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新能源汽車整車NVH金字塔開發(fā)流程
2020-11-04 23:20:35· 來源：ATC汽車技術(shù)會議 作者：辛雨
NVH開發(fā)流程的進(jìn)化1.1 解決車輛異常的NVH開發(fā)在汽車工業(yè)設(shè)計開發(fā)早期，主要解決的是生產(chǎn)、制造、裝配的問題；設(shè)計問題、裝配干涉、試驗(yàn)后破壞都可能引起異常的振
NVH開發(fā)流程的進(jìn)化
1.1 解決車輛異常的NVH開發(fā)
在汽車工業(yè)設(shè)計開發(fā)早期，主要解決的是生產(chǎn)、制造、裝配的問題；設(shè)計問題、裝配干涉、試驗(yàn)后破壞都可能引起異常的振動噪聲，此時需要振動檢測、故障排查手段。最近5-10年，也有部分廠家因?yàn)闆]有NVH測試和仿真手段，只能以人體作為傳感器，通過人的經(jīng)驗(yàn)判斷，來解決生產(chǎn)、制造、以及市場反饋的車輛異常振動噪聲問題。
實(shí)際案例
由于設(shè)計干涉造成的異響：某某項(xiàng)目開發(fā)中，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)踩剎車踏板真空泵響聲很大，按照慣常的思維，對真空泵傳遞路徑進(jìn)行了振動噪聲測試 。然后將真空泵安裝點(diǎn)拆下來做是否結(jié)構(gòu)傳遞的過程中發(fā)現(xiàn)真空泵與支 架干涉！拆開后車內(nèi)噪聲立馬從53.6dB(A)降到40dB(A)。
不明原因抖動抱怨整改：某某項(xiàng)目樣車客戶投訴抖動嚴(yán)重，由于沒有測試設(shè)備進(jìn)行測試檢查，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了換不同要求傳動軸2次、不同發(fā)動 機(jī)平衡盤減震器2次、更換不同速比后橋、更換不同速比變速器后，解決 了不同車速段下的三個抖動問題。
1.2 試驗(yàn)調(diào)校為主的NVH開發(fā)
20世紀(jì)60-70年代，西方主要汽車廠商開始重視NVH，即振動、噪聲、舒適性的開發(fā)。NVH更傾向于解決存在的共性振動噪聲問題，而不是某輛車個別存在的異?，F(xiàn)象。
主要仍為解決設(shè)計后期樣車試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)的振動噪聲問題，以試驗(yàn)調(diào)校為主，以達(dá)到或超越競爭車的振動噪聲水平為目的。
做一個模態(tài)測試，從樣品安裝-傳感器安放-力錘選擇-傳感器-信號線-采集 儀器-電腦連接-軟件設(shè)置-預(yù)試驗(yàn)-試驗(yàn)-試驗(yàn)結(jié)果處理-試驗(yàn)報告，小的零部件需要1-2天，整車需要2-4個周。需要2-3人同時開展試驗(yàn)。做一個振動噪聲水平測試或者查找NVH問題源的測試，周期也需要2-3個人耗費(fèi)從1天-幾個周不等的時間。
1.3 加入CAE驗(yàn)證的NVH開發(fā)
得益于計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CAE仿真被大量應(yīng)用于汽車行業(yè)，NVH開發(fā)中也可以使用CAE技術(shù)在前期進(jìn)行性能仿真驗(yàn)證。
CAE技術(shù)可以在尚未出現(xiàn)試制樣車的時候即開始數(shù)字化設(shè)計驗(yàn)證，減少開發(fā)周期，降低開發(fā)費(fèi)用。
開發(fā)成本節(jié)約：CAE仿真支撐技術(shù)開發(fā)過程中降低試驗(yàn)次數(shù)，從而 減少試驗(yàn)費(fèi)用；以降低1/3試驗(yàn)次數(shù)論，每項(xiàng)目預(yù)計 降低30%試驗(yàn)費(fèi)用。
開發(fā)周期縮短 ：以整車開發(fā)為例，正常的正向開發(fā)流程約3-5年，使 用CAE仿真支撐可減少試驗(yàn)-整改輪次，提高問題定 位效率，開發(fā)周期可縮短為2-3年。
試驗(yàn)條件限制 ：試驗(yàn)受天氣（例如刮風(fēng)下雨下雪結(jié)冰等）影響，導(dǎo) 致無法試驗(yàn)或試驗(yàn)結(jié)果失真，仿真無此類問題。
優(yōu)化方向指導(dǎo)：在試驗(yàn)或設(shè)計中發(fā)現(xiàn)問題時，經(jīng)驗(yàn)法/試錯法設(shè)計優(yōu) 化耗費(fèi)大量時間和精力，使用仿真優(yōu)化方法可提供優(yōu)化方向指導(dǎo)。
多學(xué)科平衡：當(dāng)某系統(tǒng)同時關(guān)乎多種性能時，一項(xiàng)項(xiàng)驗(yàn)證或優(yōu)化 收效甚微，出現(xiàn)A性能變優(yōu)B性能變差問題；仿真優(yōu) 化可找到平衡點(diǎn)。
做一個模態(tài)仿真，從數(shù)模導(dǎo)入-幾何處理-網(wǎng)格劃分-材料屬性-約束載荷-提 交計算-結(jié)果分析-仿真報告，零部件需要1-2天，整車需要2-4周，只需要 一個人即可完成。做一個激勵響應(yīng)分析或其它仿真，需要的周期和費(fèi)用 一般也少于試驗(yàn)。但仿真的輸入條件：數(shù)模、材料、載荷等的輸入是先決條件。
1.4 仿真與試驗(yàn)并重的現(xiàn)代V型NVH開發(fā)流程
現(xiàn)代V型NVH開發(fā)流程致力于正向開發(fā)，希望仿真與試驗(yàn)并重，仿真解決80%問題；隨著仿真優(yōu)化算法的進(jìn)步，逐步走向仿真驅(qū)動設(shè)計的理念。
仿真和試驗(yàn)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，由于基礎(chǔ)材料參數(shù)、建模方法等的限制，整車仿真模型計算結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果仍有不小的誤差，因 此NVH雙V驗(yàn)證可以為整車開發(fā)提供較好的支撐。
零部件的NVH仿真已可以做到非常準(zhǔn)確，精度95%以上；整車仿真精度有待提高，約80%左右。
02、現(xiàn)有NVH流程的不足
2.1 大量NVH缺陷的引入在概念開發(fā)階段
概念開發(fā)階段引入缺陷的幾率遠(yuǎn)高于后期驗(yàn)證階段，而其修改成本??；后期驗(yàn)證階段修復(fù)缺陷成本高出近45倍。 方案設(shè)計階段，NVH工程師在做什么？指標(biāo)設(shè)計，對標(biāo)測試？指標(biāo)從何處而來，對標(biāo)結(jié)果和工作經(jīng)驗(yàn)嗎？
必須形成概念開發(fā)階段NVH仿真評估的手段，在概念設(shè)計階段具備一個概念仿真模型，對設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行評估。
2.2 仿真分析的作用被周期及輸入所限制
一輪仿真分析的時間一般4-8周，與設(shè)計串行，由于開發(fā)周期所限，仿真分析工作受到很大限制。為縮短開發(fā)周期，設(shè)計制造和仿真優(yōu)化同時進(jìn)行，整車分析模型搭建完的時候已經(jīng)有樣車出來試驗(yàn)，而模型和樣車不一致。
項(xiàng)目中仿真分析的數(shù)模及材料輸入有時不能及時獲得，需要與設(shè)計工程師、供應(yīng)商、仿真工程師的共同努力。
2.3 所有不考慮成本的NVH措施都是耍流氓
如果不考慮成本，NVH性能可以做的很好，如何在有限的資本成本工程是汽車企業(yè)的日常工作，不能只是因?yàn)槭袌鰤毫?，必須降低產(chǎn)品成本了，才去降低成本，而是在每一個新產(chǎn)品定義的第 一天起，就要做Design to Cost （按目標(biāo)成本進(jìn)行設(shè)計），要做成本工程管理下的設(shè)計變更，因?yàn)?5%的產(chǎn)品成本已經(jīng)在產(chǎn)品定義和研發(fā)初始階段就定型了，因此需要重視研發(fā)初始階段的設(shè)計匹配，特別是低成本車輛；而控制成本最重要的是概念開發(fā)階段，NVH開發(fā)必須更重視概念開發(fā)階段的工作。
2.4 不考慮其它性能的NVH措施難免受抵制
最終銷售的，始終是一輛車，車輛包含的不僅僅是車身、底盤、三電等零部件，而是所有零部件的集合體，所以需要零部件匹配。最終銷售的也不是NVH、碰撞、耐久等單一性能，而是所有性能的集合體，所以也需要多性能之間的匹配。
多性能匹配需要很多詳細(xì)設(shè)計的工作，更需要在概念設(shè)計階段進(jìn)行規(guī)劃，建立其設(shè)計指導(dǎo)思想和匹配策略。
2.5 未充分考慮新能源汽車NVH開發(fā)特點(diǎn)
傳統(tǒng)燃油車輛基于較成熟發(fā)動機(jī)選型設(shè)計，V型正向開發(fā)主要為車身及整車的匹配設(shè)計。
而新能源車輛電驅(qū)、電池、電控三電系統(tǒng)與車身等系統(tǒng)同時開發(fā)匹配，具有更多的零部件同時開發(fā)及互相之間的匹配問題。
電驅(qū)電控+車身電池同時匹配開發(fā)，激勵源和傳遞路徑都是在開發(fā)過程中逐漸設(shè)計完成的，對概念開發(fā)和匹配都提出更高要求。
03、NVH金字塔開發(fā)流程
3.1 金字塔開發(fā)流程介紹
V型開發(fā)流程向金字塔開發(fā)流程的遷移和轉(zhuǎn)變，代表將整車開發(fā)流程并行進(jìn)行，不再有直線串行階段，從而節(jié)約周期 。
V型開發(fā)流程向金字塔開發(fā)流程的遷移和轉(zhuǎn)變，更加重視系統(tǒng)和零部件的仿真驗(yàn)證，奠定金字塔塔基。
金字塔開發(fā)流程需要整車和系統(tǒng)級開發(fā)中保持更多的交互，數(shù)據(jù)共享及相互驗(yàn)證。
3.1 金字塔開發(fā)流程介紹—來自實(shí)際案例的流程變革思路
某純電動汽車項(xiàng)目振動噪聲測試試驗(yàn)中，踩制動踏板、真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)時車內(nèi)可明顯聽到真空泵運(yùn)行聲音。經(jīng)測試，主駕內(nèi)耳噪聲為 42.45dB(A)，后右乘客內(nèi)耳噪聲為43.92 dB(A)。在傳統(tǒng)燃油車輛中，由于發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的遮蔽效應(yīng)，該類噪聲可被掩蓋；但 在純電動汽車中，由于動力總成噪聲小，真空泵噪聲運(yùn)轉(zhuǎn)非常明顯，需要對其進(jìn)行整改。該項(xiàng)目經(jīng)真空泵支架模態(tài)優(yōu)化，真空泵 管路安裝點(diǎn)優(yōu)化，真空泵懸置橡膠墊優(yōu)化，懸置優(yōu)化，車身密封改進(jìn)等措施后問題解決。
復(fù)盤此次包含設(shè)計、仿真、驗(yàn)證的NVH調(diào)校整改過程， NVH問題在FP階段被發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證在EP階段解決。如果希望在傳統(tǒng)仿真方法仿真時解決此問題，需建立動力總成、真空泵及懸置及管路、真空泵支架、動總懸置、車身、聲腔等模型，然后 進(jìn)行激勵響應(yīng)分析，輸入制動時真空泵振動噪聲并求解耳旁噪聲，建模復(fù)雜度高。如考慮振動噪聲的結(jié)構(gòu)傳播，建模更加復(fù)雜。
以使用Amesim軟件為例，可將真空泵-動力總成-車身系統(tǒng)建立一維概念模型，通過試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?biāo)定后，用于優(yōu)化方案設(shè)計或后期 其它項(xiàng)目設(shè)計時的概念開發(fā)階段匹配設(shè)計。該部分功能adams，hyperworks等軟件也可實(shí)現(xiàn)。
3.2 金字塔開發(fā)流程的中心思想—NVH是設(shè)計出來的。
從對標(biāo)開發(fā)到正向開發(fā)，是NVH性能開發(fā)展現(xiàn)重要性的第一步；但很多正向開發(fā)中的性能（例如NVH性能）仍然是對標(biāo)開發(fā)。
從性能對標(biāo)到性能設(shè)計，是NVH性能開發(fā)走向NVH設(shè)計的重要一步，是建立汽車NVH的DNA的必由之路。
新能源汽車電動化、智能化為NVH-DNA設(shè)計提供了更好的基礎(chǔ)和更便利的路徑—主動聲音設(shè)計。
3.3 金字塔開發(fā)流程的重點(diǎn)—重視概念開發(fā)。
建立經(jīng)驗(yàn)NVH概念開發(fā)模型，在設(shè)計初始階段進(jìn)行NVH性能匹配。
車身概念模型可使用梁—接頭模型，并根據(jù)接頭剛度、車身梁截面設(shè)計、梁長度等的改變對車身NVH概念開發(fā)提供依據(jù)。
即使到設(shè)計后期，仍可參考建立的概念模型對新設(shè)計方案進(jìn)行快速評估。
懸置系統(tǒng)概念分析可使用多體動力學(xué)模型，也可建立有限元模型進(jìn)行分析。
綜合其它例如懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)等模型，建立整車概念開發(fā)模型，用于概念階段NVH模態(tài)隔離及振動性能評估 。
綜合聲學(xué)包吸隔聲性能及車型駕駛艙形狀，可建立車身聲學(xué)概念模型，初步預(yù)測車內(nèi)噪聲水平進(jìn)行概念設(shè)計。
對于成熟車型，通過前期的CAE-試驗(yàn)對標(biāo)，獲得較準(zhǔn)確的概念模型，對后期升級開發(fā)提供概念階段更快速而精確的評估。
3.4 金字塔開發(fā)流程的基礎(chǔ)—技術(shù)積累和數(shù)據(jù)庫。
要在較短的開發(fā)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)大量的開發(fā)工作，沒有足夠的技術(shù)積累和數(shù)據(jù)庫，金字塔開發(fā)流程的實(shí)現(xiàn)存在較大的困難。
技術(shù)積累和數(shù)據(jù)庫可依據(jù)公司內(nèi)外部（包含供應(yīng)商）資源共同開發(fā)，增加技術(shù)積累速度，特別對零部件和系統(tǒng)級的技術(shù)積累。
在汽車行業(yè)大聯(lián)合（例如國外大眾和福特共享MEB平臺，國內(nèi)長安一汽東風(fēng)聯(lián)合等）的背景下，整車企業(yè)之間也可以取長補(bǔ)短。
行業(yè)性組織將提供技術(shù)積累和數(shù)據(jù)庫服務(wù)，例如國創(chuàng)中心將建立輕量化材料數(shù)據(jù)庫等。
3.5 金字塔開發(fā)流程的實(shí)現(xiàn)途徑—零部件仿真及試驗(yàn)
要得到精確的整車仿真模型和仿真結(jié)果，需進(jìn)行大量的零部件仿真和試驗(yàn)，對標(biāo)零部件的仿真精度。
由零部件仿真模型，對標(biāo)整車概念模型中零部件參數(shù)，根據(jù)整車模型對零部件進(jìn)行匹配設(shè)計開發(fā)
零部件仿真/試驗(yàn)?zāi)Ｐ图敖⒌臄?shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)金字塔流程的途徑，沒有系統(tǒng)與整車的良好溝通，金字塔流程很難實(shí)現(xiàn)。
3.6 金字塔開發(fā)流程的優(yōu)勢—更適合新能源汽車
新能源汽車構(gòu)型較多，基于金字塔開發(fā)流程，建立整車概念模型，進(jìn)行平臺化設(shè)計，對于整車的匹配開發(fā)（例如匹配不同動力總 成）有利，更適用于目前平臺化趨勢。
對于同步開發(fā)的整車與零部件系統(tǒng)，金字塔開發(fā)流程更有利于系統(tǒng)與整車的不斷交互過程。
3.6 金字塔開發(fā)流程的優(yōu)勢—更適合多性能匹配
綜合新能源車部件及其主要改變，建立整車概念模型有利于多性能之間的匹配開發(fā)。
3.6 金字塔開發(fā)流程的優(yōu)勢—節(jié)約更多開發(fā)周期
傳統(tǒng)燃油車輛基于較成熟發(fā)動機(jī)選型設(shè)計，V型正向開發(fā)主要為車身及整車的設(shè)計，一般需3-5年。
新能源車輛電驅(qū)、電池、電控三電系統(tǒng)與車身等系統(tǒng)同時開發(fā)匹配，采用傳統(tǒng)V型正向開發(fā)流程相比燃油車更耗時間。
推薦金字塔開發(fā)流程轉(zhuǎn)變，增加系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，建立整車高精度數(shù)字模型，減少整車試驗(yàn)，扁平化開發(fā)周期為2-3年。
3.6 金字塔開發(fā)流程的優(yōu)勢—汽車邁向數(shù)字化訂單化生產(chǎn)的奠基之路
未來汽車訂單化生產(chǎn)要求客戶提出需求后，整車廠直接通過數(shù)字化設(shè)計仿真技術(shù)完成成熟設(shè)計并進(jìn)行個性化生產(chǎn)，沒有上百輛車 的試驗(yàn)試制和車輛調(diào)整整改周期。國外對于部分高端車型已有個性化定制的設(shè)計，國內(nèi)則處于探索階段。
通過金字塔開發(fā)流程的實(shí)施，積累大量的系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件設(shè)計仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)和整車性能匹配經(jīng)驗(yàn)，未來有望實(shí)現(xiàn)1個訂單1輛樣車設(shè)計1輛樣車生產(chǎn)，通過簡單的質(zhì)量檢驗(yàn)和調(diào)整，符合客戶使用要求。
這一天或許很遠(yuǎn)或許很近——隨著車輛平臺化、模塊化的設(shè)計，隨著數(shù)字化智能化技術(shù)的發(fā)展，隨著3d打印制造技術(shù)的普及，隨著知識爆炸及大數(shù)據(jù)、機(jī)器深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，訂單化生產(chǎn)到來的那一天已不遠(yuǎn)。在這之間，積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)形成大數(shù)據(jù)庫是未雨 綢繆之舉，使用金字塔開發(fā)流程，是奠基之路。
04、總結(jié)及展望
新能源汽車金字塔開發(fā)流程轉(zhuǎn)變，增加系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，建立整車高精度數(shù)字模型，減少整車試驗(yàn)，扁平化開發(fā)周期為2-3年；
建立整車及零部件模型NVH數(shù)據(jù)庫，夯實(shí)NVH開發(fā)基礎(chǔ)；建立整車及零部件NVH指標(biāo)數(shù)據(jù)庫，不需要每個車型進(jìn)行一次對標(biāo)分析。
隨著整車及系統(tǒng)平臺化開發(fā)的進(jìn)行，整車NVH概念開發(fā)模型的建立將為NVH匹配提供指導(dǎo)性的意見和早期評估。
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