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某乘用车踏板振动优化控制研究

2019-03-13 20:46:02·  来源：汽车实用技术杂志社  
　
作者简介作者：周立廷，王晖等单位：华晨汽车工程研究院 NVH 工程室摘要：针对某乘用车加速踏板强烈振动问题，通过对动力总成激励源和振动传递路径的系统分析，
作者简介
作者：周立廷，王晖等
单位：华晨汽车工程研究院 NVH 工程室
 
摘要：针对某乘用车加速踏板强烈振动问题，通过对动力总成激励源和振动传递路径的系统分析，同时结合局部结构动态特性的验证结果，明确相关系统对踏板抖动的影响，确定引起踏板抖动问题的根源。通过采取可行的结构局部优化措施，明显改善了关键结构的动态特性，有效的解决了加速踏板抖动问题。同时确定了合理的相关系统控制目标，为此类问题正向开发和前期控制提供依据。
 
前言   
 
驾乘舒适性作为 NVH 性能的重要一部分，是汽车设计开发的一项关键性能指标。油门及制动踏板作为汽车的操控机构，是驾驶者行车过程中接触最为频繁的部件之一，其振动水平会直接影响整车的驾乘舒适性。如果踏板机构存在明显的抖动问题，是最容易被驾驶者感知和抱怨的，同时容易造成驾驶疲劳，进而影响驾驶的安全性。因此对踏板振动问题进行控制就显得尤为必要。
 
以某研发车型 2500rpm 左右加速踏板存在强烈振动问题为例，通过对激励源和传递路径系统分析，确定引起踏板抖动问题的根源。并在此基础上确定了合理的系统控制目标，为此类问题正向开发和前期控制提供依据，同时也为解决其他车内振动问题提供了借鉴和参考。
 
1 踏板系统结构分析
 
踏板系统通常通过支架固定在防火墙或前地板上。造成踏板抖动的激励源主要来自于发动机的二阶往复惯性力。由结构特征分析踏板振动传递路径是通过悬置系统，经过左右纵梁以及前副车架，最终传递至前地板、防火墙和踏板支架（如图 1 所示）。由于这些路径主要都是结构件，因此对车身结构的 NVH 性能要求是控制踏板抖动问题的重要措施。同时发动机激励源的振动水平和悬置系统的隔振性能也是影响踏板抖动问题的重要影响因素。
图 1 踏板振动主要激励传递路径
 
2 踏板振动测试分析防水透气防爆阀仿真研究
研究对象为某研发车型，车况良好，主观评价该车型发现在 2500rpm 左右加速踏板有强烈振脚感，容易引起客户抱怨，主观不可接受，急需优化解决。
 
2.1 踏板振动测试
针对该问题进行客观测试，结合之前分析对相关部件进行测试。测点包括动力总成本体振动，悬置系统隔振，以及副车架，防火墙，踏板支架和踏板本体振动。测试工况为 2档，3 档全加速。
 
2.2 测试结果分析
1）发动机本体振动
图 2 为发动机本体振动测试结果，研发车型与竞品车型发动机本体振动水平基本一致，全阶与 2 阶振动幅值与目标车型相当，发动机主要激励研发车型不高于竞品车，说明尽管研发车型存在踏板抖动问题，但不是因发动机激励源过大造成的。
图 2 发动机本体振动
2）悬置系统隔振性能
图 3 悬置系统隔振结果
图 3 为悬置系统隔振测试结果，对比该研发车型与竞品车型悬置系统 2 阶隔振性能，尽管悬前悬后振动幅值存在一定差异，但主要激励方向发动机 X 向和 Z 向隔振量均达到20dB，而且在引起踏板抖动的转速范围内车身侧振动没有出现明显峰值，由此可以确定踏板抖动问题并不是由悬置隔振性能差导致的。
 
3）主要结构件动态特性
对车内响应点踏板振动数据进行时频分析，在踏板抖动问题出现转速区域与加速踏板 X 向振动相关（Y 向、Z 向并无明显振动峰值，如图 4 所示），发动机 2 阶振动与 83Hz 共振带的叠加导致在 2500rpm 左右的振动峰值。由于发动机 2 阶激励和悬置系统的 2 阶隔振均达到同级别车型的性能目标要求，因此确定 83Hz 共振带的来源成为解决这一问题的关键。
图 4 踏板振动时频谱图
对比各结构件振动测试数据，83Hz 共振带在防火墙 X向、踏板支架 X 向和加速踏板 X 向均存这一特征（如图 5 所示），而且这些部件彼此相连，同时振幅基本一致，说明这些部件在这一频率下有相同的工作模态。因为踏板和支架均固定在防火墙上，由此推断该模态为防火墙 X 向弯曲模态的影响，导致在受到激励时踏板支架和踏板随着防火墙一起振动。
         
图 5 主要结构件振动时频谱图
 
为验证该模态是否为防火墙弯曲模态以及防火墙动刚度水平，对该车型防火墙进行模态与动刚度测试。测试的频响函数结果如图 6 所示，防火墙、踏板和踏板支架在 83Hz 频响函数均存在峰值，而且由相位信息可以确定该频率为结构模态，通过阵型识别确定该频率为防火墙弯曲模态。同时测得的动刚度曲线如图 7 所示，相对于竞品车防火墙动刚度水平，研发车型的动刚度较低，导致在该频率下出现防火墙 X向的模态，使踏板出现明显抖动。
 
通过对踏板抖动问题整车激励源及路径和车内响应的全面测试及分析，确定了研发车型踏板抖动问题的关键是主要结构部件防火墙的纵向动刚度不足产生的局部模态导致的，而发动机的二阶激励和悬置系统的二阶隔振均达到系统级目标要求，并不是造成踏板抖动的主要影响因素。
图 6 防火墙、踏板与支架 FRF 曲线
图 7 防火墙 X 向动刚度曲线
 
3 优化措施及验证
 
针对防火墙纵向动刚度不足的问题，需要采取防火墙局部结构优化的方案。通常的结构优化思路是结合防火墙弯曲模态的阵型，在防火墙局部加筋来抑制纵向的弯曲振动。对于该研发车型防火墙结构类似于蝶形，其中部下边缘由于中通道支撑作用纵向刚度相对较大，防火墙上边缘借助 cowl的结构纵向刚度也比较大，因此在这两处刚度大的结构间增加筋结构，可以有效的扩展高刚度区域，大大提升防火墙纵向动刚度，具体的优化结构如图 8 所示。
图 8 防火墙局部优化结构
 
优化后防火墙纵向动刚度相对于基态有明显提升，由338N/mm 提高至 550N/mm，与竞品车防火墙纵向动刚度水平基本一致，测试结果如图 9 所示。
图 9 优化后防火墙 X 向动刚度曲线
 
在此基础上对整车加速工况踏板振动进行验证，测点及工况与基态保持一致。防火墙局部结构优化后，防火墙纵向在 83Hz 左右的共振带有明显减弱，与此频带相交 2 阶振动峰值有明显降低，由 50mg 降低至 32mg 左右，测试结果如图10所示。同时加速踏板纵向振动也有明显改善，在2500rpm左右振动峰值由 58mg 降低至 25mg 左右（如图 11），主观评价该转速下踏板抖动现象基本消失，主观评价可以接受。
图 10 优化前后防火墙纵向振动
图 11 优化前后加速踏板纵向 2 阶振动
 
4 结论
针对某研发车型加速踏板 2500rpm 左右强烈振动问题，通过对主要激励源和传递路径系统分析，包括悬置系统隔振性能，主要结构部件动态特性等。确定问题的根本原因是防火墙纵向动刚度低，从而导致在该频率下防火墙带动踏板产生强烈的纵向振动。通过对防火墙结构合理的局部优化，提升了防火墙纵向动刚度水平，使在问题频率下的防火墙纵向振动得到了抑制，从而使整车踏板抖动问题得到了解决。为此类问题的解决提供了思路和经验参考。此外，在相关系统及零部件的分析中，确定了合理的系统控制目标，为此类问题的正向开发和前期优化控制提供了依据。 
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