汽车前围板及油门踏板振动研究

董志新，谢 然

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434）

0 前言

汽车乘坐舒适性是评价汽车性能的重要因素之一，车辆抖动容易造成驾驶员疲劳，影响行车安全性，整车开发流程中必须严格控制车辆的振动噪声水平。汽车NVH涉及到众多子系统，油门踏板的抖动就是其中非常重要的一个部分。

本文针对某车型加速到3 600 r/min时油门踏板抖动问题进行分析，油门踏板通过螺栓直接安装在前围板上，发动机及路面的激励传递到前围板，从而引起油门踏板抖动。结合板结构优化理论，本文改进前围板设计方面的不足，提高踏板安装点的动刚度，改善踏板抖动问题。另外，本文还研究了踏板结构对振动的影响，有助于在开发前期踏板选型。

1 问题描述与分析

某一开发中的车型在加速时，当发动机转速达到3 600 r/min左右，油门踏板有明显振动。为了找到踏板振动原因，进行了整车状态下油门踏板动刚度计算，图1是油门踏板X方向振动加速度响应。由图1可以看出，踏板总成在124 Hz附近存在振动峰值，频率与发动机2阶激励频率耦合。

图1 油门踏板X方向加速度响应

在激励源不变的情况下，从传递路径及响应上寻求解决方案。图2为整车状态下油门踏板在124 Hz频率下的振型，从图中可以看出，油门踏板的振动主要是由于前围板的前后晃动引起，需要对其进行结构加强，降低共振处的响应峰值或者将模态移出常用转速范围。

图2 整车状态下前围板及油门踏板振型

2 模型简化与理论分析

2.1 踏板分析模型

前围板与车身的纵梁和横梁直接焊接，由于梁的刚度远大于板的刚度，前围板与梁连接处的变形远小于其他部位的变形。前围板是薄板且支撑跨距大，当受到外界激励时，容易引起板的振动。油门踏板通过螺栓直接安装在前围板上接近中间位置，当前围板运动时，油门踏板会受到激励，相当于支承运动引起的强迫振动。图3所示振动系统中，设x(t)及xs(t)分别是油门踏板及前围板的位移，由于前围板的运动，油门踏板受到的弹性恢复力为k(x -xs)，阻尼力为c(ẋ-ẋs)，由达朗伯原理得运动微分方程：

图3 强迫振动示意图

设前围板上油门踏板安装点振幅为a，油门踏板振幅为B，β为振幅放大因子，根据振动理论[1]：

式（2）中：λ-激励力频率与系统频率之比；

ζ-系统阻尼比。

单独考虑踏板及前围子系统，油门踏板1阶垂向固有频率为245 Hz，前围板1阶模态为77 Hz。汽车振动噪声主要来源于发动机及其相关部件、传动系统及旋转机械激励、轮胎激励、其他系统的随机或脉冲激励、风激励等，对前围板影响最大的是发动机激励，其激励频率为0～150 Hz，在汽车加速过程中需要经过前围板共振带，需要增强前围板的模态、动刚度，减少前围板共振次数、降低激励振幅a。对于油门踏板，由于λ始终小于1，相同λ时阻尼越大、同一阻尼下λ越小时振幅放大因子越小，可以通过选择较强的油门踏板结构降低振动传递。

2.2 前围板分析模型

将前围板的边界简化为简支边界条件，根据薄板振动理论[2]，长度为a、宽度为b、厚度为h的平板系统弯曲刚度为：

式（3）中：D0-薄板弯曲刚度；

μ-泊松比；

E-杨氏模量。

固有频率为：

式（4）中： ρ-密度；

i、 j分别是沿着X和Y方向的模态数，i,j=1，2，3，…

固有频率跟质量和刚度的关系为：

板的质量m=ρabh，由式（5）可得系统的1阶模态下的刚度为：

由式（6）可知，板的刚度与材料的杨氏模量、厚度的三次方成正比，与长度的平方成反比。选用高杨氏模量的材料、增加厚度或者减小板的尺寸均会提高板的刚度，但实际工程中通常由于成本、重量或设计尺寸要求难以达到。提高板的刚度有几种常用的方法：（1）将板做成阶梯形或槽型；（2）增加凸台，在板上冲筋或做成曲面板或者分成几个平面；（3）在板上增加支撑结构[3]，如增加加强板或者贴补强胶。

3 分析与优化

3.1 前围板优化与结果比较

为了准确模拟踏板及前围板的在整车上的振动情况，在Hypermesh中建立车型的内饰车身有限元整备车身模型，前围板采用壳单元模拟，通过焊点连接到车身纵梁及横梁上；油门踏板臂及踏板基座用实体单元划分，通过踏板安装支架连接到前围板上，螺栓连接采用Rbe2单元模拟，其中踏板本体材料多采用耐高温、耐磨、高强度、高刚性塑料，在建模时需要根据实际测试数据赋予材料属性[4]。对前围板振动影响较大的零部件如离合踏板、制动踏板、制动真空泵等其他系统及附件，根据其结构进行进行网格划分或者采用集中质量单元conm2代替，质心位置跟安装点之间用Rbe3连接。

前围板受到激励时很容易产生前后晃动，且油门踏板安装在其振幅较大位置，因此减小前围板振幅可以有效改善油门踏板抖动问题。由于工艺、成本及总布置的限制，加补强胶的方案难以在前围板上踏板安装点位置附近实施，因此本文主要考虑增加厚度、加筋[5]或凸台的方式提高刚度。前围板加筋时需要避开与车身连接焊点位置、附件安装平面、转向系统等的通过孔及其他工艺沟槽等，确定可以优化加筋的区域。以某原型车为例，初始方案前围板厚度0.8 mm，左侧小的加强板厚度1.2 mm，结构如图4中(a)所示；优化方案1为在初始方案的基础上加筋优化，加筋位置主要集中制应力较大位置，起筋高度约为10 mm，角度为70°[6]，板厚度不变，起筋方向面向成员舱，并在局部位置增加焊点，结构如图4中(b)所示；优化方案2为加厚方案[7]，板结构不变，将前围板厚度加厚为1 mm，小的加强板厚度1.5 mm，总体重量增加1.8 kg。优化的边界条件为：整备车身状态下不设约束，计算油门踏板前围安装点源点动刚度(IPI)，目标是在问题频段安装点加速度响应峰值最小，将模型提交Nastran进行计算。

将计算结果用HyperGraph进行查看，根据发动机常用转速范围，主要考虑150 Hz内的加速度响应。计算得到的三种方案前围板上油门踏板安装点振动加速度响应结果对比如图5所示。由于人体对垂直于脚面的方向比较敏感，因此重点考察整车的X方向，即车辆行驶方向。图5中实线代表初始方案，在120 Hz处存在较大峰值，对应发动机转速为3 600 r/min，与问题转速一致，说明此模态频率范围内前围板局部模态与发动机二阶激励耦合，较低的前围板刚度容易引起踏板抖动，容易引起顾客抱怨。图5中点划线为加筋优化方案，前围板及加强板厚度不变，120 Hz处加速度响应峰值有较大幅度降低，表明油门踏板安装点动刚度提升明显，前围板的振动幅度得以有效改善。图5中虚线为在初始方案基础上加厚的计算结果，第一个峰值模态由59 Hz上升到68 Hz，第二个峰值对应的模态略有上升，由120 Hz变为123 Hz，加速度响应幅值较原始方案大幅度降低，但高于加筋方案；第三个峰值模态由129 Hz变为139 Hz，前围板模态提高明显，且加速度幅值降低。由以上分析可知，加筋对前围板固有频率影响不大，但可以明显降低共振频率下的加速度响应峰值，提高前围板动刚度，减小传递到踏板的振动及前围板自身的辐射噪音；增加厚度可以提高系统模态及整体动刚度，但降低共振峰值方面不如加筋效果明显，因此系统优化时需要综合考虑结构跟厚度的影响。

图5 优化前后油门踏板安装点IPI曲线

图4 前围板结构图

3.2 踏板分析与选型

油门踏板是控制发动机供油量的装置，可以调节发动机转速，是驾驶员控制车速的重要部件。按照踏板转轴跟支架的相对位置关系，油门踏板可以分为"地板式"和"悬挂式"。"悬挂式"转轴位于基座上，踩踏轻巧，成本低，本文中主要讨论这种踏板，其结构主要由踏板基座、踏板臂、转轴和调节弹簧组成，踏板臂通过转轴与踏板基座连接在一起。

图6 三种踏板结构

本文选取了三款不同结构的油门踏板，分析结构对踏板抖动的影响，踏板结构如图6所示，其安装硬点相同，转轴在基座上的相对位置不同。为了研究转轴位置对踏板振动的影响，三个踏板分别安装到同一个车身上进行验证。

首先进行CAE计算，整备车身状态计算三个踏板轴点位置的动刚度，X向加速度响应结果如图7所示。从图7中可知，在加速度响应峰值87 Hz处，踏板1的振动峰值明显高于踏板2及踏板3，说明轴点位置对动刚度影响很大。转轴越靠近踏板前安装点，其动刚度越低，主要是前围板安装点附近由于板跨距大，刚度相对于支架下安装点较弱，靠上的转轴增加了分配到踏板前围安装点的力，从而增加了踏板的位移。

图7 三种踏板轴点动刚度计算结果对比

图8 为三个踏板的实车测试结果，为消除发动机的影响，选用滑行工况。关注点为踏板踩踏点振动幅值，在测试区域设置局部坐标系，X向与脚踏面平行，Y向与整车坐标系Y向平行，Z向垂直于脚踏板平面，人体对此局部坐标系下Z向最敏感。图8中6秒处从上到下曲线分别代表踏板1、踏板2、踏板3，从图8中可以看出，在2～6 s内踏板1曲线振动峰值明显大于其他两个踏板，说明对于悬挂式踏板，旋转轴越靠近前围安装点，越容易引起踏板的抖动，与仿真计算结果一致。

图8 三种踏板测试结果对比

4 结语

前围板结构模态及动刚度对踏板振动影响很大，提高前围板模态及刚度，通过提高踏板安装点刚度，减小振动传递幅值，或者将模态频率移出常用转速范围，均可有效解决踏板抖动超标问题。在板上加筋可以同时提高系统的模态及动刚度，效果明显；虽然加厚方案可提高系统模态，提高系统刚度，但效果不如加筋方案明显，因此实际中改变板件的结构能更有效地提高板件刚度。

三种类型的踏板安装状态下模态相差不大，轴点位置对刚度影响较大，对悬挂式踏板油门踏板轴点越靠前越容易引起踏板抖动，因此在踏板选型时应该注意。

参考文献：

［1］倪振华.振动力学［M］.西安：西安交通大学出版社，1990.

［2］庞剑.汽车车身噪声与振动控制［M］.北京：机械工业出版社，2015.

［3］谭淼，王洋，李飞，等.基于某款汽车踏板抖动优化［C］.2014中国汽车工程学会年会论文集：1583-1585.

［4］蓝浩伦，李飞，乔鑫，等.汽车Trimmed Body有限元模态分析中弯曲和扭转模态的识别［J］.汽车技术，2015（4）：26-29.

［5］梁新华，顾彦.汽车前围板振动特性形貌优化设计［J］.上海汽车，2009（11）：14-16.

［6］黄宗斌，严莉，向上，等.白车身结构NVH优化技术研究［J］.噪声与振动控制，2015（35）：80-85.

［7］赵振东，胡长征，张袁元，等.汽车前围板减振设计研究［J］.轻型汽车技术，2016（2）：36-37.