某SUV换挡杆振动问题的识别分析

颜伏伍，刘宗成，李 玲，吴 勇，魏 潘

(东风小康汽车有限公司 汽车技术中心， 重庆 400039)

随着我国汽车工业的迅猛发展，车辆的驾乘舒适性成为新的竞争焦点，顾客对汽车的NVH 性能的要求将越来越高，涉及车辆的振动噪声问题已经成为汽车技术领域的一个研究热点[1]。近几年，各大汽车企业投入了大量资金和人员从事汽车NVH的研究，以解决目前汽车的NVH问题。汽车的NVH水平影响了其在市场上的前景。

汽车发动机在工作过程中整车上所有大小零部件都在振动，但顾客关注的主要是车内能感知或目视到的振动，如方向盘、地板、换挡杆、座椅等。其中，换挡杆的振动一直是汽车产品性能开发中比较常见的问题之一。手动挡车的换挡杆是驾驶员开车过程中接触频繁的部件，其振动的大小直接影响驾驶员的驾驶心情，是体现汽车品质的重要因素。

目前，国内外对汽车换挡杆的研究，主要集中在换挡杆的操作舒适性上。车辆换挡杆抖动，即目视可见的明显振动，虽然不是很严重，但是直接影响客户对汽车质量和品位的评价。手动挡车的换挡杆抖动问题是关注重点，特别是在城市公路工况下，驾驶员要频繁地换挡加减速，为方便操作，大部分人习惯将右手放在换挡杆上，故换挡杆的抖动很容易被感知。范文波[2]、杨士钦[3]等分别研究了手动挡变速器换挡杆性能的开发、优化和评价；周凡华[4]、王阳[5]等分别对换挡品质和换挡冲击进行研究；陈浪等[6]经过研究提出通过降低换挡杆本体橡胶衬套硬度、降低压紧弹簧刚度、改进尼龙球面垫结构等优化方案解决怠速换挡杆抖动问题。截止目前，未查阅到对换挡杆在加速过程中出现抖动问题的研究文献。

本文通过频谱分析、阶次分析、模态试验分析和CAE分析等方法，确定引起加速过程中换挡杆振动大的原因为换挡机构安装支架共振导致换挡杆强迫振动，最终通过采取加装隔振橡胶垫和加强换挡机构安装支架的措施，有效解决了换挡杆振动大的问题。

1 换挡杆振动机理分析

换挡杆通过换挡机构安装支架安装在车身地板上，换挡杆振动大一般表现在怠速工况和加速工况。换挡杆加速工况振动大是指加速过程中在某个转速或者某个车速时会出现“麻手”的不舒服感觉[7]。换挡杆本身不是车上的激励源，不会主动产生振动[8]。只有当激励源的频率与传递路径上某部件或换挡杆自身固有频率发生耦合时，换挡杆将间接或直接被激励，从而产生较大振动。

2 问题描述及分析

某即将量产的手动挡SUV在主观评价时偶然发现换挡杆在各挡位急加速工况下，发动机转速为2 100 r/min附近时存在明显的抖动现象。该振动严重影响车辆的NVH性能水平，量产后必然引起顾客抱怨，影响市场销售，因此必须快速采取有效措施减小或消除该抖动，以提高整车NVH性能水平[9]。

整车安装状态下换挡杆本体的固有频率一般在30 Hz附近[10]，怠速带载工况易出现因换挡杆共振而导致的换挡杆振动大现象。该款SUV换挡杆振动大多出现在加速工况，在换挡频率相对较高时，换挡杆强迫振动的可能性也较大，但也不排除为换挡杆本体共振。

3 原因分析

3.1 换挡杆振动和模态测试

为全面确认问题现象，对问题样车进行客观道路试验测试[11]。在换挡杆杆顶端手柄位置布置三向加速度传感器，运用LMS公司Test.Lab测试软件，采用Signature Testing-Advanced 测试模块在道路试验场对整车进行振动测试，采样频率带宽为6 400 Hz，频率分辨率为1 Hz，采集工况分别为2挡、3挡、4挡、5挡全负荷加速工况，采集发动机转速从 1 000～5 000 r/min区间的振动数据[12]。

通过数据分析发现：各挡位全负荷工况下发动机转速在2 100 r/min附近，换挡手柄均存在较大振动(整车Z方向振动最大)，如图1所示。此结果与主观评价结果相一致。通过阶次分析、频谱分析(以3挡测试数据为例)，如图2所示，确定换挡杆抖动是由于发动机2阶激励引起结构共振引起的，对应的振动频率为67.5 Hz。

图1 各挡换挡手柄振动总级图

图2 3挡换挡手柄振动频谱图

为确定换挡杆振动是否是由换挡杆结构共振引起，在整车状态下对换挡杆模态进行测试，采用LMS Test.Lab测试系统软件，选择Impact Testing锤击法模态测试模块对换挡机构安装支架进行模态测试及分析。根据道路测试数据分析结果，将模态测试分析频率带宽设置为0～100 Hz，频率分辨率小于等于0.5 Hz。为防止能量泄露，输入用力指数窗，输出用指数窗，锤击激励要有规律，每次敲击量级要相当，不能出现连击现象，进行5次敲击测试。为提高数据的准确性，测试过程中相干函数的值大于0.9[13]。换挡杆的模态测试结果为35.5 Hz，如图3所示，由此可以确定该车的换挡杆振动问题不是换挡杆本体共振引起的。

图3 换挡杆FRF曲线图

根据结构特征，引起换挡杆振动的直接路径只有两条：

1) 变速器→换挡拉索→换挡杆；

2) 车上各振动激励源→车身→换挡机构安装支架→换挡杆。

3.2 传递路径振动测试及分析

根据工程经验，车上的激励源很多，如果从激励源开始逐个排查解决会很浪费时间，而且车上其他位置没有发现大的振动问题，可以判定主要激励源(如发动机、变速器、进气、排气等)不会有明显问题。故从响应的逆向开始排查解决，根据上面分析的两条传递路径，在试验室将换挡杆周边的手套箱拆除，露出换挡机构安装支架，在变速器、换挡拉索支架(代表换挡拉索振动)、换挡机构安装支架以及支架与车身连接位置车身侧上分别布置三向加速度传感器，在相同试验场采集三挡全负荷加速工况振动数据。测试数据显示变速器、换挡拉索支架和车身侧在发动机转速为2 100 r/min附近时无明显振动现象，而换挡机构安装支架上有与换挡杆一样的共振频率，如图4所示。因此，怀疑为换挡机构安装支架共振引起换挡杆的强迫振动。

图4 三挡换挡机构安装支架振动频谱图

3.3 换挡机构安装支架模态测试

为进一步确认换挡杆产生抖动的根本原因，在整车状态下对换挡机构安装支架进行模态测试。测试方法与换挡杆模态测试方法一致。

通过分析换挡机构安装支架模态测试结果，可以看出换挡机构安装支架的模态频率为67.5 Hz，如图5所示。由此可以确定该SUV加速过程中换挡杆抖动的原因为换挡机构安装支架模态频率低，共振引起换挡杆强迫振动。

4 方案制定及验证

对比标杆车的结构设计，发现该SUV的换挡机构安装支架本体刚度不足。一方面是这种简单的M型结构(如图6)刚度自身比较低；另一方面是换挡机构安装支架与车身之间是螺栓连接。目前多数标杆车都是直接将支架焊接集成到车身上，刚度会比目前的设计强很多。这属于前期经验不足，设计上的缺陷。目前车辆即将量产，必须找到快捷有效的方案解决该问题，保证车辆的正常量产。

图5 换挡机构安装支架FRF曲线图

4.1 增加隔振橡胶垫

所有NVH问题的解决思路都可以从源、传递路径、响应3个方面开展。通过结构分析，发现换挡机构安装支架与换挡手柄操纵机构之间的传递路径是刚性连接，无隔振橡胶垫，因此首先想到的方案是在其间增加隔振橡胶垫(如图6圈中位置)，衰减换挡机构安装支架振动向换挡杆的传递。通过供应商提供不同硬度的橡胶垫装车验证，经主观评价和实车测试，实车测试结果如图7所示，换挡杆振动有所降低，但仍不可接受，不能达到量产标准。

图6 换挡机构增加隔振橡胶垫

4.2 加强换挡机构安装支架

增加隔振橡胶垫是最快捷方便的解决方案，但无法彻底解决NVH问题，只能通过修改换挡机构安装支架的结构对其进行加强。结合工程实际，并经过多轮CAE分析优化，最终确定的具体方案为：将原来的板厚1.2 mm提高为1.5 mm，同时在如图8所示的3处增加加强板。为节约项目整改周期，同时减少项目开发成本，使用HyperMesh前处理软件进行有限元建模[14]。

图7 增加隔振垫前后换挡手柄振动对比图

经CAE分析，加强后的支架模态频率由67.5 Hz提高到181 Hz，分析结果如图9所示。此模态频率已高于发动机主阶次激励的常用频率，可以保证支架不被激励。且经过标杆分析，建议后期车型开发前期，制定换挡机构安装支架的模态频率大于170 Hz的目标。

图8 换挡机构安装支架加强

4.3 试验验证

将加强后的工程样件(为保证彻底解决问题，同时实施了增加隔振橡胶垫方案)在50台份小批量试生产样车上进行装车验证，主观评价发现所有车辆均未出现换挡杆抖动现象。同时，随机抽取一辆样车进行客观数据测试，从整车3挡全负荷加速工况下换挡杆振动数据(如图10所示)的前后对比上可以看出：振动幅值较原状态下降 3.5 m/s2。

图9 换挡机构安装支架加强前后CAE分析结果

图10 三挡换挡手柄振动优化前后对比图

5 结束语

针对某SUV开发过程中出现的换挡杆抖动问题，本文通过阶次分析、频谱分析、模态分析技术发现引起换挡杆抖动的原因为换挡机构安装支架刚度弱共振引起换挡杆强迫振动，通过增加隔振橡胶垫和加强换挡机构安装支架结构解决了该问题。对换挡机构安装支架进行CAE分析提高换挡机构安装支架的固有频率，试验验证消除换挡杆抖动。通过对换挡机构安装支架模态分析，总结出换挡机构安装支架的设计频率要求，为后期车型换挡机构支架的设计和开发提供参考。