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



導(dǎo)語：隨著車輛中電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的逐步使用，NVH方面對于開發(fā)和應(yīng)用的需求不斷增加。作為與Siemens PLM Software Engineering合作開發(fā)的新方法的核心組成部分，ZF的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)業(yè)務(wù)部門為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供了一個特殊的NVH測試臺。

綜述：該文主要介紹了ZF研發(fā)的一套用于測量其電動化轉(zhuǎn)向NVH性能的實驗平臺，試驗平臺配和LMS Virtual Lab等軟件進行CAE模擬，從而實現(xiàn)對產(chǎn)品的測試和模擬改善的整套流程。文中主要按以下小標(biāo)題進行闡述。

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

隨著科技的發(fā)展，汽車終端客戶和OEM汽車配件生產(chǎn)商對現(xiàn)代汽車的NVH性能要求越來越高，當(dāng)然，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也是如此。尤其是近些年來，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)漸漸從液壓（hydraulisch）轉(zhuǎn)向輔助控制慢慢進化成電子轉(zhuǎn)向輔助控制EPS（(Electric Power Steering)），越來越普遍，以前只是對小型車，現(xiàn)在對整個中型車甚至大型車都有應(yīng)用。EPS的優(yōu)點是可以通過實現(xiàn)需求導(dǎo)向制轉(zhuǎn)向輔助來節(jié)省很多能源（不需要一直保持一個高的液壓來為轉(zhuǎn)向輔助實時做好準(zhǔn)備）。但是新的問題是EPS的NVH性能在此過程中需要重點關(guān)注。

另外就是在汽車整車傳動鏈電氣化的過程中，整車由于輔助系統(tǒng)的產(chǎn)生的工作噪聲會逐漸的顯露出來，這是由于電驅(qū)動取代內(nèi)燃機驅(qū)動之后，之前的這些輔助系統(tǒng)的噪聲很大一部分會被內(nèi)燃機遮蓋，如今這部分噪聲將顯露出來，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)性優(yōu)化過程中做出徹底的改變：相較于先制造出可駕駛的車輛原型，并且定義了許多設(shè)計參數(shù)之后，再來校驗車輛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)方法是基于整個車輛的緊密整合，試驗臺測驗調(diào)試以及使用CAE工具模擬（計算機輔助工程）三者結(jié)合而來。



在將理論計算轉(zhuǎn)化到整個實際研發(fā)過程中，首先就需要將整車上的轉(zhuǎn)向相關(guān)的參數(shù)轉(zhuǎn)換到模擬模型中來。這其中包括轉(zhuǎn)向裝置本身，連接點以及噪聲在整車中的傳遞路徑。對NVH性能的設(shè)計以及驗證不同的設(shè)計方案，首先考慮的就是進行計算機模擬。所以可以說測試平臺是將虛擬（模擬）和實際（測試）連接起來的橋梁。

測試平臺的要求：必須能夠驗證計算模型功能（Validierung），并在物理測試中驗證模擬結(jié)果參數(shù)（Verifizierung）。因為只有這樣，開發(fā)工程師才能根據(jù)計算結(jié)果制定NVH解決方案，這些計算甚至在實際車輛中也能獲得理想的結(jié)果，并在測試臺上快速高效地進行確認(rèn)。

3：實驗平臺搭建（PRÜFSTANDSAUFBAU）

為了完成這個任務(wù)，ZF為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)了一個特殊的測試平臺，它考慮到新開發(fā)過程對測試環(huán)境的特殊要求。開發(fā)的目標(biāo)是一個測試臺，其測量結(jié)果是中立的，不會偽造測試結(jié)果，并提供精確和可重復(fù)的結(jié)果。

為排除由于相對運動造成的干擾，實驗平臺的基座需要大質(zhì)量和大剛度。為了排除外部振動激勵對多整個測量的影響，通過氣墊軸承解耦測試平臺和環(huán)境的鏈接。在底板上，試驗臺的各個部件都是靈活布置的，因此可以測試不同幾何形狀和設(shè)計的轉(zhuǎn)向器。所有在整車上的連接點的安裝情況也可以在此平臺上精確地復(fù)制。這為實現(xiàn)了能夠獲得有意義的，和整車情況匹配的測量結(jié)果的先決條件。



測試臺的主要組件包括，直接連接到被測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向柱或方向盤的驅(qū)動單元，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，為了測量的準(zhǔn)確性，測試臺的這些元件的剛度非常高。

測試臺的驅(qū)動單元通過測試系統(tǒng)的中央電子裝置進行控制，并在測試運行期間帶來轉(zhuǎn)向扭矩。橫向轉(zhuǎn)向桿兩端連接的是兩個氣缸（液壓缸），用來模擬整車在實際行駛過程中轉(zhuǎn)向時由地面?zhèn)鬟f的轉(zhuǎn)向受載。

在設(shè)計執(zhí)行器時，重點是在平穩(wěn)運行，力量均勻，定位精度高的同時，實現(xiàn)快速，有效的操作控制。測試平臺的信噪比SNR（Signal-to-noiseratio）很好，同時由于設(shè)計時已經(jīng)考慮到，將測試平臺的關(guān)鍵頻率（固有頻率）轉(zhuǎn)移到整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的相關(guān)測試頻率之外，所以整個測試平臺在測試中效果很好。



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)部動力，內(nèi)部動力，并通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞，并作為接口力，通過轉(zhuǎn)向裝置傳遞到車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最終作為氣體噪聲發(fā)散開來。

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

由于這些對測試臺設(shè)計的很高的要求，迄今為止是一個符合實際的想法是，在測量中記錄表面加速度，然后將其與內(nèi)部噪聲相關(guān)聯(lián)。

這種方法的缺點是，加速度的測量高度的與邊界條件相關(guān)，即測量位置局部的動態(tài)性能。對此一個可接受的相關(guān)度品質(zhì)要求依賴于測試樣品的數(shù)量（一般來說測試樣品數(shù)必須大于30）。還有就是比較測量和模擬加速度值的困難，因為這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模型中相對容易確定。

ZF的NVH部門設(shè)計和制造了自己的測量和關(guān)聯(lián)流程，所以ZF如今采用測定接口力（Schnittstellenkraft）的方法來進行進一步研究。

5：實驗進行（VERSUCHSDURCHFÜHRUNG）

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

首先測試工程師將在實際道路駕駛中測量作用在橫向轉(zhuǎn)向桿的受力，并記錄其線路輪廓。然后在測試平臺上將這些力重新復(fù)制，并測量轉(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)動單元在變速箱中以正弦形式的轉(zhuǎn)向運動進行。

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

6：實驗數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化步驟（AUSWERTUNGDER MESSERGEBNISSE UND OPTIMIERUNGSSCHRITTE）

對整車的NVH行為的研究可以通過實驗測試或者虛擬的傳遞路徑分析（TPA）來進行。

在實驗平臺上測量的通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞的力和加速度將作為模擬計算的輸入量。

整車的NVH行為可以通過傳遞路徑分析（TPA）來描述，即描述整個從力傳遞點到駕駛員的耳朵的噪聲傳遞路徑。ZF利用LMS Test.Lab 和LMS Virtual.Lab 軟件工具開發(fā)出了一套有效確定噪聲問題，噪聲起源，機械傳遞結(jié)構(gòu)，以及評價結(jié)構(gòu)改變后的效果。

一般來說，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。在項目早期，即樣車還沒有被制造出來的時候，這項操作是很難的。ZF及其客戶的Know-how有助于為有目的的評估建立重要的路徑模型，對模型做出正確的假設(shè)和估計，并用具體的設(shè)計參數(shù)推進項目驗證。

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

例如，一個可以改善優(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)和汽車的軸承連接點以及其軸套的結(jié)構(gòu)動態(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，在某新型樣車的測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正轉(zhuǎn)的時候會發(fā)現(xiàn)明顯的噪聲，而在反轉(zhuǎn)的過程中卻看不到這類噪聲。這是一個設(shè)計上的缺陷，必須在系列車量產(chǎn)之前得到解決，以減少顧客抱怨和后期改善的費用。

圖中左上角是在樣車上廁所的數(shù)據(jù)結(jié)果，左下角是在實驗平臺上的復(fù)制測量的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實驗重復(fù)性非常好。研發(fā)人員進行實驗數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)這是一種階次噪聲，這個階次噪聲是和電機的結(jié)構(gòu)是相關(guān)的，然后研究人員將利用CAE工具對電機結(jié)構(gòu)進行研究。進一步研究還發(fā)現(xiàn)，這個噪聲還和另一個未進行優(yōu)化的軸承的固有頻率有重疊。

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

圖中右上角就是改善后整車中的測量結(jié)果，右下角則是在實驗平臺上的測量結(jié)果。

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



8：結(jié)論（ZUSAMMENFASSUNG）

通過這個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測試平臺，可以將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的NVH問題利用合適的方案進行精確確定，為后續(xù)的模擬和傳遞路徑分析提供了激勵數(shù)據(jù)的可能。

這使其成為ZF新開發(fā)方法的核心支柱之一，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)有針對性和高效率的NVH開發(fā)。新方法在概念和開發(fā)過程早期提供了可靠的結(jié)果，因此在批量生產(chǎn)開始之前不久就可以避免耗時費力的變更，而且還可以對現(xiàn)有設(shè)計進行調(diào)查和優(yōu)化。