題目：轉(zhuǎn)向和剎車系統(tǒng)中的噪聲和振動技術(shù)

綜述：本文是來自汽車零部件供應(yīng)商TRW早年的一篇文章，文中介紹了很多知識，其中主要重點在于，如何在產(chǎn)品設(shè)計早期就關(guān)注到噪聲和舒適性的問題，由于NVH領(lǐng)域的復(fù)雜性，需要各大汽車生產(chǎn)商和汽車零配件生產(chǎn)商進(jìn)行通力合作。此外，文中提到了四款TRW的經(jīng)典產(chǎn)品，并簡單介紹了其NVH優(yōu)化方面的一些重點。最后文中還重點提及了TRW開發(fā)的兩款創(chuàng)新性產(chǎn)品。



前言：制動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)已經(jīng)不再是純粹的其功能上問題。車輛在制動或停車期間的內(nèi)部和外部噪音特性所導(dǎo)致的舒適性問題非常重要，并且可以因此對買家購買上的判斷有很大影響。在現(xiàn)代制動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，必須發(fā)展開發(fā)新的產(chǎn)品。TRW Automotive的這篇文章介紹了如何通過聲學(xué)和振動控制、噪聲振動粗糙度（NVH）規(guī)范的大力的改進(jìn)和設(shè)計，以及通過從產(chǎn)品概念設(shè)計階段到生產(chǎn)加工階段，始終如一的保障其NVH性能，成功在整個集團(tuán)范圍內(nèi)推出產(chǎn)品，如電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

1：導(dǎo)言（Einleitung）

對于每個汽車制造商及其供應(yīng)商來說，新產(chǎn)品研發(fā)時的噪音問題是一個令人討厭的課題。在很早開始，車輛中不希望出現(xiàn)的制動或轉(zhuǎn)向噪音就已經(jīng)被注意和研究了。在規(guī)?；a(chǎn)開始之前不久，當(dāng)新車的最終版本首次經(jīng)過全面測試時，通常會檢測到不舒適的和干擾的噪音，這些噪音必須通過有針對性的特殊修改迅速消除。人們會研究噪音的原因和它的所謂的傳輸路徑。

制動或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的一個部件激發(fā)了通過空氣和/或結(jié)構(gòu)的噪音傳播的振動。司機(jī)察覺到了噪聲或振動–因為他們打擾了他。在下面的分析中，共振情況會被研究和改善。振動激勵部件（例如電機(jī)或泵）和傳輸路徑（例如液壓和電流導(dǎo)線，橡膠軸承，橫梁或車身）都可能是決定性因素。然而這時候如果考慮對于基礎(chǔ)設(shè)計的更改，通常都太晚了。

今天的車輛開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能接受這種方法，尤其是出于時間和成本原因。在TRW汽車公司，作為現(xiàn)代制動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的供應(yīng)商，自20世紀(jì)90年代以來，系統(tǒng)工程的重點就放在了新的NVH學(xué)科上。為了盡早使用新的方法和技術(shù)來優(yōu)化產(chǎn)品，NVH專家組成立了一個新的團(tuán)隊，參與全球TRW產(chǎn)品開發(fā)。投資新NVH實驗室，特別是德國和美國的專業(yè)測試平臺和設(shè)備，為高效工作奠定了基礎(chǔ)。

2：開發(fā)新的流程（Neue Prozeduren entwickeln）

今天，NVH工程師正在努力盡早在制動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)中消除噪音問題。其目標(biāo)是為，為TRW產(chǎn)品部件的開發(fā)和設(shè)計工作，以及測試條件和技術(shù)規(guī)范，開發(fā)一個高效的方法。

對于既定產(chǎn)品已經(jīng)指定的和驗證的噪音測試，是已經(jīng)存在并可用的。在相應(yīng)開發(fā)的試驗臺上，可以通過標(biāo)準(zhǔn)測試程序檢查制動助力器，主剎車液壓缸或控制系統(tǒng)，以及時檢測和避免可能發(fā)生的各種噪音。這個過程對于驗證計算模型也很重要。

車輪制動噪音（如制動尖叫BremsenQuietschen）的再現(xiàn)（復(fù)制，再發(fā)生）在20年前比現(xiàn)在要困難得多，因為它取決于許多參數(shù)，且其中一些參數(shù)影響很大，并且只能用純粹的車輛測試是非常不足夠的，所以要進(jìn)行費時費力的研究和很高的費用花費。

當(dāng)時，NVH工程師們已經(jīng)在這里開展了創(chuàng)新先驅(qū)工作，并開發(fā)了TRW設(shè)計的噪音測試平臺的測試程序，可以顯示和分析解決這些噪音現(xiàn)象。幾年來，它已經(jīng)能夠在這些測試臺上進(jìn)行單獨零部件的優(yōu)化，而不需要車輛。由于這些測試程序具有全天候全自動操作的高效率，部分程序已成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

作為新產(chǎn)品開發(fā)的一部分，還必須開發(fā)相應(yīng)的NVH測試流程。這適用于電子駐車制動器以及最新版本的電動液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[1]。

早期嘗試的經(jīng)驗為新思想提供了基礎(chǔ)。雖然這種轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)由許多部件組成，但其中只有很少部分與噪音相關(guān)：電動馬達(dá)和液壓泵作為激勵源，橡膠軸承和軟管作為傳輸路徑元件，以及作為散熱表面的箱體和把柄。軟管和管道還具有另一個聲學(xué)功能。它們配有所謂的調(diào)諧器來抑制壓力脈動振動 - 通常在500 Hz至1.5 kHz的頻率范圍內(nèi)。然而，與此同時，它們提供了大的輻射面（反射面），并且可以將結(jié)構(gòu)傳播的噪音傳遞到內(nèi)部，從而與車身部件的接觸尤其要避免，或者充分足夠的進(jìn)行絕緣。

在此變得清楚的是，噪音問題不一定由單一來源本身引起或甚至放大，而是通過將部件整合到系統(tǒng)中進(jìn)入車輛。所有相關(guān)供應(yīng)商，TRW和OEM，已經(jīng)在開發(fā)之初的參與和合作 -對后來的成功具有決定性意義。圖中的圖形顯示了在制動和轉(zhuǎn)向領(lǐng)域的基本的實施過程。



在項目開始時，要與車輛制造商在所謂的噪聲目標(biāo)上達(dá)成一致，噪聲目標(biāo)即描述了車輛后期的噪聲行為。由此轉(zhuǎn)換導(dǎo)出與噪聲目標(biāo)相匹配的技術(shù)規(guī)格。

有限元計算和模擬有助于在產(chǎn)品開發(fā)早期階段，系統(tǒng)地優(yōu)化部件和組件的動態(tài)行為。樣機(jī)原型在特殊測試臺（組件或系統(tǒng)）上進(jìn)行測試，并根據(jù)噪聲特性進(jìn)行評估。此后，在車輛中實現(xiàn)噪聲的平衡：既根據(jù)主觀標(biāo)準(zhǔn)，又根據(jù)通過麥克風(fēng)或人工頭獲取的客觀數(shù)據(jù)。最終借助于相關(guān)性研究結(jié)果形成一個為TRW裝配線的測試過程。這樣的操作流程，可以確?？蛻羰盏骄哂蟹项A(yù)期和法律許可范圍內(nèi)的噪音特性的產(chǎn)品。



3：噪聲和振動技術(shù)——系統(tǒng)的優(yōu)化（Akustikund Schwingungstechnik——Optimierung von Systemen）

上述概念的應(yīng)用將在下面介紹最新一代現(xiàn)代制動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展的時候使用到。

3.1 行車制動器（Radbremse）
盤式或鼓式制動器的主要要求的特征是不受干擾噪音的影響。特別是，制動尖叫（Quietschen）的預(yù)防是一個重要目標(biāo)。



在產(chǎn)品開發(fā)方面，NVH團(tuán)隊使用大量的計算模型，使用全息投影來實現(xiàn)工作狀態(tài)的振動測量，或者利用激光掃描。計算預(yù)測與實驗分析和專門設(shè)計的制動噪音測試臺驗證相結(jié)合，可實現(xiàn)高效且及時的產(chǎn)品開發(fā)



由于制動噪音是一個系統(tǒng)問題，不僅涉及制動器，還涉及剎車片和底盤部件，如轉(zhuǎn)向節(jié)，因此所有發(fā)展合作伙伴必須有效地協(xié)同工作，對系統(tǒng)進(jìn)行必要的更改，以估計改善噪聲的效果。

設(shè)計上的解決方案可以是：制動器支架，殼體，摩擦片，剎車盤形或轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)微調(diào)（質(zhì)量，剛度）以及采用特殊的解耦或阻尼板。每個制動系統(tǒng)為相應(yīng)的車輛平臺備有“NVH定制西裝”。當(dāng)然，這必須在非常短的時間內(nèi)完成，并且在批量生產(chǎn)時即使在具有所有制造偏差和容差的情況下依然強(qiáng)健穩(wěn)定。

3.2 電子手剎（Elektrische Parkbremse）

電子手剎（EPB）是一種相對較新的產(chǎn)品，它吸引了很多客戶的興趣，特別是在歐洲市場。手剎操作不再通過手剎桿完成，而是通過操作開關(guān)完成，這個開關(guān)可以根據(jù)客戶的要求在車內(nèi)進(jìn)行布置。啟動時，啟動一個電機(jī)/減速器，該電機(jī)/減速器集成在液壓行車制動器中，并通過主軸，移動制動器活塞來實現(xiàn)壓緊力。

聲學(xué)產(chǎn)品優(yōu)化的一個重要分析工具是圖中的小波分析（Wavelet-Analyse），借助它可以在設(shè)計中找到各個噪聲成分及其原因。



結(jié)合人工頭，可以在這里獲得強(qiáng)大的錄音和分析軟件包。今天的EPB包含優(yōu)化的齒輪傳動以及關(guān)鍵區(qū)域的解耦元件。雖然EPB已經(jīng)作為一個組件進(jìn)行了噪聲優(yōu)化，但最終的噪聲行為最終只能在車輛中體現(xiàn)出來，因為它們是一個耦合諧振系統(tǒng)。



這種影響的程度可以從圖中所示的兩種不同車輛的噪聲行為的比較中看出。特別是在這些最后的調(diào)試匹配適應(yīng)工作中，通過使用現(xiàn)代測量方法快速和經(jīng)濟(jì)有效的實現(xiàn)“噪聲優(yōu)化目標(biāo)”，是一個具有決定性意義的點。

3.3 機(jī)電轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ElektromechanischesLenksystem）

圖7（b）所示基于轉(zhuǎn)向柱支撐的機(jī)電轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點是，具有三個與聲學(xué)特別相關(guān)的特征：
- 安裝區(qū)域直接安裝在乘客艙內(nèi)
- 設(shè)計緊湊
- 伺服單元與車輛的連接主要是剛性連接。



在第一個特征的影響下，系統(tǒng)可能會出現(xiàn)共振部件，駕駛員或乘客會由此直接感受到噪聲。由于車內(nèi)空間限制，它的設(shè)計結(jié)構(gòu)非常緊湊。所以在這里，噪聲傳播的路徑非常短，幾乎沒有阻尼或絕緣措施。最后，伺服扭矩和連接在轉(zhuǎn)向柱上的質(zhì)量，必須支撐在車廂前壁上，所以應(yīng)該對后者（車廂前壁）進(jìn)行剛度加強(qiáng)處理。

由于碰撞安全性和轉(zhuǎn)向感的要求，所以這個軸承架必須是剛性的。所以由于這些要求，在這里也消除了彈性材料的隔音和隔振效果（問題所在）– 這也為將結(jié)構(gòu)噪聲傳遞到車輛內(nèi)部打開了大門和途徑。

由于在機(jī)電轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的剛性連接，所以其彈性結(jié)構(gòu)模態(tài)決定了振動行為。感興趣的頻率范圍在4kHz范圍內(nèi)，其特點是電動機(jī)，發(fā)動機(jī)控制和變速箱的影響很大。在這里它需要對部件和車輛進(jìn)行特殊平衡和協(xié)調(diào)。

由其磁性布局生成的電動機(jī)的磁力，會使封裝結(jié)構(gòu)變形。通過使用數(shù)值（FEA）和實驗（例如激光掃描）方法對其表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化設(shè)計，可以在很大程度上將結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲進(jìn)行決定性的優(yōu)化。最終成功的程度，即可接受的內(nèi)部噪聲，最終將由車輛中的相應(yīng)系統(tǒng)集成來決定。一個數(shù)字化的開發(fā)流程有益于對調(diào)整和預(yù)測噪聲的意見的提出。



3.4 電氣液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ElektrohydraulischesLenksystem）

在電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPHS）中，通過使用電動泵單元（MPA）控制油壓，在液壓側(cè)提供轉(zhuǎn)向輔助，圖7（a）。 MPA可以根據(jù)車輛的集成狀況，要么安裝在轉(zhuǎn)向變速箱之外，要么和轉(zhuǎn)向變速箱進(jìn)行耦合連接，后者將對噪聲行為有重要影響。

聲學(xué)相關(guān)部件及其對車輛噪聲行為的影響已在第2章節(jié)開始部分進(jìn)行了描述。新一代電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)- Gen C [1] - 也開創(chuàng)了新的道路，例如在MPA設(shè)計早期就已經(jīng)深刻融入了數(shù)字方法和聲學(xué)設(shè)計方案。

和上節(jié)敘述的機(jī)電轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一樣，電動機(jī)的磁力也會使MPA的外殼變形，這里感興趣的頻率范圍約為1 kHz。然而，結(jié)構(gòu)噪聲的傳遞路徑在這里完全不同。MPA外殼通過橡膠軸承連接到支架。

借助于模態(tài)分析和工作模式振動分析，可以首先優(yōu)化結(jié)構(gòu)變形（加肋條）和橡膠軸承的位置，如圖所示，這對結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲響行為都有積極影響。為了減少結(jié)構(gòu)噪聲的傳播，橡膠軸承本身也進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化。這與兩個發(fā)動機(jī)和橡膠軸承供應(yīng)商的早期參與關(guān)系重大。



這同樣適用于液壓泵和管路的調(diào)整。泵的運行速度及其諧波以及線路中的壓力振蕩會產(chǎn)生空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲。在車外和車內(nèi)的泵的關(guān)系重大的相關(guān)噪聲的頻率范圍為，1至16kHz。

還需特別注意利用相應(yīng)的調(diào)諧器對導(dǎo)油軟管進(jìn)行優(yōu)化，以盡量減少液壓振動，對此，有一套結(jié)合模擬和試驗平臺的專門的設(shè)計方法。如果液壓管路與車輛部件，特別是車身直接接觸，軟管調(diào)諧的成功可能的可能性會受到影響，甚至在車輛中無效（為什么）。這可能會導(dǎo)致室內(nèi)噪聲級別增加10或更多dB（A）。
在車輛集成到裝配過程中，與車輛制造商密切合作有助于確保這里的成功。

最后，當(dāng)將MPA容納在車輛中時，針對不同的車前面提到的聲學(xué)行為是由差異的。

MPA與轉(zhuǎn)向器的連接是有利的，因為在MPA作用附近，通過橡膠元件（MPA=>支架，轉(zhuǎn)向器=>車輛）的雙重絕緣和大質(zhì)量（內(nèi)燃機(jī)）的阻尼和絕緣。在保險杠或防濺板區(qū)域分離的情況下，這些“救濟(jì)措施”將缺失。

同樣，在這兩種情況下，都需要與汽車制造商密切合作。

4：要求不斷的進(jìn)步（Ständiger Fortschritt gefordert）

近年來，汽車行業(yè)對噪音質(zhì)量的需求顯著增加，這也要求所用工具的不斷發(fā)展。

如果對噪聲的協(xié)調(diào)做的很成功，將大大縮短車輛開發(fā)的時間。特別關(guān)鍵的是，能夠展示出聲學(xué)代表性的車輛，通常在項目中很晚才能出現(xiàn)。

為了解決這個難題，TRW Automotive開始了兩個開發(fā)項目：用于預(yù)測電動液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和機(jī)電轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的噪聲行為的預(yù)測工具以及一個移動低反射測試空間。基于對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在測試臺上的測試或測量的類似車輛的聲學(xué)傳遞行為，預(yù)測工具可以實現(xiàn)對后續(xù)生產(chǎn)車輛的聲學(xué)相關(guān)頻率范圍內(nèi)的噪聲行為的預(yù)測。然后可以在早期階段，估計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中設(shè)計變化的聲學(xué)效果。



圖中的移動噪聲室是在兩個12米的海運集裝箱的基礎(chǔ)上開發(fā)的，以便能夠貼近客戶進(jìn)行測試，尤其是當(dāng)預(yù)生產(chǎn)車輛不允許離開工廠時。通過使用整體深度較小的特殊無纖維寬帶緊湊型吸波材料，可以創(chuàng)建符合DIN45 635，T.1或ISO 3745的尺寸為6.3 mx 4.2 mx2.3 m和低至100Hz截止基礎(chǔ)頻率的消聲室。

這個設(shè)計使得可以在很短的時間內(nèi)在現(xiàn)場進(jìn)行聲學(xué)檢測，幾乎可以檢測所有尺寸的汽車。

5：結(jié)論（Zusammenfassung）

NVH優(yōu)化與現(xiàn)代制動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)周期保持一致和早期整合，并且所使用的工具和方法的創(chuàng)新擴(kuò)展保證了“無噪音”的項目順序并提高了客戶滿意度。
在本文中，介紹了TRW多年來成功使用的這種綜合概念。成功的前提是所有人，車輛制造商和系統(tǒng)組件供應(yīng)商的合作參與。

6：文獻(xiàn)引用（Literaturhinweis）

[ 1 ] WiertzA.; Gessat J.: „Eine neue Generation elektrohydraulischer Servolenkungen –Generation C. In: ATZ 107 (2005), Nr. 8

來源：ATZ -Automobiltechnische Zeitschrift September 2005, Volume 107, Issue 9, pp 728–735

引用：Kaster,T., Kostyra, H. & Treyde, T. ATZ Automobiltech Z (2005) 107: 728. https://doi.org/10.1007/BF03223122

文末筆者貼一張BMW i3上所用的電子手剎（EPB）的變速器部分的大致內(nèi)部圖：