某輕卡選擋過程換擋桿抖動分析研究

張教超，王勇，孟娜

(陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司,陜西西安 710119)

0 引言

換擋桿的振動是汽車產(chǎn)品性能開發(fā)中比較常見的問題之一，其振動的大小直接影響駕駛舒適性[1]。目前，針對換擋桿的研究主要集中在換擋桿的操作舒適性上。范文波等[2]研究了手動變速器換擋桿性能的開發(fā)、優(yōu)化和評價，周凡華、王陽等人[3-4]對換擋品質(zhì)和換擋沖擊進(jìn)行了研究，顏伏伍等[1]對車輛加速過程換擋桿的抖動問題進(jìn)行了研究。上述研究主要集中在乘用車領(lǐng)域，針對商用車怠速選擋過程換擋桿抖動問題未有相關(guān)研究文獻(xiàn)。

某輕卡在進(jìn)行選換擋評價時，評價人員認(rèn)為選擋過程中存在抖動感，選擋手感欠佳，主觀評分較低，未能達(dá)到公司要求。具體表現(xiàn)為車輛怠速時，選擋過程中換擋桿會出現(xiàn)抖動感明顯增強的現(xiàn)象，不選擋或選擋完成無明顯抖動感。通過分析，認(rèn)為抖動感是由于發(fā)動機的振動激勵通過某條傳遞路徑傳遞到換擋桿上的，導(dǎo)致選擋過程中換擋桿抖動明顯增強。因此，本文作者針對車輛怠速時選擋過程中換擋桿抖動問題進(jìn)行分析研究。

1 選擋抖動測試分析

1.1 測試工況

整車處于怠速狀態(tài)下，對選擋過程中換擋桿、變速器橫向換擋桿及選擋搖臂進(jìn)行振動加速度測試，其中橫向換擋桿狀態(tài)有原狀態(tài)、配重減輕、去掉配重3種狀態(tài)。

1.2 傳感器布置

在換擋桿、橫向換擋桿、選擋搖臂分別布置了振動加速度計，如圖1所示。

圖1 振動加速度計布置

1.3 測試結(jié)果分析

1.3.1 振動加速度測試數(shù)據(jù)分析

如圖2所示為原狀態(tài)3個測點振動加速度時域信號。數(shù)據(jù)顯示，選擋過程中，換擋桿的振動值會明顯增大，主觀感受為存在明顯的抖動感，同時橫向換擋桿的振動值也呈現(xiàn)同樣的現(xiàn)象，即選擋過程中會明顯增大；而選擋搖臂的振動值沒有明顯變化。

圖2 各測點振動加速度

圖3為原狀態(tài)3個測點振動加速度Colormap圖。

圖3 各測點振動加速度Colormap圖

數(shù)據(jù)顯示，選擋過程中換擋桿振動值主要表現(xiàn)為50 Hz振動值變化，同樣的選擋搖臂以及橫向換擋桿的振動值也主要表現(xiàn)為50 Hz振動值變化。由此可初步假設(shè)，在選擋過程中，橫向換擋桿50 Hz振動變化通過選擋搖臂、軟軸傳遞到換擋桿上，導(dǎo)致選擋過程中換擋桿抖動明顯。

為驗證上述假設(shè)，增加了去掉和減輕橫向換擋桿配重兩種狀態(tài)的試驗測試。圖4及表1所示分別為不同狀態(tài)下?lián)Q擋桿和橫向換擋桿振動加速度值，數(shù)據(jù)顯示去掉或減輕橫向換擋桿配重，選擋過程中換擋桿的振動加速度值可降低50%左右，橫向換擋桿的振動加速度值可降低70%～80%，并且選擋手感明顯改善。從圖5可以看出，減輕配重、去掉配重兩種狀態(tài)，換擋桿、橫向換擋桿在50 Hz的振動值變化相比原狀態(tài)大大減小。由此可見，去掉或減輕橫向換擋桿配重能有效降低選擋過程中橫向換擋桿、換擋桿的振動加速度。但從圖4和圖5依然可以看到，去掉或減輕配重后，選擋過程中換擋桿抖動雖然得以降低，但并未消除。

圖5 不同狀態(tài)各測點振動加速度Colormap圖

表1 不同狀態(tài)換擋桿、橫向換擋桿振動加速度及選擋手感

圖4 不同狀態(tài)換擋桿及橫向換擋桿振動加速度

綜合上述分析可知，原狀態(tài)選擋過程換擋桿抖動主要表現(xiàn)為50 Hz振動加速度變化；此抖動主要受到橫向換擋桿影響，橫向換擋桿50 Hz振動通過選擋搖臂、軟軸傳遞到換擋桿上，導(dǎo)致選擋過程中換擋桿抖動明顯。

1.3.2 橫向換擋桿局部模態(tài)測試

為進(jìn)一步分析變速器橫向換擋桿抖動對換擋桿的影響，采用敲擊法[5]對3種狀態(tài)橫向換擋桿進(jìn)行局部模態(tài)測試。如圖6所示為橫向換擋桿上某點的頻響曲線，表2所示為不同狀態(tài)橫向換擋桿模態(tài)測試結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示原狀態(tài)橫向換擋桿在51 Hz存在一階彎曲固有頻率，配重減輕后一階彎曲固有頻率為69 Hz，去掉配重后一階彎曲固有頻率為182 Hz。而該車發(fā)動機怠速約為750 r/min，發(fā)動機為4缸機，可計算得到發(fā)動機一階點火頻率為25 Hz，其兩倍頻為50 Hz，與原狀態(tài)橫向換擋桿固有頻率51 Hz非常接近，可導(dǎo)致原狀態(tài)橫向換擋桿在怠速時發(fā)生共振；而配重減輕或去掉后，橫向換擋桿的固有頻率可避開發(fā)動機激勵頻率，因此不會發(fā)生共振，從而使得振動相比原狀態(tài)大大減小。

圖6 不同狀態(tài)橫向換擋桿頻響曲線

表2 不同狀態(tài)橫向換擋桿模態(tài)

1.3.3 測試分析結(jié)果總結(jié)

綜合第1.3.1和1.3.2節(jié)測試分析結(jié)果可知：

(1)原狀態(tài)選擋過程換擋桿抖動主要表現(xiàn)為50 Hz振動加速度變化，此抖動主要受到變速器橫向換擋桿影響；

(2)變速器橫向換擋桿存在51 Hz彎曲固有頻率，受到發(fā)動機50 Hz振動激勵產(chǎn)生共振，從而使得橫向換擋桿50 Hz振動變大；

(3)選擋過程中變速器橫向換擋桿的振動通過選擋搖臂、軟軸傳遞到換擋桿上，導(dǎo)致選擋過程中換擋桿振動明顯增大，使得選擋手感欠佳。

2 操縱結(jié)構(gòu)優(yōu)化及測試結(jié)果

2.1 操縱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如圖7所示為原操縱結(jié)構(gòu)，圖8所示為優(yōu)化后的操縱結(jié)構(gòu)，主要區(qū)別為原操縱換擋撥頭與橫向換擋桿通過銷子固聯(lián)，選擋過程換擋撥頭與橫向換擋桿會一起運動，而優(yōu)化后的操縱換擋撥頭通過花鍵與橫向換擋桿連接，選擋過程僅換擋撥頭運動，并且由于采用花鍵連接，橫向換擋桿的振動不會傳遞到換擋撥頭，進(jìn)而通過選擋搖臂傳遞到換擋桿。

圖7 原操縱結(jié)構(gòu)

圖8 優(yōu)化后操縱結(jié)構(gòu)

2.2 優(yōu)化后測試結(jié)果

圖9和圖10所示為操縱優(yōu)化前后換擋桿及橫向換擋桿振動加速度測試結(jié)果，數(shù)據(jù)顯示，操縱優(yōu)化后換擋桿、橫向換擋桿的振動加速度值明顯小于原狀態(tài)，分別降低了50%和80%，并且不會出現(xiàn)選擋過程中振動值明顯變大的現(xiàn)象，主觀感受為選擋過程中換擋桿無抖動感，選擋手感較優(yōu)化前明顯改善。

圖9 優(yōu)化前后換擋桿振動加速度

圖11所示為各測點振動加速度Colormap圖，數(shù)據(jù)顯示，換擋桿在25 Hz存在振動加速度值的大小變化現(xiàn)象，但值很小，50 Hz無此現(xiàn)象，而原狀態(tài)在50 Hz存在明顯振動值大小變化現(xiàn)象。同樣的，與原狀態(tài)相比，橫向換擋桿在50 Hz處也不存在振動值大小變化的情況。

圖11 優(yōu)化后各測點振動加速度Colormap圖

對優(yōu)化后的操縱進(jìn)行局部模態(tài)測試，如圖12所示為橫向換擋桿頻響曲線。

圖12 優(yōu)化后橫向換擋桿頻響曲線

結(jié)果顯示，優(yōu)化后橫向換擋桿的第一階固有頻率為83 Hz，而原狀態(tài)為51 Hz。優(yōu)化后橫向換擋桿固有頻率的改變使其不會受發(fā)動機兩階點火頻率50 Hz激勵產(chǎn)生共振。

從上述測試結(jié)果分析可知，操縱優(yōu)化后，橫向換擋桿由于固有頻率的改變，其本身的振動加速度在選擋過程中不會明顯增大；并且橫向換擋桿與換擋撥頭由銷子固聯(lián)改為花鍵連接，其振動不會通過換擋撥頭傳遞到選擋搖臂，進(jìn)而傳遞到換擋桿。因此，操縱優(yōu)化后，選擋過程中換擋桿振動值明顯減小，選擋手感明顯改善。

3 結(jié)論

文中對某輕卡選擋抖動進(jìn)行了測試及分析研究，得到如下結(jié)論：(1)原狀態(tài)選擋過程擋桿抖動主要表現(xiàn)為50 Hz振動加速度變化，此抖動主要受到橫向換擋桿影響；(2)橫向換擋桿存在51 Hz彎曲固有頻率，受到發(fā)動機兩階點火頻率50 Hz振動激勵產(chǎn)生共振，從而使得橫向換擋桿50 Hz振動變大；(3)選擋過程中橫向換擋桿的振動通過選擋搖臂、軟軸傳遞到換擋桿上，導(dǎo)致選擋過程中換擋桿振動明顯增大，使得選擋手感欠佳；(4)操縱優(yōu)化后，橫向換擋桿由于固有頻率的改變，其本身的振動加速度在選擋過程中不會明顯增大；并且橫向換擋桿與換擋撥頭由銷子固聯(lián)改為花鍵連接，其振動不會通過換擋撥頭傳遞到選擋搖臂，進(jìn)而傳遞到換擋桿。因此，操縱優(yōu)化使得選擋過程中換擋桿振動值明顯減小，選擋手感明顯改善。