracking method）；2）變換法（Transformation method）；3）蘭索士法（Lanczos method）。

蘭索士法是一種將跟蹤法和變換法組合起來的新的特征值解法，對計算非常大的稀疏矩陣的幾個特征值問題最有效，用模型數據卡EIGRL描述，用情況控制METHOD選取，文中采用蘭索士法。

計算結果如圖4～圖6所示。

數值仿真結果為：第1階左右搖擺振型9.33 Hz、第2階殼體擴張振型10.78 Hz和第3階前后搖擺振型12.97 Hz。

2.2 實測結果分析

測量發動機熄火過程中排擋桿的振動頻響曲線，同時測試動力總成的振動頻響曲線，測試結果如圖7、圖8所示。

其中，排擋桿的響應峰值如圖 7所示，分別為：9.35 Hz、10.63 Hz和12.80 Hz，與數值仿真結果9.33 Hz、10.78 Hz和12.97 Hz比較吻合，差值分別為：0.03 Hz、-0.15 Hz和-0.17 Hz，誤差均小于1.5 Hz，認為是可以接受的。

將動力總成、排擋桿的頻響曲線合成在一起，如圖9所示。

從圖 9中可以發現：動力總成的振動頻率為9.36 Hz、12.58 Hz，與排擋桿的振動頻率9.35 Hz、12.80 Hz相吻合，產生共振，這與仿真計算結果相一致。

2.3 數值仿真指導整改

將球頭的質量增加到270 g，排擋桿手柄的力矩比例增大 0.15，降低手柄殼體內的橡膠剛度，進行仿真計算后排擋桿的約束模態計算結果如圖10、圖11所示。

從改變參數后的計算結果發現：排擋桿的1階左右搖擺振型的固有頻率從9.33 Hz降低到6.86 Hz，固有頻率降低了2.47 Hz，降幅相對較大，避開了發動機的1階固有頻率9.36 Hz；2階前后搖擺振型的固有頻率從12.97 Hz增大到29.00 Hz，增幅為16.03 Hz，遠遠避開了發動機的 2階固有頻率?？梢姶朔桨改軌蚴古艙鯒U與發動機的前 2階固有頻率完全避開，避免共振產生。經過試驗也證明了此方案的可行性。所以，在結構和固有參數的科學選取的前提下，用仿真模擬計算來指導試驗測試具有很大的現實意義。

3 結 論

1）利用LMS Test Lab軟件進行實測分析，并通過數值仿真模擬實際工況，為解決實際問題提供了很好的再現能力，為下一步的整改提供了可行可信手段。

2）通過進一步分析，分別對改變球頭質量、改變殼體內橡膠剛度、改變手柄的力矩比例和改變頂針的剛度值等幾種組合方案進行了仿真計算，其計算結果與實測結果相吻合，提出了最優方案。

3）解決了排擋桿的共振問題，將球頭質量增加到270 g，排擋手柄力矩比例增大0.15，同時降低殼體內橡膠剛度。

仿真模擬計算指導試驗測試具有很大的現實意義。

[1]沃德?海倫，斯蒂芬?拉門茲，波爾?薩斯·模態分析理論與實踐[M]·白化同，郭繼忠，譯.北京：北京理工大學出版社.

[2]LMS 仿真軟件指導手冊.

[3]LMS Test.Lab中文操作指南.