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某乘用車踏板振動(dòng)優(yōu)化控制研究

2019-03-13 20:46:02·  來(lái)源：汽車實(shí)用技術(shù)雜志社  
　
作者簡(jiǎn)介作者：周立廷，王暉等單位：華晨汽車工程研究院 NVH 工程室摘要：針對(duì)某乘用車加速踏板強(qiáng)烈振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)動(dòng)力總成激勵(lì)源和振動(dòng)傳遞路徑的系統(tǒng)分析，
作者簡(jiǎn)介
作者：周立廷，王暉等
單位：華晨汽車工程研究院 NVH 工程室
 
摘要：針對(duì)某乘用車加速踏板強(qiáng)烈振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)動(dòng)力總成激勵(lì)源和振動(dòng)傳遞路徑的系統(tǒng)分析，同時(shí)結(jié)合局部結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的驗(yàn)證結(jié)果，明確相關(guān)系統(tǒng)對(duì)踏板抖動(dòng)的影響，確定引起踏板抖動(dòng)問(wèn)題的根源。通過(guò)采取可行的結(jié)構(gòu)局部?jī)?yōu)化措施，明顯改善了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，有效的解決了加速踏板抖動(dòng)問(wèn)題。同時(shí)確定了合理的相關(guān)系統(tǒng)控制目標(biāo)，為此類問(wèn)題正向開(kāi)發(fā)和前期控制提供依據(jù)。
 
前言   
 
駕乘舒適性作為 NVH 性能的重要一部分，是汽車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)。油門及制動(dòng)踏板作為汽車的操控機(jī)構(gòu)，是駕駛者行車過(guò)程中接觸最為頻繁的部件之一，其振動(dòng)水平會(huì)直接影響整車的駕乘舒適性。如果踏板機(jī)構(gòu)存在明顯的抖動(dòng)問(wèn)題，是最容易被駕駛者感知和抱怨的，同時(shí)容易造成駕駛疲勞，進(jìn)而影響駕駛的安全性。因此對(duì)踏板振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行控制就顯得尤為必要。
 
以某研發(fā)車型 2500rpm 左右加速踏板存在強(qiáng)烈振動(dòng)問(wèn)題為例，通過(guò)對(duì)激勵(lì)源和傳遞路徑系統(tǒng)分析，確定引起踏板抖動(dòng)問(wèn)題的根源。并在此基礎(chǔ)上確定了合理的系統(tǒng)控制目標(biāo)，為此類問(wèn)題正向開(kāi)發(fā)和前期控制提供依據(jù)，同時(shí)也為解決其他車內(nèi)振動(dòng)問(wèn)題提供了借鑒和參考。
 
1 踏板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
 
踏板系統(tǒng)通常通過(guò)支架固定在防火墻或前地板上。造成踏板抖動(dòng)的激勵(lì)源主要來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)的二階往復(fù)慣性力。由結(jié)構(gòu)特征分析踏板振動(dòng)傳遞路徑是通過(guò)懸置系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)左右縱梁以及前副車架，最終傳遞至前地板、防火墻和踏板支架（如圖 1 所示）。由于這些路徑主要都是結(jié)構(gòu)件，因此對(duì)車身結(jié)構(gòu)的 NVH 性能要求是控制踏板抖動(dòng)問(wèn)題的重要措施。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)源的振動(dòng)水平和懸置系統(tǒng)的隔振性能也是影響踏板抖動(dòng)問(wèn)題的重要影響因素。
圖 1 踏板振動(dòng)主要激勵(lì)傳遞路徑
 
2 踏板振動(dòng)測(cè)試分析防水透氣防爆閥仿真研究
研究對(duì)象為某研發(fā)車型，車況良好，主觀評(píng)價(jià)該車型發(fā)現(xiàn)在 2500rpm 左右加速踏板有強(qiáng)烈振腳感，容易引起客戶抱怨，主觀不可接受，急需優(yōu)化解決。
 
2.1 踏板振動(dòng)測(cè)試
針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行客觀測(cè)試，結(jié)合之前分析對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行測(cè)試。測(cè)點(diǎn)包括動(dòng)力總成本體振動(dòng)，懸置系統(tǒng)隔振，以及副車架，防火墻，踏板支架和踏板本體振動(dòng)。測(cè)試工況為 2檔，3 檔全加速。
 
2.2 測(cè)試結(jié)果分析
1）發(fā)動(dòng)機(jī)本體振動(dòng)
圖 2 為發(fā)動(dòng)機(jī)本體振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，研發(fā)車型與競(jìng)品車型發(fā)動(dòng)機(jī)本體振動(dòng)水平基本一致，全階與 2 階振動(dòng)幅值與目標(biāo)車型相當(dāng)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要激勵(lì)研發(fā)車型不高于競(jìng)品車，說(shuō)明盡管研發(fā)車型存在踏板抖動(dòng)問(wèn)題，但不是因發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)源過(guò)大造成的。
圖 2 發(fā)動(dòng)機(jī)本體振動(dòng)
2）懸置系統(tǒng)隔振性能
圖 3 懸置系統(tǒng)隔振結(jié)果
圖 3 為懸置系統(tǒng)隔振測(cè)試結(jié)果，對(duì)比該研發(fā)車型與競(jìng)品車型懸置系統(tǒng) 2 階隔振性能，盡管懸前懸后振動(dòng)幅值存在一定差異，但主要激勵(lì)方向發(fā)動(dòng)機(jī) X 向和 Z 向隔振量均達(dá)到20dB，而且在引起踏板抖動(dòng)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)車身側(cè)振動(dòng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯峰值，由此可以確定踏板抖動(dòng)問(wèn)題并不是由懸置隔振性能差導(dǎo)致的。
 
3）主要結(jié)構(gòu)件動(dòng)態(tài)特性
對(duì)車內(nèi)響應(yīng)點(diǎn)踏板振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析，在踏板抖動(dòng)問(wèn)題出現(xiàn)轉(zhuǎn)速區(qū)域與加速踏板 X 向振動(dòng)相關(guān)（Y 向、Z 向并無(wú)明顯振動(dòng)峰值，如圖 4 所示），發(fā)動(dòng)機(jī) 2 階振動(dòng)與 83Hz 共振帶的疊加導(dǎo)致在 2500rpm 左右的振動(dòng)峰值。由于發(fā)動(dòng)機(jī) 2 階激勵(lì)和懸置系統(tǒng)的 2 階隔振均達(dá)到同級(jí)別車型的性能目標(biāo)要求，因此確定 83Hz 共振帶的來(lái)源成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。
圖 4 踏板振動(dòng)時(shí)頻譜圖
對(duì)比各結(jié)構(gòu)件振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，83Hz 共振帶在防火墻 X向、踏板支架 X 向和加速踏板 X 向均存這一特征（如圖 5 所示），而且這些部件彼此相連，同時(shí)振幅基本一致，說(shuō)明這些部件在這一頻率下有相同的工作模態(tài)。因?yàn)樘ぐ搴椭Ъ芫潭ㄔ诜阑饓ι?，由此推斷該模態(tài)為防火墻 X 向彎曲模態(tài)的影響，導(dǎo)致在受到激勵(lì)時(shí)踏板支架和踏板隨著防火墻一起振動(dòng)。
         
圖 5 主要結(jié)構(gòu)件振動(dòng)時(shí)頻譜圖
 
為驗(yàn)證該模態(tài)是否為防火墻彎曲模態(tài)以及防火墻動(dòng)剛度水平，對(duì)該車型防火墻進(jìn)行模態(tài)與動(dòng)剛度測(cè)試。測(cè)試的頻響函數(shù)結(jié)果如圖 6 所示，防火墻、踏板和踏板支架在 83Hz 頻響函數(shù)均存在峰值，而且由相位信息可以確定該頻率為結(jié)構(gòu)模態(tài)，通過(guò)陣型識(shí)別確定該頻率為防火墻彎曲模態(tài)。同時(shí)測(cè)得的動(dòng)剛度曲線如圖 7 所示，相對(duì)于競(jìng)品車防火墻動(dòng)剛度水平，研發(fā)車型的動(dòng)剛度較低，導(dǎo)致在該頻率下出現(xiàn)防火墻 X向的模態(tài)，使踏板出現(xiàn)明顯抖動(dòng)。
 
通過(guò)對(duì)踏板抖動(dòng)問(wèn)題整車激勵(lì)源及路徑和車內(nèi)響應(yīng)的全面測(cè)試及分析，確定了研發(fā)車型踏板抖動(dòng)問(wèn)題的關(guān)鍵是主要結(jié)構(gòu)部件防火墻的縱向動(dòng)剛度不足產(chǎn)生的局部模態(tài)導(dǎo)致的，而發(fā)動(dòng)機(jī)的二階激勵(lì)和懸置系統(tǒng)的二階隔振均達(dá)到系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)要求，并不是造成踏板抖動(dòng)的主要影響因素。
圖 6 防火墻、踏板與支架 FRF 曲線
圖 7 防火墻 X 向動(dòng)剛度曲線
 
3 優(yōu)化措施及驗(yàn)證
 
針對(duì)防火墻縱向動(dòng)剛度不足的問(wèn)題，需要采取防火墻局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案。通常的結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路是結(jié)合防火墻彎曲模態(tài)的陣型，在防火墻局部加筋來(lái)抑制縱向的彎曲振動(dòng)。對(duì)于該研發(fā)車型防火墻結(jié)構(gòu)類似于蝶形，其中部下邊緣由于中通道支撐作用縱向剛度相對(duì)較大，防火墻上邊緣借助 cowl的結(jié)構(gòu)縱向剛度也比較大，因此在這兩處剛度大的結(jié)構(gòu)間增加筋結(jié)構(gòu)，可以有效的擴(kuò)展高剛度區(qū)域，大大提升防火墻縱向動(dòng)剛度，具體的優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖 8 所示。
圖 8 防火墻局部?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)
 
優(yōu)化后防火墻縱向動(dòng)剛度相對(duì)于基態(tài)有明顯提升，由338N/mm 提高至 550N/mm，與競(jìng)品車防火墻縱向動(dòng)剛度水平基本一致，測(cè)試結(jié)果如圖 9 所示。
圖 9 優(yōu)化后防火墻 X 向動(dòng)剛度曲線
 
在此基礎(chǔ)上對(duì)整車加速工況踏板振動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)點(diǎn)及工況與基態(tài)保持一致。防火墻局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，防火墻縱向在 83Hz 左右的共振帶有明顯減弱，與此頻帶相交 2 階振動(dòng)峰值有明顯降低，由 50mg 降低至 32mg 左右，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。同時(shí)加速踏板縱向振動(dòng)也有明顯改善，在2500rpm左右振動(dòng)峰值由 58mg 降低至 25mg 左右（如圖 11），主觀評(píng)價(jià)該轉(zhuǎn)速下踏板抖動(dòng)現(xiàn)象基本消失，主觀評(píng)價(jià)可以接受。
圖 10 優(yōu)化前后防火墻縱向振動(dòng)
圖 11 優(yōu)化前后加速踏板縱向 2 階振動(dòng)
 
4 結(jié)論
針對(duì)某研發(fā)車型加速踏板 2500rpm 左右強(qiáng)烈振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)主要激勵(lì)源和傳遞路徑系統(tǒng)分析，包括懸置系統(tǒng)隔振性能，主要結(jié)構(gòu)部件動(dòng)態(tài)特性等。確定問(wèn)題的根本原因是防火墻縱向動(dòng)剛度低，從而導(dǎo)致在該頻率下防火墻帶動(dòng)踏板產(chǎn)生強(qiáng)烈的縱向振動(dòng)。通過(guò)對(duì)防火墻結(jié)構(gòu)合理的局部?jī)?yōu)化，提升了防火墻縱向動(dòng)剛度水平，使在問(wèn)題頻率下的防火墻縱向振動(dòng)得到了抑制，從而使整車踏板抖動(dòng)問(wèn)題得到了解決。為此類問(wèn)題的解決提供了思路和經(jīng)驗(yàn)參考。此外，在相關(guān)系統(tǒng)及零部件的分析中，確定了合理的系統(tǒng)控制目標(biāo)，為此類問(wèn)題的正向開(kāi)發(fā)和前期優(yōu)化控制提供了依據(jù)。 
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