基于模态分析的油门踏板抖动问题改善

吴雪辉 张新宇 刘彦君 刘海龙 梁和平

（北京现代汽车有限公司）

随着汽车的普及，顾客对汽车的消费要求也随之逐步提高，从最初期的外观、内饰及配置等基本需求，逐渐注重追求平顺性、NVH及操稳等整车品质。整车优秀的NVH性能是影响顾客购车意向的一个主要因素[1]。油门踏板是驾驶员在汽车行驶过程中时刻接触的一个部位。如果在行驶过程中，油门踏板出现抖动现象，将引起客户的强烈不适，引发投诉。文章针对某款车型在行驶过程中，缓加速至发动机转速至1 500 r/min，车速约55 km/h时，油门踏板会产生抖动问题，采用锤击模态分析法来快速确认汽车产生油门踏板抖动现象的根源，并最终通过优化油门踏板结构的方式进行改善，彻底解决此问题。文章针对油门踏板抖动问题提出的试验方法也为汽车工程技术人员解决其它零部件异响问题提供参考。

1 油门踏板抖动问题分析

1.1 问题客观测试分析

踏板振动问题往往涉及汽车多个系统的可能性，由路面不平、发动机和传动系等部件的激励传导以及结构件的共振影响，使问题复杂化，问题的解决需要大量时间和成本。

当某车型出现油门踏板抖动时，显著影响乘车的舒适性，因此必须解决。解决问题的第1步就是在众多因素中寻找最有可能的因素，排除不可能的因素。

为明确问题发生的根源，首先确认油门踏板抖动问题发生时的振动频率，为问题的后续解决提供基础。对此采用在油门踏板臂上沿振动方向布置加速度传感器，其具体位置，如图1所示。

图1 油门踏板臂传感器安装位置

将汽车挡位置于D挡，油门半开，缓加速至发动机转速为1 500 r/min，车速约55 km/h时，测得油门踏板频谱图和振动频谱彩图[2]，如图2和图3所示。通过分析图2和图3，确认问题频率为88.6 Hz，该频率下油门踏板振动幅值最大，达到72.9 dB。

图2 油门踏板振动频谱图（发动机转速1 500 r/min，车速约55 km/h）

图3 油门踏板振动频谱彩图（发动机转速1 500 r/min，车速约55 km/h）

1.2 问题根源分析

1.2.1 发动机频率分析

油门踏板发生抖动时，发动机转速为1 500 r/min，根据式（1）可以计算出此时发动机的 1，2，3，4 阶频率分别为25，50，75，100 Hz，与油门踏板抖动问题频率（88.6 Hz）均不吻合。因此，初步可以排除由发动机振动引起油门踏板振动的可能性。

式中：n——发动机转速，r/min。

1.2.2 关联件模态分析

在排除发动机原因后，对油门踏板紧密关联件前防火墙进行约束模态测试[3]，确认油门踏板振动是否由防火墙钢板共振引起的。为加快问题的确认和解决，决定对防火墙上油门踏板安装处进行局部模态测试。传感器安装位置和防火墙局部模态-频响函数曲线，如图4和图5所示。

图4 防火墙传感器安装位置

图5 防火墙局部模态-频响函数曲线

从图5可知，防火墙油门踏板安装处局部模态在69.61Hz和73.8 Hz，均未与问题频率（88.6 Hz）吻合。因此，可以初步排除油门踏板抖动是由防火墙上油门踏板安装处刚度不足引起的。

1.2.3 油门踏板模态分析

为进一步确认导致油门踏板抖动问题发生的原因，现对油门踏板自身的模态频率进行测试。为保持与实车行驶状态一致，决定在样车整车状态下对油门踏板进行约束模态测试，分别对0开度、1/2开度及全开3种状态进行测试。其测试结果，如图6所示。

图6 油门踏板频响函数曲线图

从图6可以看出：油门踏板在0开度、1/2开度及全开3种状态下1阶模态频率分别为67.2，88.6，108.2 Hz，因此可以得出1/2开度的模态值与问题频率（88.6 Hz）相吻合，并且工况一致。

初步判定油门踏板抖动问题是由油门踏板本体模态问题导致的。

1.2.4 问题根源确认

为确定油门抖动问题根源是否为油门踏板本身模态导致，需改变油门踏板固有频率后再次测试确认。目前改变结构模态的主要方法有：改变阻尼、附加质量及结构变化等。本次通过采用增加配重改变其固有频率的方法。此方法简单易行，节约时间。为此，将1 kg重的质量块绑在油门踏板安装支架上，再次进行油门踏板约束模态测试。质量块安装位置，如图7所示；测试结果，如图8所示。

图7 油门踏板安装质量块位置示意图

图8 油门踏板1/2开度频响函数曲线（加质量块）

从图8可以得知，油门踏板增加质量块后，其在1/2开度状态下1阶模态频率为44.2 Hz，避开了问题频率（88.6 Hz）。

在整车状态下，采用相同运转工况，进行油门踏板振动测试。加质量块后油门踏板振动频谱图和振动频谱彩图，如图9和图10所示。从图9和10可以得知，油门踏板在88.61 Hz处的振动幅值从72.9 dB下降到60.02 dB，改善十分明显。

图9 油门踏板振动频谱图（加质量块）

图10 油门踏板振动频谱彩图（加质量块）

最终将油门踏板增加质量块前后的振动测试结果进行对比，其对比结果，如图11和图12所示。从图11和12可以得知，相同工况下，油门踏板的振动值已经从83.7 dB降到80.9 dB，问题频率（88.6 Hz）处振动幅值下降到60.0 dB。

图11 油门踏板振动频谱曲线对比

图12 油门踏板振动值对比

同时，通过主观评价感受，发动机转速为1500r/min，车速约55km/h工况下，油门踏板抖动完全消失。

1.3 问题结论

经过以上测试分析，可以确认整车在发动机转速达1 500 r/min，车速约55 km/h工况下，油门踏板抖动问题是由油门踏板本体模态问题导致的。

2 问题改善及效果

为彻底解决油门踏板抖动的问题，需对现有油门踏板总成进行结构改善，以防止问题再次发生。根据开发经验，采取以下两方面的改善。

1）对踏板本身厚度进行变更，由2.5 mm变为2.8 mm，同时对踏板背面加强筋增强及增加宽度，其变更示意图，如图13所示。

图13 油门踏板厚度及加强筋变更示意图

2）对踏板和踏板臂之间的连接进行加强，踏板臂的CAP ARM安装部位HOOK高度增加：11.5～11.6 mm，踏板和踏板臂连接加强处示意图，如图14所示。采取以上措施后，对整车进行主观评价，在发动机转速为1 500 r/min，车速约55 km/h工况时，未发生油门踏板抖动现象。

图14 油门踏板和踏板臂连接加强处示意图

3 结论

汽车部品异常振动和异响问题对汽车驾驶舒适性有极大的影响，因此应该对此类问题给予更多的关注与重视。文章针对某车型加速过程中油门踏板抖动的问题，通过对前防火墙局部模态和油门踏板约束模态测试分析,并采用装载质量块来改变其模态频率的方式，确定抖动问题的根源。采用通过优化油门踏板结构的方式解决了该异常振动问题，提升了该车型的舒适性和改善了产品的品质。文章应用的通过局部模态和约束模态快速定位NVH问题原因的试验方法，方便快捷，缩短了开发周期，丰富了对整车异响及异常振动问题解决的经验，对NVH开发工作具有很好的借鉴意义。