本文通過使用有限元軟件Ansa和MSC.Nastran對某車型硬桿換擋機構(gòu)進行了模態(tài)分析，得到硬桿換擋機構(gòu)100Hz以內(nèi)的頻率。通過與發(fā)動機怠速頻率進行對比，提出了硬桿換擋機構(gòu)的改進建議，通過再次分析，新設(shè)計的方案可以滿足使用要求，改善了整車的NVH性能。

 0 引言

    隨著社會的進步人們生活水平的提高，人們對汽車乘坐舒適性的要求日益提高，汽車的NVH性能是顧客選購汽車時普遍關(guān)心的問題之一。換擋機構(gòu)是否存在振動情況是汽車NVH性能的重要影響因素之一。

    目前，CAE技術(shù)日益成熟，已廣泛應(yīng)用在NVH性能開發(fā)中，大大地降低了開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。對于低頻NVH問題(0-150HZ)，主要采用模態(tài)法。汽車設(shè)計中各個部件的模態(tài)需要滿足一定的設(shè)計要求，以避免各個零部件之間的共振。在設(shè)計人員在進行產(chǎn)品開發(fā)時，會導(dǎo)致零件的局部設(shè)計不夠合理，從而導(dǎo)致模型不能滿足模態(tài)要求。為了避免硬桿換擋機構(gòu)與發(fā)動機怠速工況頻率產(chǎn)生共振，必須對設(shè)計進行模態(tài)分析。

    1 模態(tài)分析的含義

    模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。

    模態(tài)分析的經(jīng)典定義:將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標(biāo)變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。

    模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

    2 模態(tài)分析的有限元仿真

    模態(tài)分析屬于線性分析，也就是說，在模態(tài)分析中只有線性行為是有效的，如果在分析中指定了非線性單元，在計算中將被忽略并被作為線性單元處理。

    2.1 硬桿換擋機構(gòu)有限元模型的建立

    本文采用ansa軟件進行有限元建模。換檔機構(gòu)各零件都是采用實體單元進行網(wǎng)格劃分，截面為圓的細長桿件用等直徑的CBAR單元模擬，通過處理可得到圖1所示的硬桿換檔機構(gòu)有限元模型。

圖1 硬桿換擋機構(gòu)有限元模

    2.2 邊界條件的施加

    在模態(tài)分析的過程中，約束方式和模型的重量對分析結(jié)果影響較大，所以，要對模型施加準(zhǔn)確的邊界條件，本文在模型的邊緣處進行全約束，如圖2所示。

圖2 邊界條件的施加

    3 理論依據(jù)

    硬桿換擋機構(gòu)的模態(tài)要求:結(jié)構(gòu)的固有頻率不在發(fā)動機怠速頻率[27Hz，33Hz]范圍內(nèi)，即可以滿足使用要求。

    發(fā)動機怠速頻率計算方法見公式1。

公式中：Fd—發(fā)動機怠速頻率;n—發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速;z—發(fā)動機汽缸數(shù);m—發(fā)動機沖程數(shù)。

    4 模態(tài)分析結(jié)果

    通過分析，得到硬桿換擋機構(gòu)的約束模態(tài)分析情況，見表1及圖3、圖4、圖5所示。可以看出，硬桿換擋結(jié)構(gòu)1階和2階模態(tài)均在發(fā)動機怠速頻率范圍內(nèi)，發(fā)生共振，因此需對硬桿換擋機構(gòu)結(jié)構(gòu)進行改進。

    表1 硬桿換擋機構(gòu)約束模態(tài)頻率與振型表

 5 結(jié)構(gòu)改進

    通過對硬桿換擋機構(gòu)結(jié)構(gòu)進行改進，使其頻率避開發(fā)動機怠速頻率，改進后的硬桿換擋機構(gòu)約束模態(tài)見表2及圖6所示。

    設(shè)計變量優(yōu)化結(jié)果如圖5所示材料密度分布圖。

圖6 轉(zhuǎn)向杠桿設(shè)計區(qū)域材料最優(yōu)化布局等值面圖

    除材料密度0.3以下的材料，可得到如圖6所示的轉(zhuǎn)向杠桿設(shè)計區(qū)域材料最優(yōu)化布局等值面圖。

    6 結(jié)果對比

    轉(zhuǎn)向杠桿輕量化分析結(jié)果對比見表2。原模型質(zhì)量為10.1kg，經(jīng)過拓撲優(yōu)化分析，質(zhì)量降為6.5kg，降重35%，強度、模態(tài)均滿足要求。

    表2 轉(zhuǎn)向杠桿模態(tài)頻率表

7 結(jié)論

    (1)轉(zhuǎn)向杠桿性能要求，應(yīng)力小于材料屈服強度，固有模態(tài)頻率既不在發(fā)動機怠速頻率的范圍之內(nèi)，也不與車輪在常用車速時的激振頻率耦合。

    (2)通過對轉(zhuǎn)向杠桿原模型性能分析，其強度與模態(tài)均滿足要求，有較大的優(yōu)化空間，進行拓撲優(yōu)化分析。

    (3)目標(biāo)函數(shù)為質(zhì)量最小化，設(shè)計變量為單元密度，以轉(zhuǎn)向杠桿性能要求與拔模制造工藝為約束，進行拓撲優(yōu)化分析。質(zhì)量降為6.5kg，降重35%，強度、模態(tài)均滿足要求。