某越野车换挡杆NVH问题的试验研究

陈浪 方华 杨雪强 张志强 高原 鹿启晨

某越野车换挡杆NVH问题的试验研究

陈浪 方华 杨雪强 张志强 高原 鹿启晨

（北京汽车集团越野车研究院）

为解决某越野车怠速换挡杆抖动问题，采用比利时LMS公司的Test.Lab振动噪声测试系统进行了换挡杆振动问题的试验研究。通过结构模态分析和振动传递路径分析找到了换挡杆振动过大的原因，提出了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。试验结果表明，优化后换挡杆怠速振动加速度总值满足目标值要求，怠速时的换挡杆抖动问题得到改善。

1 前言

某搭载柴油发动机的越野车，由于其动力总成为纵向布置、搭载手动变速器、采用直插式结构的换挡机构，当发动机怠速运转时，动力总成本体的振动将直接传递到换挡杆上，导致驾驶员在换挡操作时能直接感知换挡杆的振动，舒适度较差。为解决此问题，本文针对直插式结构的换挡杆所导致的怠速振动过大问题进行试验分析，从振动传递路径上提出解决方案，并通过制作样件对方案进行验证。

2 换挡杆振动问题分析

2.1 换挡杆振动加速度测试

利用LMS的Test.Lab振动噪声测试系统（以下数据都为此测试系统测量得出）测试得到该越野车怠速时的换挡杆振动加速度值（原状态），如图1所示。根据图1，经计算得出X、Y、Z3个方向的振动加速度总值为10.2 m/s2，Y向振动加速度总值为9.3 m/s2，远超过目标值（直插式结构换挡杆在怠速时的振动加速度目标值为6 m/s2）要求。

在换挡杆安装底座和换挡杆球头布置传感器（图2）进行振动加速度测试，测试结果如图3所示。

从图3可看出，在Y向2阶25 Hz时换挡杆与安装底座的振动加速度变化明显，但安装底座振动加速度总值为3.1 m/s2，远低于换挡杆振动加速度总值，说明换挡杆在X、Y方向的振动相对底座放大很多。

初步分析导致换挡杆振动放大的原因有2种：一是换挡杆在X、Y方向共振，导致换挡杆末端（手球）振动过大； 二是换挡杆结构类似悬臂梁，导致其手球处振动加速度比根部（安装底座）振动加速度大很多。

2.2 换挡杆模态测试

表1为换挡杆模态（原状态）测试结果。

表1 换挡杆模态测试结果 Hz

由表1可知，换挡杆在X、Y方向的振动频率与发动机点火频率（25 Hz）相差较大，可排除共振的可能，分析主要还是由于悬臂梁结构导致换挡杆手球处振动过大，因此需要从减小振动传递着手解决。

2.3 振动传递路径

2.3.1 变速器到换挡杆振动传递路径

图4为换挡杆安装底座内部结构剖面图。由图4可看出，变速器到换挡杆振动传递路径为：变速器→换挡杆安装底座→尼龙球面垫→换挡杆。从尼龙球面垫传递到换挡杆的振动受换挡杆压紧弹簧的压紧力影响，压紧力越大，尼龙球面垫与换挡杆之间的配合力就越大，导致换挡杆安装底座桶壁与尼龙球面垫之间的压紧力越大，则变速器传递的振动越明显。因此，该条传递路径中的关键部件为压紧弹簧和尼龙球面垫。

2.3.2 换挡杆到手球的传递路径

图5为换挡杆内部结构。由图5可看出，换挡杆到手球的传递路径为：下杆体→橡胶衬套→上杆体→手球，因此该传递路径的关键部件为橡胶衬套。

由上述分析可知，导致换挡杆手球振动的关键部件为换挡杆橡胶衬套、压紧弹簧、尼龙球面垫，应针对这些部件制定优化方案。

3 优化方案及验证

3.1 橡胶衬套硬度优化

将换挡杆中的橡胶衬套硬度从44度（邵氏硬度）降低至40度（方案1），以衰减下杆体传递至上杆体的振动。降低橡胶衬套硬度后，换挡杆的振动加速度总值由原来的10.2 m/s2降低至6.7 m/s2，其中换挡杆Y向振动加速度总值由9.3 m/s2降低至5.9 m/s2（图6），减振效果较好。

3.2 压紧弹簧压紧力优化

将换挡杆下部的压紧弹簧（图7）直径由2.6 mm减小至2.0 mm（方案2），以降低其刚度，减小压紧力，进而降低X向和Y向的振动传递，增加径向隔振效果。弹簧压紧力优化后，换挡杆振动加速度总值由原来的10.2 m/s2降低至6.4 m/s2，其中换挡杆Y向的振动加速度总值由9.3 m/s2降低至5.5 m/s2（图8），减振效果明显。

通过测试换挡杆模态，发现弹簧压紧力优化后的换挡杆模态（表2）在X向、Y向均接近发动机点火频率，但振动加速度值却比原状态降低，这也验证了原状态换挡杆振动大不是由共振导致，而是由于类似悬臂梁结构导致的末端效应。

表2 换挡杆模态测试结果（方案2） Hz

3.3 方案1+方案2

将方案1和方案2相结合（方案3）并验证其减振效果。经测试，换挡杆振动加速度总值由原来的10.2 m/s2降低至5.8 m/s2，满足了目标值6.0 m/s2的限值要求，但Y向振动仍占主导。表3为优化方案3的换挡杆模态测试结果，由表3可知，在X向、Y向的模态频率仍接近发动机点火频率，有共振风险。

表3 换挡杆模态测试结果（方案3） Hz

3.4 尼龙球面垫结构优化

由以上分析可知，换挡杆在Y向振动仍最大，因此需继续减小Y向的振动传递，为此在优化方案3的基础上对尼龙球面垫结构进行了优化（方案4），将尼龙球面垫部分材质（图11中阴影部分）更换为橡胶材质，此结构优化的目的是保持X向结构不变，增加Y向的阻尼，增大Y向的振动衰减。测试结果表明，优化后换挡杆振动加速度总值从5.8 m/s2降低至4.7 m/s2，Y向振动加速度降低了1.0 m/s2。

通过上述一系列的改进措施，换挡杆怠速振动问题已得到较好解决。从整个试验分析过程可知，共振理论不适合换挡杆，换挡杆怠速振动主要是由于其类似悬臂梁的末端效应引起，所以除上述的优化方案外还可以通过降低换挡杆长度（越短末端效应越小）、加强杆体的刚度和增加换挡杆质量等方面来改善换挡杆怠速振动问题。

4 结束语

本文针对动力总成纵向布置、搭载手动变速器、采用直插式结构换挡杆的某越野车进行了怠速时换挡杆振动问题的试验研究，提出了一系列优化方案，通过降低压紧弹簧刚度、降低橡胶衬套硬度及优化尼龙球面垫结构等措施，使换挡杆怠速振动问题得到较好的解决。

1 庞剑,等.汽车噪声与振动加速度—理论与应用.北京：北京理工大学出版社，2006.

2 傅志方,等.模态分析理论与应用.上海：上海交通大学出版社，2002.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2015年4月29日。

Experimental Study of Gear Shaft NVH on An Off-Road Vehicle

Chen Lang,Fang Hua,Yang Xueqiang,Zhang Zhiqiang,Gao Yuan,Lu Qichen
（BAIC GROUP OFF-ROAD VEHICLE R&D INSTITUTE）

In order to reduce gear shift lever vibration in idling for an off-road vehicle,gear shift lever vibration is studied by test with LMS vibration&noise test system.By the modal analysis and vibration transfer path analysis,we find the cause of oversized vibration of gear shift lever,and present the optimization to reduce the stiffness of gear shift lever rubber sleeve and pressure spring,improve the structure of nylon spherical pad.The results of test show that with the optimized gear shift lever,the total vibration acceleration in idling meets requirement of target value,and the vibration of gear shift lever in idling is reduced.

Off-road vehicle,Gear shift lever,Vibration,Optimization

越野车 换挡杆 振动 优化

U467.4+92

A

1000-3703（2015）05-0009-03