收稿日期：２０１８－０５－２３
作者简介：曹昭展（１９８１ ），女，硕士，中级工程师，主要从事汽车变速箱ＣＡＥ仿真方面的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｈａｏｚｈａｎｃ＠ｓａｇｗ ｃｏｍ㊂
ＤＯＩ：１０ １９４６６／ｊ ｃｎｋｉ １６７４－１９８６ ２０１８ ０９ ０１５
曹昭展
（上海汽车变速器有限公司，上海２０１８００）
摘要：针对一台手动变速箱配在整车上出现的挂挡抖动异响问题，通过在换挡摇臂上实施减振方案解决了异响问题，通过这一案例提出用有限元模态和谐响应分析对换挡摇臂进行仿真，并结合试验与仿真有效的对应起来㊂进一步对手动变速箱平台上使用的换挡摇臂进行统计，总结出换挡摇臂更优的结构设计，为后续换挡摇臂的设计提供强有力的支撑㊂ 关键词：吸振器；模态分析；谐响应分析
中图分类号：Ｕ４６３ ２１２㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀文章编号：１６７４－１９８６（２０１８）０９－０６８－０４
ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＴｅｓｔＶｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＡｂｎｏｒｍａｌＮｏｉｓｅｏｆＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｈｉｆｔ
ＣＡＯＺｈａｏｚｈａｎ
（ＳｈａｎｇｈａｉＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＧｅａｒＷｏｒｋｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆａｂｎｏｒｍａｌｎｏｉｓｅｏｆａｍａｎｕａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｎｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ，ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｗａｓｓｏｌｖｅｄｂｙｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇｔｈｅ
ｖｉｂｒａｔｉｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｏｎｔｈｅｓｈｉｆｔｒｏｃｋｅｒａｒｍ．Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄａｌａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅａｎａｌｙｓｉｓｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｓｈｉｆｔｒｏｃｋｅｒａｒｍ，
ａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｅｓｔ．Ｆｕｒｔｈｅｒ，ｔｈｅｓｈｉｆｔｒｏｃｋｅｒａｒｍｕｓｅｄｉｎｔｈｅｍａｎｕａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｗａｓ
ｃｏｕｎｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｂｅｔｔｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｈｉｆｔｒｏｃｋｅｒｗａｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓａｓｔｒｏｎｇｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｓｈｉｆｔｒｏｃｋｅｒａｒｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｂｓｏｒｂｅｒ；Ｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓ；Ｈａｒｍｏｎｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅａｎａｌｙｓｉｓ
０㊀引言
变速箱换挡性能是指驾驶员换挡过程中，换挡杆㊁拉索㊁变速器等具有的性质和功能㊂好的换挡性能要求在换挡过程中无换挡冲击，使乘员无不适的感觉㊂目前，绝大多数整车采用间接操纵，即变速器㊁发动机等的抖动通过拉索传递到驾驶员手球，这样抖动会被衰减掉很多㊂通过拉索及操纵机构，对变速箱本体进行操纵，换挡更柔和，容易获得更好的换挡手感㊂文中针对这种结构出现的换挡异响问题展开具体分析㊂
１㊀问题背景
某整车厂配置一款纵置变速器，出现 挂挡时副仪表台共振异响／换挡异响，挂挡时有咚咚咚的声音 的现象，整车厂以为是拉索和操纵机构的问题，采取了两个措施：
（１）在换挡机构拉索端增加１９０ｇ质量的配重块，大约降了１ ２ｄＢ，如图１所示，圈住部分即为配重块㊂
（２）在变速器换挡摇臂配重块上增加 Ｘ向频率为２６５
Ｈｚ，Ｚ㊁Ｙ向频率为２９５Ｈｚ，质量３４０ｇ 的吸振器，大约降了
７ｄＢ，如图２所示
㊂
图１㊀
拉索增加配重块
图２㊀换挡摇臂加吸振器
㊀㊀第二个措施有非常明显的效果，一般可降７ｄＢ，最大可降
９ｄＢ㊂于是提出了两个具体方案：
（１）考虑到吸振器的质量，将换挡配重块减掉部分质量后增加螺纹孔或螺柱，将适当的吸振器装配到配重块上；
（２）将变速器上的配重块按一定的频率和质量直接包硫化橡胶到摇臂上，配重块和摇臂之间通过橡胶连接㊂
针对以上方案，对于如何解决异响问题作进一步分析㊂
２㊀问题理论分析
首先来认识一下吸振器的原理，探讨整车厂如何通过吸振器来消除振动㊂吸振器组成如图３所示 ㊂
图３㊀吸振器组成
其原理是：在振动物体上存在具有一定质量的弹簧阻尼系统附件，附加系统对主系统的作用力正好平衡了主系统上的激励㊂这种利用附加系统吸收主系统的振动能量以降低主系统的振动的设备称为动力吸振器㊂
吸振器的性能测试如下：试验采用锤击激励法㊂将动力吸振器放在刚性平台上，加速度传感器放在动力吸振器上，用带有力传感器的力锤在动力吸振器表面中间的激励点位置敲击，动力吸振器由于激励产生振动㊂该振动由测试点上的传感器拾取，经分析仪处理后得到动力吸振器在Ｘ㊁Ｙ㊁Ｚ３个方向的幅频曲线，进而得到固有频率㊂文中整车厂使用的吸振器性能：Ｘ向频率为２６５Ｈｚ，Ｚ㊁Ｙ向频率为２９５Ｈｚ㊂
在整车调试中最常用方法是利用吸振器来消除振动产生的某个特定频率㊂吸振器可以在某个频率范围内有效地衰减振动，而且简单实用，不需要改变车辆本身的结构，已成为汽车ＮＶＨ设计和调试中重要的减振手段之一㊂将它连接于主动件振动位移最大的位置，当系统振动时，动力吸振器产生的反作用力可以使主动件的振动减小，从而减小汽车在特定频段内的振动噪声㊂
此案例中就是整车厂通过使用吸振器到了产生换挡异响的位置，即换挡摇臂处，这说明在减振调试中吸振器是一个很重要的手段之一㊂
３㊀有限元仿真分析
３ １㊀模态分析
通过有限元软件可以对换挡摇臂进行模态分析，求出换挡
摇臂的固有特性，并在此基础上进行谐响应分析，得出线性结构在受到随时间以正弦（简谐）规律变化的载荷的作用下的稳态响应，从而得到结构稳态响应的最大值随简谐载荷频率变化的规律㊂
由于换挡摇臂的振动主要是由一阶模态引起，由振动相关理论可知，高阶模态对响应的影响很小且速度减小快，低阶模态在结构的振动过程中起主要作用，故只考虑前几阶的低阶模态㊂在模态分析中，低阶模态的作用占主导地位，高阶模态影响较小，且阶数越高，影响越小㊂文中分析时模态分析取前６阶㊂
试验模态（如图４所示）测出一阶频率为６８ ９Ｈｚ，通过仿真求出约束模态一阶模态频率为７８ ６Ｈｚ，误差为１２％㊂误差略微有些大，一般控制在１０％以内，后续需要对约束位置的刚度因素进行调试，出规律
喷粉流水线㊂
图４㊀模态试验
３ ２㊀谐响应分析
模态分析中的位移值是一个相对的量值，它表征各节点在
某一阶固有频率上振动量的相对比值，反映该固有频率上振动的传递情况，并不反映实际振动的数值㊂而通过谐响应分析可以得到换挡摇臂的位移和频率之间的关系，并且可以得到换挡摇臂在某一频率范围内的振动情况，计算出换挡摇臂在易发生共振的频率下的振动幅值，为进一步设计优化提供理论依据㊂
谐响应分析试验也是模态测试的方法，如图４所示用小锤锤击，激振点和测试点是同一个点，频响函数纵坐标是在１Ｎ力下激起的振动加速度㊂仿真和试验保持一致，先模态分析取前６阶，用模态叠加法计算出换挡摇臂的臂端加速度响应频率曲线㊂如图５所示，在方块区域加１Ｎ的力，提取此区域的振动加速度响应，直接获取到的加速度响应结果单位是ｍ／ｓ２，加速度响应结果比较大，为便于数值观察，试验人员用公式
２０ｌｇａ对数据进行换算处理，ａ是以ｇ为单位的加速度，仿真的结果也用此公式进行换算，与试验结果保持一致㊂最终可以看出图６和图７数值基本保持一致
㊂
珊瑚姜
图５㊀谐响应仿真分析加载
图６㊀
试验结果曲线
图７㊀仿真结果曲线
基于文中开头提出的两个方案，又参考其他平台的换挡摇臂结构，图８所示是锁定的优化方法，把天然橡胶通过螺纹与配重块一起装配到换挡摇臂上㊂此方案带来的直接影响是增大了换挡摇臂的阻尼
㊂
图８㊀优化后方案
阻尼是动力分析的一大特点，也是动力分析中容易引起困惑之处，由于它影响动力响应的衰减，因此对于谐响应分析十分重要㊂阻尼的本质和表现是相当复杂的，相应的模型也很多㊂ＡＮＳＹＳ提供了强大又丰富的阻尼输入，材料阻尼㊁恒定阻尼比，振型阻尼等，一个系统如果没有阻尼，谐响应分析出在共振峰处的响应会非常大，而阻尼无法通过仿真计算获得，只能通过试验获取㊂因此在仿真试验中的阻尼比只能根据经验设置㊂此案例中通过试验测出优化前阻尼比为０ ５７％，优化后阻尼比为１ ７１％㊂仿真谐响应分析时直接输入此阻尼比，仿真结果如图１０所示，纵坐标的值与试验结果图９量级基本一致㊂后续需要在阻尼比方面进行不断的积累，以便仿真时可以根据
经验设置
㊂
图９㊀
优化后试验结果曲线
图１０㊀优化后仿真结果曲线
４㊀减振问题解决过程
以上通过对换挡摇臂进行结构改进，增加了橡胶块材料，也就是增大了换挡摇臂的阻尼，最终整车厂反馈换挡异响噪声降低７ｄＢ，解决了噪声问题，关键步骤如下：
（１）问题提出：在某车型和变速箱开发过程中，通过主观评价，发现有异响，可以通过噪声测试得到振动频谱图，到在某频率下振幅较大㊂由主观经验和模态测试确定产生噪声的原因及所在部件，在部件上增加吸振器，目的是到问题源部件㊂
（２）试验：布置好吸振器，对噪声进行数据前后比对，如果噪声水平下降说明到问题所在，然后对其进行方案落实㊂
（３）方案落实：可以从提高部件模态频率的角度来提高其刚性，或者从阻尼的角度对共振的幅值进行降低，先通过仿真得出部件的模态和谐响应分析下的振幅，对优化方案进行比对，到较优的方案㊂
（４）实物验证：对优化后安装的实物重新测试其性能㊂针对换挡摇臂出现的振动噪声解决过程进行了一个简单的介绍，这也是通过改变振幅来寻解决振动问题的一个实际案例，由于以前对相关知识
缺乏，在此案例过程中数据积累的不够，与整车厂的沟通也缺乏，但通过此成功案例对知识进行一定的梳理，相信在后续的类似问题中可以更好地把握㊂随着试验和仿真的对标积累，阻尼比数值的积累，通过仿真确定出较优方案，这样会使产品性能越来越好，从而节约人力物力㊂
５㊀换挡摇臂优化设计
另一实际案例，某款小扭矩横置变速箱，整车厂反馈在转
速为４０００ ５０００ｒ／ｍｉｎ时有抖动现象，经测试换挡摇臂的约束模态一阶频率为９２Ｈｚ，如图１１所示㊂对换挡摇臂进行结构更改，如图１２所示，板厚从原来的４ ５ｍｍ增到６ｍｍ，同时质量块位置进行了调整，优化后约束模态一阶频率为２６６Ｈｚ㊂通过有限元仿真，更改前约束模态一阶频率为１００Ｈｚ，优化后约束模态一阶频率为２６９Ｈｚ，与试验基本一致㊂优化后抖动现象消失，说明提高换挡摇臂的模态频率解决了抖动问题
㊂
图１１㊀
某横置变速箱优化前摇臂
图１２㊀某横置变速箱优化后摇臂
现对目前手动变速箱平台上使用换挡摇臂作一个统计，图
１３为部分换挡摇臂模型，统计结果如表１所示
大型屋面板
㊂
图１３㊀部分换挡摇臂模型
表１㊀部分换挡摇臂统计
种类
换挡摇臂１
换挡摇臂２
换挡摇臂３
约束一阶模态频率／Ｈｚ
７７
１９２
流媒体直播系统２１０
换挡摇臂的结构影响换挡手感，同时会出现挂挡异响抖动的情况㊂换挡摇臂的臂长㊁刚度㊁质量块分配直接影响换挡摇臂的性能㊂对换挡摇臂从振动的角度考虑时，尽量提高其一阶模态㊂通过以上统计发现，一类是冲压件，如换挡摇臂１；一类是铸造类，如换挡摇臂２和３㊂配种块的分布也有两类，一类是直接焊接，如换挡摇臂１；一类通过螺栓连接到摇臂上，如换挡摇臂３㊂冲压件模态都偏低，并且提高模态频率的空间很小，一般通过增加板厚来提高频率，但也比较局限，也可以通过调整配重块位置和大小，但配重块影响换挡手感，所以配重块的匹配也是很重要的㊂从统计结果看出，铸件易于提高模态频率，材料分布比较灵活；配重块通过螺栓连接的方式可以对其进行调整匹配，以达到振动和换挡手感有一个合理的性能㊂综上考虑选择铸件提高模态，配重块采用螺栓连接的方式以便调整，这有助于后期对换挡摇臂设计时进行综合性能考虑，因此换挡摇臂３是３种结构中最优的，并且结果显示一阶模态频率也是最大的㊂
６㊀结论
（１）减振方面，仅从实际案例中到了一个途径㊁方法和思路，可以通过减振器到解决振动问题的部件，然后通过有限元模态分析和谐响应分析对部件优化前后进行仿真，通过仿真结果对前后方案进行比对，寻较优结构，
再通过实物装机验证，积累经验后可以通过早期设计达到较优性能㊂
（２）从对换挡摇臂的实际案例可以看出：提高模态固有频率，目前给出的考核要求是换挡摇臂一阶固有频率大于２００Ｈｚ（汽油发动机转速６０００ｒ／ｍｉｎ时２阶对应的频率），文中案例中换挡摇臂从１００Ｈｚ提高到２６９Ｈｚ，换挡抖动现象消失；降低其谐响应分析的振幅，文中案例中振幅从原来的
２７ ７ｄＢｇ降低到优化后的１３ ６ｄＢｇ，换挡异响噪声降低７ｄＢ，综上说明两者结合起来可避免换挡摇臂带来的振动噪声问题㊂
（３）统计出目前手动变速箱平台上使用的部分换挡摇臂，最后总结出较好的换挡摇臂结构，可为产品设计提供参考㊂参考文献：
［１］王小龙．动力吸振器在汽车ＮＶＨ性能优化中的应用［Ｄ］．柳州：广西科技大学，２０１５．
［２］劳坤胜，金勇，卢亚运．基于ＡＮＳＹＳ的水润滑橡胶浘轴承模态及
手动胶
谐响应分析［Ｊ］．中国修船，２０１７，３０（２）：３７－４０．
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