基于模態(tài)分析的油門踏板抖動問題改善

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，顧客對汽車的消費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主要因素[1]。油門踏板是駕駛員在汽車行駛過程中時刻接觸的一個部位。如果在行駛過程中，油門踏板出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，將引起客戶的強烈不適，引發(fā)投訴。文章針對某款車型在行駛過程中，緩加速至發(fā)動機轉(zhuǎn)速至1 500 r/min，車速約55 km/h時，油門踏板會產(chǎn)生抖動問題，采用錘擊模態(tài)分析法來快速確認汽車產(chǎn)生油門踏板抖動現(xiàn)象的根源，并最終通過優(yōu)化油門踏板結(jié)構(gòu)的方式進行改善，徹底解決此問題。文章針對油門踏板抖動問題提出的試驗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 油門踏板抖動問題分析

1.1 問題客觀測試分析

踏板振動問題往往涉及汽車多個系統(tǒng)的可能性，由路面不平、發(fā)動機和傳動系等部件的激勵傳導以及結(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間和成本。

當某車型出現(xiàn)油門踏板抖動時，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，首先確認油門踏板抖動問題發(fā)生時的振動頻率，為問題的后續(xù)解決提供基礎(chǔ)。對此采用在油門踏板臂上沿振動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)動機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，車速約55 km/h時，測得油門踏板頻譜圖和振動頻譜彩圖[2]，如圖2和圖3所示。通過分析圖2和圖3，確認問題頻率為88.6 Hz，該頻率下油門踏板振動幅值最大，達到72.9 dB。

圖2 油門踏板振動頻譜圖（發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 500 r/min，車速約55 km/h）

圖3 油門踏板振動頻譜彩圖（發(fā)動機轉(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)動機頻率分析

油門踏板發(fā)生抖動時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，根據(jù)式（1）可以計算出此時發(fā)動機的 1，2，3，4 階頻率分別為25，50，75，100 Hz，與油門踏板抖動問題頻率（88.6 Hz）均不吻合。因此，初步可以排除由發(fā)動機振動引起油門踏板振動的可能性。

式中：n——發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min。

1.2.2 關(guān)聯(lián)件模態(tài)分析

在排除發(fā)動機原因后，對油門踏板緊密關(guān)聯(lián)件前防火墻進行約束模態(tài)測試[3]，確認油門踏板振動是否由防火墻鋼板共振引起的。為加快問題的確認和解決，決定對防火墻上油門踏板安裝處進行局部模態(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

為進一步確認導致油門踏板抖動問題發(fā)生的原因，現(xiàn)對油門踏板自身的模態(tài)頻率進行測試。為保持與實車行駛狀態(tài)一致，決定在樣車整車狀態(tài)下對油門踏板進行約束模態(tài)測試，分別對0開度、1/2開度及全開3種狀態(tài)進行測試。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問題是由油門踏板本體模態(tài)問題導致的。

1.2.4 問題根源確認

為確定油門抖動問題根源是否為油門踏板本身模態(tài)導致，需改變油門踏板固有頻率后再次測試確認。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，采用相同運轉(zhuǎn)工況，進行油門踏板振動測試。加質(zhì)量塊后油門踏板振動頻譜圖和振動頻譜彩圖，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 油門踏板振動頻譜圖（加質(zhì)量塊）

圖10 油門踏板振動頻譜彩圖（加質(zhì)量塊）

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

圖11 油門踏板振動頻譜曲線對比

圖12 油門踏板振動值對比

同時，通過主觀評價感受，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1500r/min，車速約55km/h工況下，油門踏板抖動完全消失。

1.3 問題結(jié)論

經(jīng)過以上測試分析，可以確認整車在發(fā)動機轉(zhuǎn)速達1 500 r/min，車速約55 km/h工況下，油門踏板抖動問題是由油門踏板本體模態(tài)問題導致的。

2 問題改善及效果

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

1）對踏板本身厚度進行變更，由2.5 mm變?yōu)?.8 mm，同時對踏板背面加強筋增強及增加寬度，其變更示意圖，如圖13所示。

圖13 油門踏板厚度及加強筋變更示意圖

2）對踏板和踏板臂之間的連接進行加強，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處示意圖，如圖14所示。采取以上措施后，對整車進行主觀評價，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，車速約55 km/h工況時，未發(fā)生油門踏板抖動現(xiàn)象。

圖14 油門踏板和踏板臂連接加強處示意圖

3 結(jié)論

汽車部品異常振動和異響問題對汽車駕駛舒適性有極大的影響，因此應(yīng)該對此類問題給予更多的關(guān)注與重視。文章針對某車型加速過程中油門踏板抖動的問題，通過對前防火墻局部模態(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問題原因的試驗方法，方便快捷，縮短了開發(fā)周期，豐富了對整車異響及異常振動問題解決的經(jīng)驗，對NVH開發(fā)工作具有很好的借鑒意義。