汽車前圍板及油門踏板振動研究

董志新，謝 然

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434）

0 前言

汽車乘坐舒適性是評價汽車性能的重要因素之一，車輛抖動容易造成駕駛員疲勞，影響行車安全性，整車開發(fā)流程中必須嚴格控制車輛的振動噪聲水平。汽車NVH涉及到眾多子系統(tǒng)，油門踏板的抖動就是其中非常重要的一個部分。

本文針對某車型加速到3 600 r/min時油門踏板抖動問題進行分析，油門踏板通過螺栓直接安裝在前圍板上，發(fā)動機及路面的激勵傳遞到前圍板，從而引起油門踏板抖動。結(jié)合板結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論，本文改進前圍板設(shè)計方面的不足，提高踏板安裝點的動剛度，改善踏板抖動問題。另外，本文還研究了踏板結(jié)構(gòu)對振動的影響，有助于在開發(fā)前期踏板選型。

1 問題描述與分析

某一開發(fā)中的車型在加速時，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到3 600 r/min左右，油門踏板有明顯振動。為了找到踏板振動原因，進行了整車狀態(tài)下油門踏板動剛度計算，圖1是油門踏板X方向振動加速度響應(yīng)。由圖1可以看出，踏板總成在124 Hz附近存在振動峰值，頻率與發(fā)動機2階激勵頻率耦合。

圖1 油門踏板X方向加速度響應(yīng)

在激勵源不變的情況下，從傳遞路徑及響應(yīng)上尋求解決方案。圖2為整車狀態(tài)下油門踏板在124 Hz頻率下的振型，從圖中可以看出，油門踏板的振動主要是由于前圍板的前后晃動引起，需要對其進行結(jié)構(gòu)加強，降低共振處的響應(yīng)峰值或者將模態(tài)移出常用轉(zhuǎn)速范圍。

圖2 整車狀態(tài)下前圍板及油門踏板振型

2 模型簡化與理論分析

2.1 踏板分析模型

前圍板與車身的縱梁和橫梁直接焊接，由于梁的剛度遠大于板的剛度，前圍板與梁連接處的變形遠小于其他部位的變形。前圍板是薄板且支撐跨距大，當受到外界激勵時，容易引起板的振動。油門踏板通過螺栓直接安裝在前圍板上接近中間位置，當前圍板運動時，油門踏板會受到激勵，相當于支承運動引起的強迫振動。圖3所示振動系統(tǒng)中，設(shè)x(t)及xs(t)分別是油門踏板及前圍板的位移，由于前圍板的運動，油門踏板受到的彈性恢復(fù)力為k(x -xs)，阻尼力為c(x?-x?s)，由達朗伯原理得運動微分方程：

圖3 強迫振動示意圖

設(shè)前圍板上油門踏板安裝點振幅為a，油門踏板振幅為B，β為振幅放大因子，根據(jù)振動理論[1]：

式（2）中：λ-激勵力頻率與系統(tǒng)頻率之比；

ζ-系統(tǒng)阻尼比。

單獨考慮踏板及前圍子系統(tǒng)，油門踏板1階垂向固有頻率為245 Hz，前圍板1階模態(tài)為77 Hz。汽車振動噪聲主要來源于發(fā)動機及其相關(guān)部件、傳動系統(tǒng)及旋轉(zhuǎn)機械激勵、輪胎激勵、其他系統(tǒng)的隨機或脈沖激勵、風激勵等，對前圍板影響最大的是發(fā)動機激勵，其激勵頻率為0～150 Hz，在汽車加速過程中需要經(jīng)過前圍板共振帶，需要增強前圍板的模態(tài)、動剛度，減少前圍板共振次數(shù)、降低激勵振幅a。對于油門踏板，由于λ始終小于1，相同λ時阻尼越大、同一阻尼下λ越小時振幅放大因子越小，可以通過選擇較強的油門踏板結(jié)構(gòu)降低振動傳遞。

2.2 前圍板分析模型

將前圍板的邊界簡化為簡支邊界條件，根據(jù)薄板振動理論[2]，長度為a、寬度為b、厚度為h的平板系統(tǒng)彎曲剛度為：

式（3）中：D0-薄板彎曲剛度；

μ-泊松比；

E-楊氏模量。

固有頻率為：

式（4）中： ρ-密度；

i、 j分別是沿著X和Y方向的模態(tài)數(shù)，i,j=1，2，3，…

固有頻率跟質(zhì)量和剛度的關(guān)系為：

板的質(zhì)量m=ρabh，由式（5）可得系統(tǒng)的1階模態(tài)下的剛度為：

由式（6）可知，板的剛度與材料的楊氏模量、厚度的三次方成正比，與長度的平方成反比。選用高楊氏模量的材料、增加厚度或者減小板的尺寸均會提高板的剛度，但實際工程中通常由于成本、重量或設(shè)計尺寸要求難以達到。提高板的剛度有幾種常用的方法：（1）將板做成階梯形或槽型；（2）增加凸臺，在板上沖筋或做成曲面板或者分成幾個平面；（3）在板上增加支撐結(jié)構(gòu)[3]，如增加加強板或者貼補強膠。

3 分析與優(yōu)化

3.1 前圍板優(yōu)化與結(jié)果比較

為了準確模擬踏板及前圍板的在整車上的振動情況，在Hypermesh中建立車型的內(nèi)飾車身有限元整備車身模型，前圍板采用殼單元模擬，通過焊點連接到車身縱梁及橫梁上；油門踏板臂及踏板基座用實體單元劃分，通過踏板安裝支架連接到前圍板上，螺栓連接采用Rbe2單元模擬，其中踏板本體材料多采用耐高溫、耐磨、高強度、高剛性塑料，在建模時需要根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)賦予材料屬性[4]。對前圍板振動影響較大的零部件如離合踏板、制動踏板、制動真空泵等其他系統(tǒng)及附件，根據(jù)其結(jié)構(gòu)進行進行網(wǎng)格劃分或者采用集中質(zhì)量單元conm2代替，質(zhì)心位置跟安裝點之間用Rbe3連接。

前圍板受到激勵時很容易產(chǎn)生前后晃動，且油門踏板安裝在其振幅較大位置，因此減小前圍板振幅可以有效改善油門踏板抖動問題。由于工藝、成本及總布置的限制，加補強膠的方案難以在前圍板上踏板安裝點位置附近實施，因此本文主要考慮增加厚度、加筋[5]或凸臺的方式提高剛度。前圍板加筋時需要避開與車身連接焊點位置、附件安裝平面、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等的通過孔及其他工藝溝槽等，確定可以優(yōu)化加筋的區(qū)域。以某原型車為例，初始方案前圍板厚度0.8 mm，左側(cè)小的加強板厚度1.2 mm，結(jié)構(gòu)如圖4中(a)所示；優(yōu)化方案1為在初始方案的基礎(chǔ)上加筋優(yōu)化，加筋位置主要集中制應(yīng)力較大位置，起筋高度約為10 mm，角度為70°[6]，板厚度不變，起筋方向面向成員艙，并在局部位置增加焊點，結(jié)構(gòu)如圖4中(b)所示；優(yōu)化方案2為加厚方案[7]，板結(jié)構(gòu)不變，將前圍板厚度加厚為1 mm，小的加強板厚度1.5 mm，總體重量增加1.8 kg。優(yōu)化的邊界條件為：整備車身狀態(tài)下不設(shè)約束，計算油門踏板前圍安裝點源點動剛度(IPI)，目標是在問題頻段安裝點加速度響應(yīng)峰值最小，將模型提交Nastran進行計算。

將計算結(jié)果用HyperGraph進行查看，根據(jù)發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速范圍，主要考慮150 Hz內(nèi)的加速度響應(yīng)。計算得到的三種方案前圍板上油門踏板安裝點振動加速度響應(yīng)結(jié)果對比如圖5所示。由于人體對垂直于腳面的方向比較敏感，因此重點考察整車的X方向，即車輛行駛方向。圖5中實線代表初始方案，在120 Hz處存在較大峰值，對應(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，與問題轉(zhuǎn)速一致，說明此模態(tài)頻率范圍內(nèi)前圍板局部模態(tài)與發(fā)動機二階激勵耦合，較低的前圍板剛度容易引起踏板抖動，容易引起顧客抱怨。圖5中點劃線為加筋優(yōu)化方案，前圍板及加強板厚度不變，120 Hz處加速度響應(yīng)峰值有較大幅度降低，表明油門踏板安裝點動剛度提升明顯，前圍板的振動幅度得以有效改善。圖5中虛線為在初始方案基礎(chǔ)上加厚的計算結(jié)果，第一個峰值模態(tài)由59 Hz上升到68 Hz，第二個峰值對應(yīng)的模態(tài)略有上升，由120 Hz變?yōu)?23 Hz，加速度響應(yīng)幅值較原始方案大幅度降低，但高于加筋方案；第三個峰值模態(tài)由129 Hz變?yōu)?39 Hz，前圍板模態(tài)提高明顯，且加速度幅值降低。由以上分析可知，加筋對前圍板固有頻率影響不大，但可以明顯降低共振頻率下的加速度響應(yīng)峰值，提高前圍板動剛度，減小傳遞到踏板的振動及前圍板自身的輻射噪音；增加厚度可以提高系統(tǒng)模態(tài)及整體動剛度，但降低共振峰值方面不如加筋效果明顯，因此系統(tǒng)優(yōu)化時需要綜合考慮結(jié)構(gòu)跟厚度的影響。

圖5 優(yōu)化前后油門踏板安裝點IPI曲線

圖4 前圍板結(jié)構(gòu)圖

3.2 踏板分析與選型

油門踏板是控制發(fā)動機供油量的裝置，可以調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速，是駕駛員控制車速的重要部件。按照踏板轉(zhuǎn)軸跟支架的相對位置關(guān)系，油門踏板可以分為"地板式"和"懸掛式"。"懸掛式"轉(zhuǎn)軸位于基座上，踩踏輕巧，成本低，本文中主要討論這種踏板，其結(jié)構(gòu)主要由踏板基座、踏板臂、轉(zhuǎn)軸和調(diào)節(jié)彈簧組成，踏板臂通過轉(zhuǎn)軸與踏板基座連接在一起。

圖6 三種踏板結(jié)構(gòu)

本文選取了三款不同結(jié)構(gòu)的油門踏板，分析結(jié)構(gòu)對踏板抖動的影響，踏板結(jié)構(gòu)如圖6所示，其安裝硬點相同，轉(zhuǎn)軸在基座上的相對位置不同。為了研究轉(zhuǎn)軸位置對踏板振動的影響，三個踏板分別安裝到同一個車身上進行驗證。

首先進行CAE計算，整備車身狀態(tài)計算三個踏板軸點位置的動剛度，X向加速度響應(yīng)結(jié)果如圖7所示。從圖7中可知，在加速度響應(yīng)峰值87 Hz處，踏板1的振動峰值明顯高于踏板2及踏板3，說明軸點位置對動剛度影響很大。轉(zhuǎn)軸越靠近踏板前安裝點，其動剛度越低，主要是前圍板安裝點附近由于板跨距大，剛度相對于支架下安裝點較弱，靠上的轉(zhuǎn)軸增加了分配到踏板前圍安裝點的力，從而增加了踏板的位移。

圖7 三種踏板軸點動剛度計算結(jié)果對比

圖8 為三個踏板的實車測試結(jié)果，為消除發(fā)動機的影響，選用滑行工況。關(guān)注點為踏板踩踏點振動幅值，在測試區(qū)域設(shè)置局部坐標系，X向與腳踏面平行，Y向與整車坐標系Y向平行，Z向垂直于腳踏板平面，人體對此局部坐標系下Z向最敏感。圖8中6秒處從上到下曲線分別代表踏板1、踏板2、踏板3，從圖8中可以看出，在2～6 s內(nèi)踏板1曲線振動峰值明顯大于其他兩個踏板，說明對于懸掛式踏板，旋轉(zhuǎn)軸越靠近前圍安裝點，越容易引起踏板的抖動，與仿真計算結(jié)果一致。

圖8 三種踏板測試結(jié)果對比

4 結(jié)語

前圍板結(jié)構(gòu)模態(tài)及動剛度對踏板振動影響很大，提高前圍板模態(tài)及剛度，通過提高踏板安裝點剛度，減小振動傳遞幅值，或者將模態(tài)頻率移出常用轉(zhuǎn)速范圍，均可有效解決踏板抖動超標問題。在板上加筋可以同時提高系統(tǒng)的模態(tài)及動剛度，效果明顯；雖然加厚方案可提高系統(tǒng)模態(tài)，提高系統(tǒng)剛度，但效果不如加筋方案明顯，因此實際中改變板件的結(jié)構(gòu)能更有效地提高板件剛度。

三種類型的踏板安裝狀態(tài)下模態(tài)相差不大，軸點位置對剛度影響較大，對懸掛式踏板油門踏板軸點越靠前越容易引起踏板抖動，因此在踏板選型時應(yīng)該注意。

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