題目：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成NVH測(cè)試平臺(tái)（NVH-Prüfstand zur Integration von Lenksystemen）



導(dǎo)語(yǔ)：隨著車(chē)輛中電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的逐步使用，NVH方面對(duì)于開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的需求不斷增加。作為與Siemens PLM Software Engineering合作開(kāi)發(fā)的新方法的核心組成部分，ZF的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)業(yè)務(wù)部門(mén)為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供了一個(gè)特殊的NVH測(cè)試臺(tái)。

綜述：該文主要介紹了ZF研發(fā)的一套用于測(cè)量其電動(dòng)化轉(zhuǎn)向NVH性能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)平臺(tái)配和LMS Virtual Lab等軟件進(jìn)行CAE模擬，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的測(cè)試和模擬改善的整套流程。文中主要按以下小標(biāo)題進(jìn)行闡述。

1：NVH要求越來(lái)越高（DIE NVH-ANFORDERUNGEN STEIGEN STETIG）

隨著科技的發(fā)展，汽車(chē)終端客戶(hù)和OEM汽車(chē)配件生產(chǎn)商對(duì)現(xiàn)代汽車(chē)的NVH性能要求越來(lái)越高，當(dāng)然，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也是如此。尤其是近些年來(lái)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)漸漸從液壓（hydraulisch）轉(zhuǎn)向輔助控制慢慢進(jìn)化成電子轉(zhuǎn)向輔助控制EPS（(Electric Power Steering)），越來(lái)越普遍，以前只是對(duì)小型車(chē)，現(xiàn)在對(duì)整個(gè)中型車(chē)甚至大型車(chē)都有應(yīng)用。EPS的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)需求導(dǎo)向制轉(zhuǎn)向輔助來(lái)節(jié)省很多能源（不需要一直保持一個(gè)高的液壓來(lái)為轉(zhuǎn)向輔助實(shí)時(shí)做好準(zhǔn)備）。但是新的問(wèn)題是EPS的NVH性能在此過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注。

另外就是在汽車(chē)整車(chē)傳動(dòng)鏈電氣化的過(guò)程中，整車(chē)由于輔助系統(tǒng)的產(chǎn)生的工作噪聲會(huì)逐漸的顯露出來(lái)，這是由于電驅(qū)動(dòng)取代內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)之后，之前的這些輔助系統(tǒng)的噪聲很大一部分會(huì)被內(nèi)燃機(jī)遮蓋，如今這部分噪聲將顯露出來(lái)，變得不可忽視。

2：研發(fā)方法（ENTWICKLUNGSMETHODIK）

為了適應(yīng)以上提到的這些新的要求，ZF必須在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研發(fā)和適應(yīng)性?xún)?yōu)化過(guò)程中做出徹底的改變：相較于先制造出可駕駛的車(chē)輛原型，并且定義了許多設(shè)計(jì)參數(shù)之后，再來(lái)校驗(yàn)車(chē)輛NVH行為，則應(yīng)該在早期概念階段盡早考慮NVH行為。這套新的研發(fā)方法是基于整個(gè)車(chē)輛的緊密整合，試驗(yàn)臺(tái)測(cè)驗(yàn)調(diào)試以及使用CAE工具模擬（計(jì)算機(jī)輔助工程）三者結(jié)合而來(lái)。



在將理論計(jì)算轉(zhuǎn)化到整個(gè)實(shí)際研發(fā)過(guò)程中，首先就需要將整車(chē)上的轉(zhuǎn)向相關(guān)的參數(shù)轉(zhuǎn)換到模擬模型中來(lái)。這其中包括轉(zhuǎn)向裝置本身，連接點(diǎn)以及噪聲在整車(chē)中的傳遞路徑。對(duì)NVH性能的設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證不同的設(shè)計(jì)方案，首先考慮的就是進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。所以可以說(shuō)測(cè)試平臺(tái)是將虛擬（模擬）和實(shí)際（測(cè)試）連接起來(lái)的橋梁。

測(cè)試平臺(tái)的要求：必須能夠驗(yàn)證計(jì)算模型功能（Validierung），并在物理測(cè)試中驗(yàn)證模擬結(jié)果參數(shù)（Verifizierung）。因?yàn)橹挥羞@樣，開(kāi)發(fā)工程師才能根據(jù)計(jì)算結(jié)果制定NVH解決方案，這些計(jì)算甚至在實(shí)際車(chē)輛中也能獲得理想的結(jié)果，并在測(cè)試臺(tái)上快速高效地進(jìn)行確認(rèn)。

3：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建（PRÜFSTANDSAUFBAU）

為了完成這個(gè)任務(wù)，ZF為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)特殊的測(cè)試平臺(tái)，它考慮到新開(kāi)發(fā)過(guò)程對(duì)測(cè)試環(huán)境的特殊要求。開(kāi)發(fā)的目標(biāo)是一個(gè)測(cè)試臺(tái)，其測(cè)量結(jié)果是中立的，不會(huì)偽造測(cè)試結(jié)果，并提供精確和可重復(fù)的結(jié)果。

為排除由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的干擾，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基座需要大質(zhì)量和大剛度。為了排除外部振動(dòng)激勵(lì)對(duì)多整個(gè)測(cè)量的影響，通過(guò)氣墊軸承解耦測(cè)試平臺(tái)和環(huán)境的鏈接。在底板上，試驗(yàn)臺(tái)的各個(gè)部件都是靈活布置的，因此可以測(cè)試不同幾何形狀和設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向器。所有在整車(chē)上的連接點(diǎn)的安裝情況也可以在此平臺(tái)上精確地復(fù)制。這為實(shí)現(xiàn)了能夠獲得有意義的，和整車(chē)情況匹配的測(cè)量結(jié)果的先決條件。



測(cè)試臺(tái)的主要組件包括，直接連接到被測(cè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向柱或方向盤(pán)的驅(qū)動(dòng)單元，以及轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向器的原始軸承部件的緊固支撐。而且，為了測(cè)量的準(zhǔn)確性，測(cè)試臺(tái)的這些元件的剛度非常高。

測(cè)試臺(tái)的驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)的中央電子裝置進(jìn)行控制，并在測(cè)試運(yùn)行期間帶來(lái)轉(zhuǎn)向扭矩。橫向轉(zhuǎn)向桿兩端連接的是兩個(gè)氣缸（液壓缸），用來(lái)模擬整車(chē)在實(shí)際行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)向時(shí)由地面?zhèn)鬟f的轉(zhuǎn)向受載。

在設(shè)計(jì)執(zhí)行器時(shí)，重點(diǎn)是在平穩(wěn)運(yùn)行，力量均勻，定位精度高的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)快速，有效的操作控制。測(cè)試平臺(tái)的信噪比SNR（Signal-to-noiseratio）很好，同時(shí)由于設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到，將測(cè)試平臺(tái)的關(guān)鍵頻率（固有頻率）轉(zhuǎn)移到整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的相關(guān)測(cè)試頻率之外，所以整個(gè)測(cè)試平臺(tái)在測(cè)試中效果很好。



4：傳感器方案（SENSORKONZEPT）

轉(zhuǎn)向噪聲很大部分是結(jié)構(gòu)噪聲。轉(zhuǎn)向裝置的噪聲源產(chǎn)生了內(nèi)部動(dòng)力，內(nèi)部動(dòng)力，并通過(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞，并作為接口力，通過(guò)轉(zhuǎn)向裝置傳遞到車(chē)輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最終作為氣體噪聲發(fā)散開(kāi)來(lái)。

對(duì)傳遞路徑的理解以及在所有空間方向上對(duì)傳遞力的測(cè)量都是量化內(nèi)部轉(zhuǎn)向引起的噪音比例的最合理的方法。直接測(cè)量接口力（Schnittstellenkraft）難度非常大，例如對(duì)此必須要有專(zhuān)有設(shè)備和傳感器，這些都要通過(guò)CAE模型來(lái)設(shè)計(jì)，以使其在測(cè)試臺(tái)環(huán)境中的動(dòng)態(tài)行為與車(chē)內(nèi)的動(dòng)態(tài)行為相匹配。

由于這些對(duì)測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)的很高的要求，迄今為止是一個(gè)符合實(shí)際的想法是，在測(cè)量中記錄表面加速度，然后將其與內(nèi)部噪聲相關(guān)聯(lián)。

這種方法的缺點(diǎn)是，加速度的測(cè)量高度的與邊界條件相關(guān)，即測(cè)量位置局部的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)此一個(gè)可接受的相關(guān)度品質(zhì)要求依賴(lài)于測(cè)試樣品的數(shù)量（一般來(lái)說(shuō)測(cè)試樣品數(shù)必須大于30）。還有就是比較測(cè)量和模擬加速度值的困難，因?yàn)檫@些加速度不是完全能從CAE模型中導(dǎo)出（為什么？）。相比之下，接口力在CAE模型中相對(duì)容易確定。

ZF的NVH部門(mén)設(shè)計(jì)和制造了自己的測(cè)量和關(guān)聯(lián)流程，所以ZF如今采用測(cè)定接口力（Schnittstellenkraft）的方法來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

5：實(shí)驗(yàn)進(jìn)行（VERSUCHSDURCHFÜHRUNG）

測(cè)試平臺(tái)可以測(cè)試不同的工作模式和和不同的研究?jī)?nèi)容。例如，可以追蹤測(cè)試臺(tái)上的實(shí)際路線輪廓和以及分析關(guān)于它們的NVH行為。

首先測(cè)試工程師將在實(shí)際道路駕駛中測(cè)量作用在橫向轉(zhuǎn)向桿的受力，并記錄其線路輪廓。然后在測(cè)試平臺(tái)上將這些力重新復(fù)制，并測(cè)量轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的反應(yīng)。在一些其他的工作模式中，將人工操作驅(qū)動(dòng)單元在變速箱中以正弦形式的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行。

橫向轉(zhuǎn)向桿兩端的氣缸（液壓缸）只作為阻抗力考慮，噪聲分析只針對(duì)轉(zhuǎn)向中突出的部分。

6：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化步驟（AUSWERTUNGDER MESSERGEBNISSE UND OPTIMIERUNGSSCHRITTE）

對(duì)整車(chē)的NVH行為的研究可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試或者虛擬的傳遞路徑分析（TPA）來(lái)進(jìn)行。

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上測(cè)量的通過(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞的力和加速度將作為模擬計(jì)算的輸入量。

整車(chē)的NVH行為可以通過(guò)傳遞路徑分析（TPA）來(lái)描述，即描述整個(gè)從力傳遞點(diǎn)到駕駛員的耳朵的噪聲傳遞路徑。ZF利用LMS Test.Lab 和LMS Virtual.Lab 軟件工具開(kāi)發(fā)出了一套有效確定噪聲問(wèn)題，噪聲起源，機(jī)械傳遞結(jié)構(gòu)，以及評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)改變后的效果。

一般來(lái)說(shuō)，傳遞路徑分析（TPA）是一種已經(jīng)被證明的用于確定和描述噪聲在結(jié)構(gòu)中傳遞的有效工具，即從噪聲源到噪聲接受者。然后這需要將整車(chē)的所有噪聲源和傳遞路徑盡可能的精確的量化和模擬。在項(xiàng)目早期，即樣車(chē)還沒(méi)有被制造出來(lái)的時(shí)候，這項(xiàng)操作是很難的。ZF及其客戶(hù)的Know-how有助于為有目的的評(píng)估建立重要的路徑模型，對(duì)模型做出正確的假設(shè)和估計(jì)，并用具體的設(shè)計(jì)參數(shù)推進(jìn)項(xiàng)目驗(yàn)證。

如果傳遞路徑分析（TPA）顯示，有一個(gè)或者多個(gè)頻帶上噪聲突出，那就必須回溯到噪聲源和主要的噪聲傳遞路徑，來(lái)進(jìn)行噪聲的確認(rèn)。

例如，一個(gè)可以改善優(yōu)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的NVH性能的可變參數(shù)是，連接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和汽車(chē)的軸承連接點(diǎn)以及其軸套的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性。另外的其它噪聲相關(guān)的部件或者組件的相關(guān)參數(shù)的改變，也可以用來(lái)作為改善噪聲源的思考方面，例如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的電子控制單元和相關(guān)軟件。

7：案例分析（FALLBEISPIEL）



例如，在某新型樣車(chē)的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)明顯的噪聲，而在反轉(zhuǎn)的過(guò)程中卻看不到這類(lèi)噪聲。這是一個(gè)設(shè)計(jì)上的缺陷，必須在系列車(chē)量產(chǎn)之前得到解決，以減少顧客抱怨和后期改善的費(fèi)用。

圖中左上角是在樣車(chē)上廁所的數(shù)據(jù)結(jié)果，左下角是在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的復(fù)制測(cè)量的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)重復(fù)性非常好。研發(fā)人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)這是一種階次噪聲，這個(gè)階次噪聲是和電機(jī)的結(jié)構(gòu)是相關(guān)的，然后研究人員將利用CAE工具對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，這個(gè)噪聲還和另一個(gè)未進(jìn)行優(yōu)化的軸承的固有頻率有重疊。

所以改善措施就是：1：對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制程序進(jìn)行微調(diào)，2：對(duì)軸承的關(guān)鍵頻率范圍進(jìn)行改進(jìn)，避免其和噪聲頻率重疊。

圖中右上角就是改善后整車(chē)中的測(cè)量結(jié)果，右下角則是在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的測(cè)量結(jié)果。

根據(jù)帕累托原理（ABC分析），影響整體聲音的各個(gè)噪聲成分在實(shí)際優(yōu)化之前被加權(quán)。



8：結(jié)論（ZUSAMMENFASSUNG）

通過(guò)這個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，可以將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的NVH問(wèn)題利用合適的方案進(jìn)行精確確定，為后續(xù)的模擬和傳遞路徑分析提供了激勵(lì)數(shù)據(jù)的可能。

這使其成為ZF新開(kāi)發(fā)方法的核心支柱之一，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)有針對(duì)性和高效率的NVH開(kāi)發(fā)。新方法在概念和開(kāi)發(fā)過(guò)程早期提供了可靠的結(jié)果，因此在批量生產(chǎn)開(kāi)始之前不久就可以避免耗時(shí)費(fèi)力的變更，而且還可以對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)查和優(yōu)化。