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汽车行业噪音和振动的应对方法
凯拉什▪钱德拉▪潘德a,*
Mech教授。工程证书。印度班加罗尔-560078工程学院，班加罗尔大学萨格学院
摘要
目前，汽车行业正在寻找各种方案来吸引消费者使用噪音较低，消耗燃料较少并且功能同样强大的产品。这个独特的需求驱动着动力系统的建模研究方向，它要求动力系统的各个方面都要在数学模型中表现出来。产品应该经久耐用，噪音较小，功能强大，并且外观优雅。这些要求中最具挑战性的因素是系统噪音和振动，因为更好的舒适度意味着客户感觉到的噪音更小。几乎所有主要汽车行业的几年前都采用有限元和基于边界元的方法来构建解决中低频问题（高达3000Hz）的模型。本文的目的是对用于解决动力传动系统中的NVH问题的分析技术和验证方法的文献进行回顾，并且还涉及了关于当前和未来趋势的分析程序。
1.简介
动力列车的NVH是一个十分广阔的领域，在这个领域可以看到很多相关的刊物。车辆的动力传动系统通常包括发动机和变速器（动力系统），传动系统，车轴，感应和排气子系统，如图1所示。从文献中可以发现，为解决中低频振动问题几乎所有主要的汽车行业都采用有限元和边界元方法以及一些一维分析方法进行中继。对于高频分析（大于3000Hz），使用SEA（统计能量分析）。在该过程中，已经分析了用于预测动力传动系弯曲模式，子系统或FRF（频率响应函数）的模态频率以及BEM模型用于预测SPL（声功率级）的FEM模型。这些程序普遍存在很多限制，主要是因为它们不是一个综合模型，其中噪声分析的三个步骤即激励源，电力传输和噪声生成在一个平台中。由于这些程序使用多个软件平台，因此难以探究上述步骤之间的交互效果。虽然使用ABAQUS显式和类似工具的基于接触的非线性分析方法已经用于构建系统级动态模型，但这些方法所花的解决时间特别长。这通过利用特定工具的最佳性能（可能是1D或3D）限制了仅为变速器或发动机的子系统构建复杂的动态分析模型。一般情况下，采用不同的软件来建立不同的模型来研究低频、中频和高频的噪音问题。虽然研究高频噪声需要一种完全不同的方法。关于建立一个完整的动力学模型的研究报道还很少，这个模型适用于从低频到中频的噪声预测，并且适用于动力系统等复杂系统。本文旨在展示动力传动系统NVH分析的演变，介绍目前的实践情况以及提出的处理预测汽车工业中表征和减少中低频噪声的新方法。
缩略语
ATV 声学传输矢量
BEM 边界元边界元法
FEA 有限元分析
FRF 频率响应功能
MBD 多体动力学分析
NVH 噪音，振动和声振粗糙度
POE 实验设计
VATF 振动声学传递函数
2.动力传动系统NVH程序的演变
2.1动力传动系统的有限元分析
自FEA广泛应用以来，已经开发了许多方法来执行动力系统的NVH分析。这些方法使用不同的工具和软件来满足NVH分析的某些特定要求。一般而言，NVH分析可以使用3D FEA分析，1D分析和多体动态分析来进行。动力传动系NVH要求中的首个程序和常用程序，由于复杂系统（如动力传动系）的详细有限元模型要求，其复杂性不高，但需要花费很长时间，因此需要动力传动系弯曲分析，动力系强制响应分析和动力传动装置振动分析。动力传动系弯曲分析是非常有用的，主要是因为它提供了弯曲频率的准确信息，因此可以采取措施避免由发动机或其他子系统操作激发这些模式。有关动力传动系弯曲分析的一些信息可参见[1]。在本文中，讨论了使用分析和实验工具解决车辆NVH问题的三个发展领域：（1）高速状态下动力传动系弯曲引起的车辆NVH；（2）引起的排气模式 - 闲置的动臂振动，正常的车速呻吟声;和（3）传动轴模式和轴齿轮啮合力引起的轴啸声。就有关动力传动系弯曲和识别排气模式或传动轴模式的分析工作而言，有限元分析法是常见的选择。图2所示的流程图描述了用于动力传动系统的有限元分析的步骤。
为了获得系统的理解，DOE（实验设计）分析是非常有用的方法。在DOE分析中，动力传动系的性能是针对不同的系统参数值进行评估的。根据整车模型的NVH分析，用DOE分析计算最小化发动机引起的不平顺度是非常昂贵的；这种类型的分析在文献[3]中被完成。在这项研究中，他们也考虑了刚度和强度约束。整车的NVH分析结果被用于优化程序以抑制传递的振动。传递到驾驶员座椅导轨中点的加速度被最小化。采用基于DOE的响应面方法（RSM）来确定最佳解决方案。在确定最佳解决方案时，要考虑车身、悬架和其他子系统的固有频率。尽管在这项工作中已经完成了详细的有限元分析，但是发动机的激励并没有与结构模型耦合。
文献[4]报道了在离散条件下，比例阻尼线性模型的实际耦合动力传动系统和框架系统中分析和计算扭矩滚动轴运动解耦概念的研究。正如他们已经观察到的那样，求导并不总是能够得到物理上可实现的系统，因为每个动力传动系悬挂未被引用到单个位置。可以通过导出安装兼容性条件来克服该缺陷，以确保实际的安装位置与所提出的解耦条件相结合。在数学上表明，对于实际的系统来说，完全去耦是不可能的，因此他们进行了部分去耦范式。他们发现，使用只有解耦的动力传动系的动力总成悬置设计可以实现更好的解耦，而不是使用总体最小二乘法最小化耦合系统的条件。这项工作包含了对动力传动系隔离系统的详细分析。
对于由于隐藏的发动机设计缺陷，制造错误或安装不匹配而引起的发动机异常振动，应该优先采用的方法是重新匹配安装座，这是解决该问题的最简单方法。为了消除发动机模型的低频间歇运动，Feili等人将注意力集中在发动机悬置匹配研究上，并采用了转矩滚转轴（TRA）解耦方法[5]。利用测量到的动力传动系惯性特性的方法论，TRA理论被用来计算TRA的方向。优先考虑沿着转矩滚转轴的较大解耦率，并在其他方向上具有可接受的解耦率，以指导对四个发动机支架的安装位置，以及安装角度和刚度的进一步调整。他们利用能量解耦理论计算优化后的解耦率，验证激励能量大的振动方向是否最大程度地解耦。据观察，对发动机座安装位置，安装角度和刚度的微小调整可以极大地消除异常的低频振动现象，并提高车辆的NVH性能。本研究的局限性：多个液压支架可显著提高低频隔振性能，但会降低车辆的噪音性能。
2.2使用FEA进行传输路径分析
FEA是进行NVH分析的重要工具。但传统的有限元分析程序本身无法预测动力传动系会产生多少噪音，或者哪种结构路径对降低噪音至关重要。使用FEA，可以使用另一个分析程序进行NVH分析，即传输路径分析（TPA），该程序可以清楚地了解哪条结构路径会产生多少噪音。在文献[6]中车辆的NVH性能被预测用于车辆的早期设计阶段，模拟内部噪声以评估和增强噪声，振动和不平顺性（NVH）。他们采用了混合动力TPA技术。对于混合动力TPA，他们使用模拟激振力作为输入力，在安装点激发车辆的柔性体，而传统的TPA使用测量的力。这种模拟的力通过对动力传动系的有限元（FE）模型的数值分析而获得。通过将模拟的力乘以车辆的振动 - 声学传递函数（VATF）来预测内部噪音。 VATF是车辆车厢内对灵活车体动力传动系安装点的输入力的声学响应。基于混合TPA的预测内部噪声的趋势与测量的内部噪声很好地相关，一些差异可能是由于小的实验和模拟误差。
与以前的工作类似，分析了车辆的激励力引起的内部噪声[7]。这篇文章提出了一种不同的方法来预测由动力传动系统振动引起的内部噪声——传递路径分析法。这项工作是通过使用降低振动和噪声的实验结果来修改动力传动系统的结构。为了解决这个问题，通过使用有限元方法（FEM）对车辆中的动力传动系的振动进行数值分析。通过使用基于颤音 - 声学传递函数（VATF）分析的实验来研究车辆的其他部分的振动。这两种方法结合起来用于预测动力传动系统引起的内部噪声。这篇文章基于数值模拟，利用激励车体的动力传动系的激振力。
2.3有限元分析模型结合边界元法
有时需要进行详细的分析，以获取声源和接收器位置之间任意点的声学模式和声压值。这个要求建立一个采用FEA模型的振动输入[8]的声腔分析。使用CAE的声腔模型也可以在开发周期的早期阶段使用，用于声学分析的步骤如图3所示。但是，与声学模态测试不同，CAE正常模式解决方案无法缩放模型的相对振幅。在早期设计阶段，要避免的声学模态频率的数量，它可能是一个严重的威慑。这项工作给出了使用CAE来扩展腔模的相对振幅的声模态分析的替代方向。将全向声源放置在关键的内腔位置处，并且产生类似于声学模态测试的声学频率响应。他们成功地扩大了声腔模式的相对重要性，并且与实际测试中发现的模式具有合理的相关性。
2.4运用一维模型进行NVH分析
通常，FEA和BEM分析可有效用于预测动力传动系或车辆的NVH性能。但是为了开发一种主动噪声控制策略，主动噪声控制的一维仿真往往更适合于构建控制策略。同样在一些情况下，来自一维模型的输入被用于FEA分析以从不同的操作参数获得不同类型的加载条件。在文献[9]中详细的回顾了有源系统。在这篇文章介绍了汽车应用中实现的不同NVH控制实例，包括发动机振动控制，从道路传入乘客车厢的结构噪声以及低频底盘振动。针对前馈和反馈控制，单通道和多通道控制系统等不同应用进行研究的控制策略，以及使用不同的执行机构概念，如有源安装座，惯性质量执行器和有源调谐吸收器，以及不同的控制传感器，如加速度计和麦克风也进行了讨论。
用MBD模型进行NVH分析
MBD（多体动力学）模型是当今研究动力学的首要选择。由于有限元分析不能模拟套管，铰链和接头处的大挠度，所以MBD分析一直是研究这些动力学的首选。遵循MBD的不同分析方法首先是刚体分析方法，其中每个环节或部件被假定为刚性的，通过该分析捕获较大的旋转和位移的影响。另一种方法是：使用挠性体，在这种分析以及大的位移和旋转也会捕捉链接或组件灵活性的影响[2]。通过修改悬架系统参数来改善乘坐质量以优化车辆乘坐质量[10]。开发了越野车的虚拟MBD模型。他们通过不同的实验测试验证了结果。还基于实验设计（DOE）方法进行灵敏度分析。图4显示了典型MBD分析中使用的步骤。
动力系统是车辆NVH问题的主要贡献者。为了获得更好的NVH性能，在动力传动系初始设计阶段进行NVH优化至关重要[11]。这项工作通过修改动力传动系统的激励辐射系统提出了动力传动系NVH性能的优化。这项工作的主要目的是通过改变齿轮轮廓，特别关注齿轮副的动态特性，以减小齿轮箱的激振力，并通过增强齿轮的刚度来减少变速器外壳的噪音辐射。考虑到动力传动系的不同激励机制，通过MBD方法分析激振力。通过有限元/边界元耦合分析得到动力传动系的振动声学特性。声传递矢量（ATV）计算被用于预测动力列声功率水平（SPL）和小组贡献。根据所获得的动力总成的NVH数据，提出了耦合用于衰减齿轮系统激励的传动齿轮廓线修正和用于减小变速器壳体噪声辐射的结构刚度修正的优化。进行实验验证以评估修改后的结果。评估显示了优化在减少动力传动系噪音和振动方面的好处。
2.5具有稳健优化的MBD模型
有时在生产阶段，我们没有得到组件的确切最佳尺寸，或者有时子系统性能不能达到所需的值。设计参数与设计的最佳值的这种变化会造成我们所不希望的性能下降。在估计性能对不同参数变化的稳健性方面的研究是非常有用的。本文[12]提出了一种稳健的优化方法，以减少由于不可避免的制造、安装或动力传动系统设计变量的测量误差而导致的设计系统性能的变化。一般来说，为不确定的设计变量确定足够精确的统计信息比较困难而且成本昂贵的；在这项研究中，区间数被用来描述不确定的设计变量，只采用这些变量的界限。他们提出了一种改进的区间截断方法来估计系统性能变化的影响。将系统性能的稳健性估计纳入优化公式中，得到标称设计变量，可以使系统性能相对稳健；因此，在优化迭代过程中对设计稳健性进行了估计和改进。将稳健优化方法应用于通用动力传动系统（PMS），以提高PMS解耦布局和频率分配的设计稳健性。优化结果表明，稳健优化方法能够有效地提高感兴趣的垂直方向和俯仰方向的解耦率，且频率分配比传统确定性优化方法更有效。
3.结论
上面讨论的所有文件都是很好的作品，可能会解决计划中的主要问题。在所有上述工作中，解决了常见问题NVH，但是其中许多不是整合模型，其中噪声分析的三个步骤即激励源，振动传输和噪声生成不在一个平台中，而是在多个软件平台中，并且这使得很难调查不同步骤之间相互作用的影响。非常精确地，一个模型预测振动幅度及其特性，另一个模型通过从另一个模型获取输入并且另一个模型预测噪声产生来分析振动的影响。因此，为了提高分析的保真度，所有三个步骤即激励源，振动传播和噪声产生应该在一个软件平台中并且彼此集成。这个过程不仅需要较长的时间来开发，而且使数学模型在计算上比较困难。需要整合动力传动系统的所有组件，如发动机，传动系统，进气和排气系统，以及轴承，衬套，齿轮触点，链式触点等详细组件模型。还需要开发该模型以预测特定档位状态下的性能。这是动力传动系统的系统级NVH分析中的新挑战，需要发展不同的分析技术来满足这一要求。图5显示了集成耦合弹性体MBD模拟所需的步骤。
4.参考文献
[1] T. Bin Juang et al：分析和实验开发，以改善动力系统引起的车辆NVH问题，SAE论文编号2006-01-1533（2006）
[2] Beloiu，D .:动力传动系统NVH的建模与分析， SAE论文编号2012-01-0888（2012）
[3] M. Shariyat和P. Djamshidi
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