1 引言
随着汽车工业的高速发展，汽车在国内的广泛普及，人们越来越多的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”越来越有深刻的认识，作为汽车的重要评价指标“NVH（噪声-Noise、振动-Vibration和平顺性-Harshness）”的要求正在逐渐地成为人们购车的重要参考因素。本文以某皮卡的排档杆在汽车熄火工况下的共振问题为基础，进行试验与数值仿真相结合的方法，切实解决了该换档杆的共振问题，降低排档杆的振动，从而提高汽车的舒适性。
2 模型的建立
2.1 实物模型
变速箱与排档杆连接部位的实物照片如图1所示：
图1 变速箱与排档杆连接部件（1.拉杆、2.弹簧顶针、3.力传动臂、4.机架、5.排档杆球铰孔）
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，在变速箱内空档状态下拉杆的径向刚度值。
顶针内弹簧刚度测试结果如下图2所示：
图2 顶针内弹簧的刚度测试结果（测试报告）
测得顶针内弹簧刚度（选取图中斜直线线性阶段的斜率）取平均值为 6.2 N/mm。拉杆右端刚度采用 7.5e+4 N/mm，在变速箱档位为空档时几乎类似于全约束，所以刚度值相对较大。
2.2 数值仿真模型
变速箱与排档杆连接后整体数值计算模型如图3所示：
图3 排档杆与变速箱连接整体图
图中粉色采用Cbush单元模拟各个弹性连接处的弹簧，球头上六根Cbush单元为对称分布，且各个单元将球头平面分成六等分，即，单元间夹角为60度，每个单元上端部分别采用六自由度全约束，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的模拟此处限位弹弹簧实际工作功能。球头中部带有两边对称的两个圆柱旋转副，端部用1、3、5（X、Z和绕Y轴旋转约束）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作工况相一致。拉杆中间两边对称的粉色Cbush单元模拟顶针内弹簧（其刚度值试验测得如上图2），其中左右单元的约束采用六自由度全约束，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）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为拉杆与变速箱换档插拔向来连接端，其刚度值采用7.5e+4 N/mm，前边已经提到。排档杆球头采用质量集中CONM2单元来模拟，球头质量为0.13kg。
3.结果分析
3.1 仿真结果分析
采用模态分析方法，在此计算软件提供三类解法：
1）跟踪法 （Tracking method）；
2） 变换法 （Tromsformation method）；
3）兰索士法（Lanczos method）兰索士(Lanczos)法是一种将跟踪法和变换组合起来的新的特征值解法；
对计算非常大的稀疏矩阵几个特征值问题最有效；兰索士法用模型数据卡EIGRL描述，用情况控制METHOD选取，本文推荐采用兰索士(Lanczos)法。 计算结果如图4-图6所示：
图4 第一阶9.33Hz左右摇摆振型
图5 第二阶10.78Hz壳体扩张振型
图6 第三阶12.97Hz前后摇摆振型
数值仿真结果分别为第一阶左右要变振型9.33Hz、第二阶壳体扩张振型10.78Hz和前后摇摆振型12.97Hz。
3.2 实测结果分析
测量发动机熄火过程中排档杆的振动频响曲线，同时测试动力总成的振动频响曲线，测试结果曲线如图7、图8所示：
图7 发动机熄火后排档杆的频响曲线
图8 发动机熄火后动力总成的频响曲线
其中，排档杆的响应峰值如图中所示：分别为9.35Hz、10.63Hz和12.80Hz，与数值仿真的结果9.33Hz、10.78Hz和12.97Hz分别相吻合，三者之间的差值分别为0.03Hz、-0.15Hz和-0.17Hz，误差小于1.5Hz以下，认为是可以接受的。
将动力总成、排档杆的频响曲线合成在一个图层中如图9所示：
图9 频响曲线合成图
从图9中可以发现：动力总成的振动频率为9.36Hz、12.58Hz与排档杆的振动频率9.35Hz、12.80Hz相吻合，产生共振，这与仿真计算结果相吻合。
3.3 数值仿真指导整改
将球头的质量增加到270g，排档杆手柄的力矩比例增大0.15，降低手柄壳体内的橡胶刚度，进行仿真计算后排档杆的约束模态计算结果如图10和图11所示：
图10 第一阶6.86Hz左右摇摆振型
图11 第二阶29.00Hz前后摇摆振型
从改变参数后计算的结果发现：排档杆的一阶左右摇摆振型的固有频率从9.33Hz降低到6.86Hz，固有频率降低了2.47Hz，降幅相对较大，错开了发动机的一阶固有频率9.36Hz，二阶前后摇摆振型的固有频率从12.97Hz增大到29.00Hz，增幅为16.03Hz，远远避开了发动机的二阶固有频率，可见此方案能够使得排档杆于发动机的前两阶固有频率完全相互避开，避免共振的再次产生。经过试验也证明了此方案的可行性。所以，在做好前提的结构和固有参数的科学选取的前提下，用仿真模拟计算，来指导试验测试有很大的现实意义。
4 结论
A.利用LMS Test Lab软件进行实测分析，并通过数值仿真计算模拟实际工况，为解决实际问题提供很好的问题再现能力，为下一步问题的整改提供了可行可信手段。
B.通过进一步分析，本案例分别对改变球头质量、改变壳体内橡胶的刚度、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。
C.最后解决了排档杆的共振问题，将球头质量增加到270g，排档手柄力矩比例增大0.15，同时降低壳体内橡胶刚度。在做好前提的结构和固有参数的科学选取的前提下，用仿真模拟计算，来指导试验测试有很大的现实意义。
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本文标题：某皮卡车排档杆共振问题仿真研究
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