某皮卡车排挡杆共振问题仿真研究

缪 雷，薛皓文

Miao Lei，Xue Haowen

（北汽福田汽车股份有限公司工程研究院分析中心，北京 102206）

0 引 言

随着汽车工业的高速发展，汽车在国内广泛普及，人们对汽车有了更加深入的认识和理解。人们已经不再满足于“拥有车”的状态，而是对车的要求更加苛刻，对汽车的“舒适性”有了更深刻的认识。汽车的重要评价指标“NVH（Noise-噪声、Vibration-振动和Harshness-平顺性）”正在逐渐成为人们购车的重要参考因素。以某皮卡的排挡杆在汽车熄火工况下的共振问题为基础，采用试验与数值仿真相结合的方法，切实解决了该换挡杆的共振问题，降低了排挡杆的振动，提高了汽车的舒适性。

1 模型的建立

1.1 实物模型

变速箱与排挡杆连接部位的实物照片如图 1所示。

其中拉杆1与力传动臂3固连，拉杆可以绕杆的轴向旋转；顶针 2为两边各一个，可起到拉杆和力传动臂的位置恢复作用。通过试验（试验仪器设备测试）测得顶针内弹簧的刚度和在变速箱内空挡状态下拉杆的径向刚度值。

顶针内弹簧刚度测试结果如图2所示。

测得顶针内弹簧刚度（选取图中斜直线线性阶段斜率的平均值）为6.2 N/mm。拉杆右端刚度采用 7.5e+4 N/mm，在变速箱挡位为空挡时几乎类似于全约束，所以刚度值相对较大。

1.2 数值仿真模型

变速箱与排挡杆连接后整体数值计算模型如图3所示。

图中虚线框采用Cbush单元模拟各个弹性连接处的弹簧，球头上6根Cbush单元为对称分布，且各个单元将球头平面分成 6等分，即单元间夹角为60°，每个单元上端部分别采用6自由度全约束，这样模拟球头的限位弹簧分别具有拉压刚度的自动调整特性，这样对称分布能够很好地模拟此处限位弹簧实际功能。球头中部带有两边对称的 2个圆柱旋转副，端部用1、3、5（X、Z和绕Y轴旋转）约束，释放Y向、绕X轴旋转和绕Z轴旋转的自由度，这样使得球头能够与实际工况相一致。拉杆中间两边对称的虚线框Cbush单元模拟顶针内弹簧（其刚度值测试如图 2），其中左右单元的约束采用6自由度全约束，用于模拟顶针与机架（变速箱箱体）的固定连接。拉杆左侧约束采用1、2、4、5（X、Y、绕 X轴旋转和绕 Y轴旋转）约束，释放Z向移动和绕Z向旋转的自由度（此处Z 向为与拉杆圆柱中心线径向平行的方向）。拉杆右端Cbush为拉杆与变速箱换挡插拔向连接端，其刚度值采用 7.5e+4 N/mm。排挡杆球头采用质量集中CONM2单元来模拟，球头质量为0.13 kg。

2 结果分析

2.1 仿真结果分析

采用模态分析方法，计算软件提供3类解法：1）跟踪法（Tracking method）；2）变换法（Transformation method）；3）兰索士法（Lanczos method）。

兰索士法是一种将跟踪法和变换法组合起来的新的特征值解法，对计算非常大的稀疏矩阵的几个特征值问题最有效，用模型数据卡EIGRL描述，用情况控制METHOD选取，文中采用兰索士法。

计算结果如图4～图6所示。

数值仿真结果为：第1阶左右摇摆振型9.33 Hz、第2阶壳体扩张振型10.78 Hz和第3阶前后摇摆振型12.97 Hz。

2.2 实测结果分析

测量发动机熄火过程中排挡杆的振动频响曲线，同时测试动力总成的振动频响曲线，测试结果如图7、图8所示。

其中，排挡杆的响应峰值如图 7所示，分别为：9.35 Hz、10.63 Hz和12.80 Hz，与数值仿真结果9.33 Hz、10.78 Hz和12.97 Hz比较吻合，差值分别为：0.03 Hz、-0.15 Hz和-0.17 Hz，误差均小于1.5 Hz，认为是可以接受的。

将动力总成、排挡杆的频响曲线合成在一起，如图9所示。

从图 9中可以发现：动力总成的振动频率为9.36 Hz、12.58 Hz，与排挡杆的振动频率9.35 Hz、12.80 Hz相吻合，产生共振，这与仿真计算结果相一致。

2.3 数值仿真指导整改

将球头的质量增加到270 g，排挡杆手柄的力矩比例增大 0.15，降低手柄壳体内的橡胶刚度，进行仿真计算后排挡杆的约束模态计算结果如图10、图11所示。

从改变参数后的计算结果发现：排挡杆的1阶左右摇摆振型的固有频率从9.33 Hz降低到6.86 Hz，固有频率降低了2.47 Hz，降幅相对较大，避开了发动机的1阶固有频率9.36 Hz；2阶前后摇摆振型的固有频率从12.97 Hz增大到29.00 Hz，增幅为16.03 Hz，远远避开了发动机的 2阶固有频率。可见此方案能够使排挡杆与发动机的前 2阶固有频率完全避开，避免共振产生。经过试验也证明了此方案的可行性。所以，在结构和固有参数的科学选取的前提下，用仿真模拟计算来指导试验测试具有很大的现实意义。

3 结 论

1）利用LMS Test Lab软件进行实测分析，并通过数值仿真模拟实际工况，为解决实际问题提供了很好的再现能力，为下一步的整改提供了可行可信手段。

2）通过进一步分析，分别对改变球头质量、改变壳体内橡胶刚度、改变手柄的力矩比例和改变顶针的刚度值等几种组合方案进行了仿真计算，其计算结果与实测结果相吻合，提出了最优方案。

3）解决了排挡杆的共振问题，将球头质量增加到270 g，排挡手柄力矩比例增大0.15，同时降低壳体内橡胶刚度。

仿真模拟计算指导试验测试具有很大的现实意义。

[1]沃德•海伦，斯蒂芬•拉门兹，波尔•萨斯·模态分析理论与实践[M]·白化同，郭继忠，译.北京：北京理工大学出版社.

[2]LMS 仿真软件指导手册.

[3]LMS Test.Lab中文操作指南.