基于模態(tài)分析的油門踏板抖動(dòng)問題改善

吳雪輝 張新宇 劉彥君 劉海龍 梁和平

（北京現(xiàn)代汽車有限公司）

隨著汽車的普及，顧客對(duì)汽車的消費(fèi)要求也隨之逐步提高，從最初期的外觀、內(nèi)飾及配置等基本需求，逐漸注重追求平順性、NVH及操穩(wěn)等整車品質(zhì)。整車優(yōu)秀的NVH性能是影響顧客購車意向的一個(gè)主要因素[1]。油門踏板是駕駛員在汽車行駛過程中時(shí)刻接觸的一個(gè)部位。如果在行駛過程中，油門踏板出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，將引起客戶的強(qiáng)烈不適，引發(fā)投訴。文章針對(duì)某款車型在行駛過程中，緩加速至發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速至1 500 r/min，車速約55 km/h時(shí)，油門踏板會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)問題，采用錘擊模態(tài)分析法來快速確認(rèn)汽車產(chǎn)生油門踏板抖動(dòng)現(xiàn)象的根源，并最終通過優(yōu)化油門踏板結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行改善，徹底解決此問題。文章針對(duì)油門踏板抖動(dòng)問題提出的試驗(yàn)方法也為汽車工程技術(shù)人員解決其它零部件異響問題提供參考。

1 油門踏板抖動(dòng)問題分析

1.1 問題客觀測試分析

踏板振動(dòng)問題往往涉及汽車多個(gè)系統(tǒng)的可能性，由路面不平、發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系等部件的激勵(lì)傳導(dǎo)以及結(jié)構(gòu)件的共振影響，使問題復(fù)雜化，問題的解決需要大量時(shí)間和成本。

當(dāng)某車型出現(xiàn)油門踏板抖動(dòng)時(shí)，顯著影響乘車的舒適性，因此必須解決。解決問題的第1步就是在眾多因素中尋找最有可能的因素，排除不可能的因素。

為明確問題發(fā)生的根源，首先確認(rèn)油門踏板抖動(dòng)問題發(fā)生時(shí)的振動(dòng)頻率，為問題的后續(xù)解決提供基礎(chǔ)。對(duì)此采用在油門踏板臂上沿振動(dòng)方向布置加速度傳感器，其具體位置，如圖1所示。

圖1 油門踏板臂傳感器安裝位置

將汽車擋位置于D擋，油門半開，緩加速至發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，車速約55 km/h時(shí)，測得油門踏板頻譜圖和振動(dòng)頻譜彩圖[2]，如圖2和圖3所示。通過分析圖2和圖3，確認(rèn)問題頻率為88.6 Hz，該頻率下油門踏板振動(dòng)幅值最大，達(dá)到72.9 dB。

圖2 油門踏板振動(dòng)頻譜圖（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，車速約55 km/h）

圖3 油門踏板振動(dòng)頻譜彩圖（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，車速約55 km/h）

1.2 問題根源分析

1.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)頻率分析

油門踏板發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，根據(jù)式（1）可以計(jì)算出此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的 1，2，3，4 階頻率分別為25，50，75，100 Hz，與油門踏板抖動(dòng)問題頻率（88.6 Hz）均不吻合。因此，初步可以排除由發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引起油門踏板振動(dòng)的可能性。

式中：n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

1.2.2 關(guān)聯(lián)件模態(tài)分析

在排除發(fā)動(dòng)機(jī)原因后，對(duì)油門踏板緊密關(guān)聯(lián)件前防火墻進(jìn)行約束模態(tài)測試[3]，確認(rèn)油門踏板振動(dòng)是否由防火墻鋼板共振引起的。為加快問題的確認(rèn)和解決，決定對(duì)防火墻上油門踏板安裝處進(jìn)行局部模態(tài)測試。傳感器安裝位置和防火墻局部模態(tài)-頻響函數(shù)曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 防火墻傳感器安裝位置

圖5 防火墻局部模態(tài)-頻響函數(shù)曲線

從圖5可知，防火墻油門踏板安裝處局部模態(tài)在69.61Hz和73.8 Hz，均未與問題頻率（88.6 Hz）吻合。因此，可以初步排除油門踏板抖動(dòng)是由防火墻上油門踏板安裝處剛度不足引起的。

1.2.3 油門踏板模態(tài)分析

為進(jìn)一步確認(rèn)導(dǎo)致油門踏板抖動(dòng)問題發(fā)生的原因，現(xiàn)對(duì)油門踏板自身的模態(tài)頻率進(jìn)行測試。為保持與實(shí)車行駛狀態(tài)一致，決定在樣車整車狀態(tài)下對(duì)油門踏板進(jìn)行約束模態(tài)測試，分別對(duì)0開度、1/2開度及全開3種狀態(tài)進(jìn)行測試。其測試結(jié)果，如圖6所示。

圖6 油門踏板頻響函數(shù)曲線圖

從圖6可以看出：油門踏板在0開度、1/2開度及全開3種狀態(tài)下1階模態(tài)頻率分別為67.2，88.6，108.2 Hz，因此可以得出1/2開度的模態(tài)值與問題頻率（88.6 Hz）相吻合，并且工況一致。

初步判定油門踏板抖動(dòng)問題是由油門踏板本體模態(tài)問題導(dǎo)致的。

1.2.4 問題根源確認(rèn)

為確定油門抖動(dòng)問題根源是否為油門踏板本身模態(tài)導(dǎo)致，需改變油門踏板固有頻率后再次測試確認(rèn)。目前改變結(jié)構(gòu)模態(tài)的主要方法有：改變阻尼、附加質(zhì)量及結(jié)構(gòu)變化等。本次通過采用增加配重改變其固有頻率的方法。此方法簡單易行，節(jié)約時(shí)間。為此，將1 kg重的質(zhì)量塊綁在油門踏板安裝支架上，再次進(jìn)行油門踏板約束模態(tài)測試。質(zhì)量塊安裝位置，如圖7所示；測試結(jié)果，如圖8所示。

圖7 油門踏板安裝質(zhì)量塊位置示意圖

圖8 油門踏板1/2開度頻響函數(shù)曲線（加質(zhì)量塊）

從圖8可以得知，油門踏板增加質(zhì)量塊后，其在1/2開度狀態(tài)下1階模態(tài)頻率為44.2 Hz，避開了問題頻率（88.6 Hz）。

在整車狀態(tài)下，采用相同運(yùn)轉(zhuǎn)工況，進(jìn)行油門踏板振動(dòng)測試。加質(zhì)量塊后油門踏板振動(dòng)頻譜圖和振動(dòng)頻譜彩圖，如圖9和圖10所示。從圖9和10可以得知，油門踏板在88.61 Hz處的振動(dòng)幅值從72.9 dB下降到60.02 dB，改善十分明顯。

圖9 油門踏板振動(dòng)頻譜圖（加質(zhì)量塊）

圖10 油門踏板振動(dòng)頻譜彩圖（加質(zhì)量塊）

最終將油門踏板增加質(zhì)量塊前后的振動(dòng)測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其對(duì)比結(jié)果，如圖11和圖12所示。從圖11和12可以得知，相同工況下，油門踏板的振動(dòng)值已經(jīng)從83.7 dB降到80.9 dB，問題頻率（88.6 Hz）處振動(dòng)幅值下降到60.0 dB。

圖11 油門踏板振動(dòng)頻譜曲線對(duì)比

圖12 油門踏板振動(dòng)值對(duì)比

同時(shí)，通過主觀評(píng)價(jià)感受，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min，車速約55km/h工況下，油門踏板抖動(dòng)完全消失。

1.3 問題結(jié)論

經(jīng)過以上測試分析，可以確認(rèn)整車在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)1 500 r/min，車速約55 km/h工況下，油門踏板抖動(dòng)問題是由油門踏板本體模態(tài)問題導(dǎo)致的。

2 問題改善及效果

為徹底解決油門踏板抖動(dòng)的問題，需對(duì)現(xiàn)有油門踏板總成進(jìn)行結(jié)構(gòu)改善，以防止問題再次發(fā)生。根據(jù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，采取以下兩方面的改善。

1）對(duì)踏板本身厚度進(jìn)行變更，由2.5 mm變?yōu)?.8 mm，同時(shí)對(duì)踏板背面加強(qiáng)筋增強(qiáng)及增加寬度，其變更示意圖，如圖13所示。

圖13 油門踏板厚度及加強(qiáng)筋變更示意圖

2）對(duì)踏板和踏板臂之間的連接進(jìn)行加強(qiáng)，踏板臂的CAP ARM安裝部位HOOK高度增加：11.5～11.6 mm，踏板和踏板臂連接加強(qiáng)處示意圖，如圖14所示。采取以上措施后，對(duì)整車進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，車速約55 km/h工況時(shí)，未發(fā)生油門踏板抖動(dòng)現(xiàn)象。

圖14 油門踏板和踏板臂連接加強(qiáng)處示意圖

3 結(jié)論

汽車部品異常振動(dòng)和異響問題對(duì)汽車駕駛舒適性有極大的影響，因此應(yīng)該對(duì)此類問題給予更多的關(guān)注與重視。文章針對(duì)某車型加速過程中油門踏板抖動(dòng)的問題，通過對(duì)前防火墻局部模態(tài)和油門踏板約束模態(tài)測試分析,并采用裝載質(zhì)量塊來改變其模態(tài)頻率的方式，確定抖動(dòng)問題的根源。采用通過優(yōu)化油門踏板結(jié)構(gòu)的方式解決了該異常振動(dòng)問題，提升了該車型的舒適性和改善了產(chǎn)品的品質(zhì)。文章應(yīng)用的通過局部模態(tài)和約束模態(tài)快速定位NVH問題原因的試驗(yàn)方法，方便快捷，縮短了開發(fā)周期，豐富了對(duì)整車異響及異常振動(dòng)問題解決的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)NVH開發(fā)工作具有很好的借鑒意義。