基于NVH的客车开发构想

2022-03-18 08:22:51 | 浏览次数：

[摘要]客车NVH性能已成为评价客车性能的重要指标之一。本文分析了常规的客车设计开发流程中存在的对车辆NVH性能设计及控制不足的问题,以某款客车实车存在的噪声、振动和舒适性等问题为例,分析问题,查找原因,探索解决客车NVH问题的最佳方法,提出了将车辆NVH开发纳入客车产品开发流程的构想,详细描述了客车NVH开发流程中设计目标设定、分解、达成及验证。

[关键词: ]客车; 开发流程; NVH性能

中图分类号:U462 文章标识码:A 文章编号:1005-2550(2012)02-0000-00

随着我国国民经济的快速发展,路面条件的不断改善,客车在整个交通工具的运量中所占比例越来越高。在竞争激烈的客车市场上,作为用户直接感受的汽车舒适性、噪声控制的主要评价参数-NVH已成为评价汽车性能的重要指标,其重要性等同于安全性、燃油经济性和排放等性能。在客车行业内,同档次车型在常规性能方面的综合“性价比”越来越接近,提高客车NVH控制水平就成为新的核心技术竞争力。客车的NVH性能也就成为了决定车型开发成功与否的重要影响因素之一。

1.客车开发流程的现状和NVH问题

现有的客车产品开发流程,在产品调研初期,根据用户需求特性分析设定各项量化性能指标:动力性、经济性、安全性、制动性、通过性等参数。在产品详细设计阶段,围绕设定的各项性能指标,开展整车及各系统分析计算、结构优化。在产品开发后期,通过实车试制、性能试验和用户使用试验来验证各项指标的达成情况。

2.2 实车NVH问题描述及分析

开发过程中,为确保车内外噪声指标的达成,从新结构、新材料、新工艺等方面考虑各种降噪措施的应用。如设计新型发动机舱结构隔热降噪;电控硅油风扇降低风扇噪音;车身轮鼓包耐石击及阻尼涂料;隔音降噪新材料在车身结构中的应用等。但实车装配完成后,经主观评价测试后仍存在若干噪声及振动问题。

逐一分析、查找原因,存在的NVH问题主要涉及发动机、底盘和车身等系统,而各系统NVH问题之间又是密切相关、互相影响的。如有些NVH问题不能通过本系统的局部措施来有效解决,对实车问题4分析:排除发动机本身性能不成熟的因素,就必须综合底盘、车身系统共同解决。

又如有些底盘NVH的改善措施,也同样会降低发动机NVH问题,对问题1通过在实车上实现动力总成悬置系统优化后,不仅明显消除了“怠速工况下方向盘发抖、地板振动”、“加速时地板振动增大”等问题,同时“发动机启动、停机时,抖动剧烈”也明显改善。测试得到“动力总成悬置系统优化前后车内主要测点振动数据”(见表3)和“悬置系统隔振数据”(见表4)。

对比ISO 2631中的“振动量级与主观评级之间的关系”,表3中优化后车内主要座椅振动舒适性都满足人体舒适度的要求,NVH改善明显,优化比率较高。与此同时表4的测试结果也表明,优化后发动机总成悬置平均隔振率标准差减小,前后悬置隔振率均衡,发动机怠速时隔振有效提高,发动机启停机抖动得到了有效衰减。

分析实车存在的其它NVH问题:

主观评价底盘NVH问题:静止加速、行驶加速时发动机振动大,1 400 rpm时车身共鸣声。

实车客观测试NVH问题:直线行驶工况下某座位座垫处振动测试,在五挡60 km/h时存在数据异常。见表5数据。

1)车身(或车架)的固有模态也存在与五挡时传动轴转速的激励频率对应的模态;

2)在五挡时发生的振动,且速度不一样,可能是变速箱本身的传动引起,需要台架试验:变速箱或动力总成;

3)数据测量处理异常等。

除第3个因素外,第2个因素所需振动源数据,必须通过动力总成台架试验获得;第1个因素的分析,需要提供开发设计阶段车架、车身或传动轴的模态数据,但由于在产品开发阶段未设定NVH指标,现在从实车上获得数据几乎无法实现。现在要进一步开展NVH问题解决就异常困难,如果不能彻底查清振动源,还可能会带来此消彼长的NVH问题。由此可以看出按照传统客车流程开发,常会出现上述无法控制的NVH问题。

3.客车NVH开发构想

3.1 基于NVH的客车开发流程构想

上述实例告诉我们,解决客车NVH问题的实质是在开发中要设计和解决控制达到的性能的问题,而不是实车出现问题再解决或产品进入市场后“亡羊补牢”的工作。而按照常规的没有NVH控制目标的客车开发流程,其NVH性能很难达到满足客户需求的。解决客车存在的噪声、振动和共鸣等问题是一项涉及到整车的系统性工程,必需在设计开发的各个阶段引入NVH的重要指标来衡量,才能有效控制车辆的NVH设计水平,

图2 基于NVH的客车开发流程图

在产品定义(概念设计)阶段,就要充分考虑整车NVH性能需求,设定NVH性能目标;在设计和开发阶段,分解整车、系统和部件的NVH性能,同时结合CAE分析进行各零件、部件和整车的NVH性能的分析;在产品验证阶段,配合进行NVH性能测试;在生产、市场销售环节,解决并处理生产和用户的NVH问题。

3.2 NVH开发的第一阶段:目标设定与分解

在客车概念设计阶段,主要目标是制定总体技术指标。这一阶段应将NVH性能作为一个重要性能指标提出,并分解到各子系统直至到部件级和供应商。这一工作是决定客车NVH性能的关键一步。

影响整车级NVH性能目标制定的具体因素有:

1)满足顾客需求的振动噪声舒适性水平,了解用户常用工况和路况下的振动噪声目标,同时满足用户对声品质的需要;

2)满足政府对振动噪声法规标准;

3)新开发车型,必须认真研究目标样车的产品;

4)了解外购系统和零部件的NVH水平。

整车NVH目标的制定需综合考虑以上四个因素,同时对设定目标样车,应用Benchmarking技术,采用主观评价、客观测试评估的方法,了解和掌握目标样车的NVH性能,建立开发车型的NVH性能标杆,还要研究市场用户的需求,建立各种工况状态下的整车级目标,如:整车模态分布表,怠速、匀速、全加速等工况噪声与振动目标等等。

汽车上各个系统是相互连接在一起,相连接的系统模态一定要分开,否则会发生共振。在开发设计过程中,各个系统的开发设计既相互关联又相互独立。因此,在产品开发初期就需要规定各个系统的模态频率范围,并把相连接系统或部件的模态频率分开,制定模态分离策略—模态分布表。

整车级NVH目标制定后,将其分解到子系统和部件,这是一个理论与实际经验相结合的过程。开发一款新客车,需要设定几百个NVH目标,需要坚持以下几个原则:

1)目标分解是自下而上、和自上而下的双向过程;

2)在整车NVH目标确定的情况下,需要平衡各个系统的NVH指标;

3)NVH目标必须与其他性能指标平衡。

各子系统NVH目标主要有如下内容:动力总成、传动系统、车身结构、进排气系统等等NVH目标、及相关声品质目标。

3.3 NVH开发的第二阶段:目标实现

这一阶段也是车型详细设计开发过程,通过系统零部件的多方案设计建模、仿真分析,达成及验证其设计目标性能。

首先根据各级NVH目标,确定各目标实现的技术方案。研究车辆NVH性能首先必须研究NVH设计的技术和方法。对NVH性能的研究主要有以多体系统动力学(MB)、有限元方法(FEM)、边界元方法(BEM)、统计能量分析(SEA)法等分析方法为主要内容的CAE技术等。

因整车和系统及部件之间具有复杂的动态关系,可以用数学模型来描述,建立整车级各主要系统及部件的CAE模型,进行仿真分析。

其次,通过元件的结构设计实现子系统的性能目标。需完成确定每个元件的详细特征;进行各子系统研究的可靠性设计和多元化优化设计。

为保证车辆NVH目标的实现,要求各子系统目标的确定也要符合试验设计和可靠性设计的要求。最后,根据仿真分析及研究结果,对系统、子系统及零部件进行优化。在优化设计后,将最优结构安装在虚拟的模型样车上,并检查安装空间、成本和质量等因素,进行设计的改善和优化。