乘用车油门踏板振动控制技术研究

1年前浏览495

【摘要】针对某轿车开发过程中加速时油门踏板振动大的实际工程问题，建立传递路径分析模型，进行了结构传递路径试验，找出传递路径上各部件的贡献量。在分析进气系统模态引起的油门踏板振动特性和影响因素基础上，提出了油门踏板振动的控制策略，并通过优化进气系统模态、提升传递路径上的隔振率及提升油门踏板安装区域的刚度，有效解决了油门踏板振动大问题。本文为油门踏板振动控制提供了一种思路，在工程应用上具有重要的参考意义。

关键词：进气系统模态，油门踏板，赫姆霍兹共振腔

1 前言

汽车噪声与振动是衡量汽车舒适与否的一项非常重要的指标。随着社会的进步和发展，汽车开始进入越来越多的家庭，顾客对汽车的舒适性的要求也越来越高，每个国家对噪声污染的控制越来越严，因此噪声与振动的大小决定了一部汽车在市场上的前景。

汽车噪声与振动按照结构形式可分为两大类：动力传动系统的噪声与振动和车身与整车的噪声与振动[1]。动力传动系统振动中，油门踏板振动一直是汽车产品性能开发中比较常见的问题，油门踏板是驾驶员直接接触的部件，其振动的大小直接影响驾驶员的驾驶心情，是体现汽车NVH品质的重要因素。

油门踏板的振动激励源主要是路面和发动机，其余影响因素有悬置系统、进排气系统、车身结构等，赵常云等研究了油门踏板支架模态及悬置隔振特性对油门踏板振动的影响[2]。李志春等研究了油门踏板自身模态引起的振动问题，指出油门踏板模态应避开发动机常用转速频率区域[3]。

本文以管道声学理论为基础，分析了进气系统模态引起的油门踏板振动的原因，建立传递路径分析模型，进行了结构传递路径试验，并通过优化进气系统模态、提升传递路径上的隔振率及提升油门踏板安装区域的刚度，有效解决了油门踏板振动大问题。

2 油门踏板振动机理分析

电子油门踏板是通过支架或者直接安装在前壁板上，油门踏板振动主要是在踩油门的过程中在某个转速、某个车速或者使用附件功能时会出现“麻脚”、“弹脚”的感觉，会引起脚部不舒服而产生抱怨。表1为油门踏板振动问题的类型，根据转速、车速及附件引起的振动分为三种类型。

当激励频率与油门踏板或者传递路径上的某些部件固有频率发生耦合时，油门踏板会产生较大的振动。图2-1为针对油门踏板振动建立的激励源-传递路径-响应分析模型。图2-1 油门踏板振动传递分析模型油门踏板安装在前壁板上，由图2-1可知，动力系统的传递主要是通过悬置系统、进排气系统到车身以及传动系统到悬架系统再到车身，最后传递到油门踏板上；轮胎路面的传递主要是通过悬架系统到车身再到油门踏板；其他附件的振动直接通过车身传递到油门踏板上。

由于传递路径上的任意部件共振都有可能引起油门踏板的振动，所以找到了振动的传递路径之后还需对路径上的各个部件进行分析。

3 进气系统噪声振动理论

3.1管道声学理论

管道中的声学阻抗Z定义为声压与质点体积速度的比值，即：

式中，u、U和S分别是管道中的速度、体积速度和截面积，体积速度与质点速度的关系为U= Su。进排气系统中管道的长度都是有限的，假设长度为L的管道两端的声阻抗分别已知，即在𝑥𝑥 =𝑥处，声阻抗为Z(𝑥)，在𝑥𝑥=𝑥处，声阻抗为Z(𝑥)。管道中的任一点的声阻抗可以写

式中，ρ为媒体的密度，Pi为入射波声压幅值，Pr为反射波声压幅值，𝑘为声波的波数。

当𝑥=0时，

当𝑥=L时,

式（4）可以写成下面的形式

将式（3）带入式（5），消去Pi和Pr，就得到输入声阻抗Z(𝑥)和输出声阻抗Z(𝐿𝐿)的关系：

发动机的进气系统在工作时可以看成一个开口—封闭管道[1]，如图所示：

图3-1 开口—封闭管道对一个刚性的封闭口来说，其声阻抗为无穷大，及Z(𝐿𝐿)→∞，根据式（6）得：

声阻抗可以写成下面的形式：

Z=R+ 𝑗X（9）

式中，R和X分别是阻抗的实部和虚部，R称为声阻，X称为声抗。声阻取决于结构的材料特性，而声抗取决于结构的几何特性。当声抗为零的时候，结构就发生共振。式（8）中的声阻抗也可以写成式（9）的形式：

上式如果满足下面的条件：cot𝑘𝑘𝐿𝐿 =𝑥（11）即𝑘𝑘𝐿𝐿 =2𝑛𝑛 −12𝜋𝜋，那么这个开口封闭管道就发生共振，其固有频率为：

当n1,2,3,...时，分别对应着管道第1阶、第2阶、第3阶、......第n阶次频率。图3-2为管道声波的第1阶模态和第2阶模态。

3.2进气系统噪声理论

进气系统中噪声能量较强的低频成分主要是周期性压力脉动噪声，在气门的开闭过程中，引起发动机进气管道中空气压力和速度的波动，引起空气密度的周期性变化，产生周期性压力脉动噪声。周期性压力脉动噪声与进气管内的压力脉动相吻合，是进气噪声的主要构成部分。进气管内的压力脉动频率可以表示为：

式中，𝑘为简谐次数，𝑘=l，2，3，．．．，n；i为气缸数；n为发动机转速；𝜏为与冲程数相关的系数，对于四冲程发动机𝜏 =2，二冲程发动机𝜏 =1。

4 油门踏板振动分析和控制国产某搭载自动变速器的轿车在D挡行驶时，当发动机转速达到1850r/min，油门开度达到35%时，出现油门踏板抖动并伴随轰鸣声，影响驾车舒适性。利用振动噪声测试设备测试分析，油门踏板振动主要是二阶激励引起，振动方向主要是X向最大，峰值达到0.09g，下文中的数据皆为X向振动数据。

4.1原因分析

当节气门开度达到99%以上时，发动机进气量在同转速下达到最大，根据式（13）可以得到进气系统在1860r/min时的二阶激励频率为62Hz（如图4-2），与进气系统声腔模态接近；进气系统可以看成一个“开口—封闭”管道，将进气歧管用等效的直管代替，根据管道共振频率计算公式（12）可以得到进气系统的一阶声腔模态大约为63Hz（如图4-3），与油门踏板振动频率相接近；初步判断为进气压力脉动二阶激励频率与进气系统声腔模态耦合引起共振。

4.2传递路径分析

根据油门踏板振动的频率特征知道引起振动的主要是进气系统二阶激励，使用NVH常用的“源—传递路径—响应”，从“源”—发动机到“响应”—油门踏板之间的所有传递路径进行排查。在进行路径排查时，试验分析采用实车物理分离方法，通常断开或者改变传递路径上某个部件进行验证。通过振动相关性分析，空滤器的振动与前壁板及油门踏板振动相关性较好（如图4-4），

当脱离空滤器时（如图4-5），油门踏板振动峰值降低约50%（如图4-6）：

继续对悬架、悬置及副车架路径进行分析，最后确定传递路径为：

4.3进气系统模态引起油门踏板振动控制

进气系统的一端与发动机相连，另一端与车体相连，控制进气系统传递到车身的振动显得很重要。进气系统的振动主要是板壳的振动和气流激励振动，对于该低频问题的振动，对进气系统做振动分析，得到声模态，对声模态进行优化。当气流将进气系统激振起来以后，振动可能会通过空滤器和赫姆霍兹消声器的支架传递到车身，如图4- 8所示。因此支架的刚度要尽可能高，橡胶隔振垫要达到良好的隔振效果。

4.3.1进气系统声腔模态优化

（a）在1800r/min附近，节气门开度达到最大，进气量也最大，共振强度最大。当节气门开度为30%时，进气系统及油门踏板振动都很小，通过改变进气系统的共振频率，使其模态避开1800r/min的二阶激励。对进气系统进行仿真分析，进气系统在63Hz存在模态，该模态为进气系统一阶声腔模态，根据式（12）可知，增加或者减小进气管道的长度能够改变进气系统的共振频率，由于受制于发动机舱空间限制，增长或者减短进气管道长度很难实现。（b）在进气系统的设计中，一般将空滤器安装在声模态节点处，该车型进气系统在一阶模态处空滤器振动较大，未处于模态节点处，需对空滤器位置进行优化。优化后一阶模态如图。由于空滤器改变位置对进气系统及车体的改变较大，本方案未进行实车验证。

（c）进气系统中通常会增加赫姆霍兹共振腔来解决一些低频问题，赫姆霍兹共振腔类似于动力吸振器。动力吸振器中一个附加的质量和一个附加的弹簧组成一个子系统，子系统的运动可以消除主系统中某个频率的振动。赫姆霍兹共振腔（如图4- 10所示）的空腔就好像弹簧，连接管中的空气类似于动力吸振器中的附加质量，这样就可以消除某个频率的声波。

赫姆霍兹共振腔的频率可以由下式得到

式中，Sc和lc分别为连接管的截面面积，V为消声器容积。

通过计算认为在空滤器下方增加一个2.7L赫姆霍兹共振腔能够有效的抑制进气系统的振动噪声。该方案改动量小，效果也比较明显。

将增加了赫姆霍兹共振腔的空滤器进行实车验证，空滤器的振动明显降低，油门踏板的振动降低了50%。主观感觉振动峰值基本消失，能够接受。

4.3.2传递路径优化

a）提升空滤器与支架之间的橡胶垫的隔振率；

b）提升油门踏板安装区域的刚度。

5 结语

建立了油门踏板振动控制的分析模型，通过对进气系统声模态引起的油门踏板振动特征分析，形成结论如下：

（1）对油门踏板振动进行了系统的分类，建立了油门踏板振动问题的分析模型，能够快速的找到问题原因，锁定问题部件，在工程上有较强的实际意义；

（2）利用有限元对进气系统声模态进行分析，能够快速有效的得到声模态与进气压力脉动频率耦合原因；

（3）进气系统的声模态引起的油门踏板振动可以有多种控制方法，通过改变进气管道的长度，改变空滤器位置，增加赫姆霍兹共振腔，提升空滤器橡胶垫隔振率均可以降低油门踏板的振动。

作者：李沙余雄鹰张海燕唐永强范大力

作者单位：汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室, 2长安汽车工程研究总院

来源：2018汽车NVH控制技术国际研讨会论文集

往期相关推荐

相关文章，在仿真秀官网搜索：

某轻卡加速车内噪声排查及控制方法

电动汽车全油门加速整车抖动问题试验研究

某纯电动车急加速抖动问题分析和解决

汽车加速车内轰鸣声控制研究

免责申明：本公众号所载文章为本公众号原创或根据网络搜索编辑整理，文章版权归原作者所有。因转载众多，无法找到真正来源，如标错来源，或对于文中所使用的图片，资料，下载链接中所包含的软件，资料等，如有侵权，请跟我们联系协商或删除，谢谢！

来源：汽车NVH云讲堂

振动汽车电子声学理论材料传动 NVH 控制试验

著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载

首次发布时间：2023-04-20

汽车悬置系统工程师入门进阶10讲：基于ABAQUS的动力总成悬置系统设计

¥999

还没有评论