虚拟产品开发技术在车辆传动系声学上的应用

作者：    来源：重型汽车

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 一、前言 今天，车辆动力传动系的开发有各种各样的目标要求，如高性能、低排放、高舒适性和高质量。另外，为了给乘员更大的空间，产品的空间要求很小，而且开发时间要短，成本要低；特别是车辆的噪声和振动特性，目前已成为用户评判车辆质量问题最主要的因素之一。这不仅体现在高级奢华车辆上，而且在一些中档车上也是这样。对车辆的噪声和振动特性来说，总噪声级要保持在较低的水平外，噪声的品质如何也是大家最为关心的问题。 对整车来说，要达到艺术级的NVH（Noise、Vibration、Harness）特性，其至关重要的问题是在发动机开发的概念阶段就对其噪声和振动问题进行关注。对那些与车辆NVH性能有关的特定指标如发动机固有频率、振动幅度和噪声辐射量等，需要在产品开发的初始阶段就已完成定义，并且在整个开发过程中随时跟踪这些基本参数的变化。 通过在使用过程中发现问题并进行改进的方法来优化已经存在的产品并不是最优的产品开发方法。要取得最优的车辆声学性能，就要在产品开发的概念初期使用虚拟产品开发VPD（Virtual Product Development）技术。因为在产品开发的初期，通过合理的努力，就可以比较容易地实现对设计的修改而基本不需要任何费用；但是，在产品开发的后期对设计进行修改，不仅浪费时间，还会使开发费用增加。图1反映了产品开发的各个阶段中CAE（Computer-Aided Engineering）所起的作用以及产品开发费用随开发时间的变化。可以看到，越到产品开发后期，CAE所起的作用逐渐下降而修改产品所需的费用越高。 二、发动机噪声和振动模拟 在发动机NVH特性的整个开发过程中，目前世界各大汽车公司普遍采用的方法是使用虚拟开发技术。在发动机开发的各个阶段，都需要充分参数化的模拟模型。所以，这取决于目前的设计状况能够提供这种模型，并且使用不同的模拟工具制作出来的模型和具有不同复杂程度的模型都能投入到虚拟开发工具中使用。 在发动机开发的概念阶段，常用参数的确定如活塞冲程、缸径和缸体间距等是根据相当简单的模拟模型得到的。随着设计的进展，就可以确定更多的设计参数，这样模拟模型的复杂程度也就增加了，直到一个完整的、能够灵活运转的发动机模型建立起来装入到传动系统中，就可以对整个传动系的NVH特性进行模拟预测。在设计的每一个阶段，正在进行的设计必须能够连续不断地对可能出现的薄弱环节进行分析。个别经过优化的单个零部件一旦装入到系统中，可能引起意想不到的噪声问题，噪声计算也是在整个动力传动系统中进行。这种方法可以确保各零部件之间可能出现的噪声问题在产品开发的初期就能被发现并能消除。过去，应用于产品开发和优化的NVH的虚拟技术主要集中在单个零部件或子系统中。目前，由于先进的模拟方法和高速的计算机计算能力，完整的动力传动系的模拟模型可以对开发的最终产品进行详细的声学性能预测。 目前，世界各大汽车公司都使用多种方法混合计算，来模拟动力传动系的声学性能。要使模拟结果比较准确，通常要将组合结构模拟MBS（Multi-Body Simulation）、有限元方法FEM（Finite Element Method）和边界元方法BEM（Boundary Element Method）等混合在一起进行计算。图2给出了一个完整的计算过程。 对激励机械机构的计算通常使用组合结构模拟MBS。基于测量或计算，就可以得到缸体内部压力大小、动态效应、曲柄连杆机构与缸体交界面上承受的反向作用力等。通过将具有柔性的结构嵌入到MBS模型中，就可考虑零部件的动态结构影响。这样，象曲轴的弯曲与扭转、发动机悬置振动的动态效应就可以计算出来。图3显示的是一个内置四缸发动机模型的MBS Adams的实例，它包括曲柄连杆机构和配气机构。 组合结构模拟MBS计算之后，接下来就是要进行反应力的有限元计算，也就是有限元模型承受的反向作用力。在通常情况下，在时间域中进行有限元计算，它的优点就是在一次计算中就能完成整个速度扫描区。而且，通过标准的软件，所有的分析可以同时在试验台上进行验证，还可以制造出声音。这种计算常常是在一个完整的动力传动系上进行的，但有时也在单一的结构上进行。因此各种各样的声音设计和优化可以根据频率特性、总噪声级和音质进行试验。在本例中，根据传到车辆本体的最小结构承载噪声对动力传动系支点的数量和位置进行了优化。在优化结果的基础上，可进一步模拟计算空气噪声辐射。它可以进行具有各种复杂程度的空气辐射噪声的计算，从基于试验确定的噪声辐射效率的简单方法计算到使用边界元法进行复杂的计算。 三、对模拟过程的修正 上面描述的计算方法，已在欧洲一些大的汽车制造商中的众多发动机项目上得到成功的应用，并针对在应用过程中出现的问题，对软件的性能不断进行修正。下面，就被测试验车辆的计算机模拟结果与相应的台架试验结果进行比较。 关于车辆内部噪声，特别在低频范围内的结构承载噪声是很重要的。而动力传动系的结构承载噪声通过轴承进行传播，然后在车辆内部以空气噪声的形式辐射。因此，为了能够预测车辆动力系统的NVH特性，动力传动系噪声的结构承载噪声传到车体内的部分必须能准确的模拟出来。图4是发动机支撑的加速度在模拟计算和实际测量情况下的两种结果的比较，这两组加速度曲线的测点在变速器支承上，靠近变速器。由图可见，计算模拟结果与台架试验测量结果特别吻合。固有振动的振动阶次与发动机的点火次序特别吻合，其中特别明显的两种情况，激励次序的共振点出现在400Hz、600Hz和800Hz上。 四、车辆内部噪声模拟 除了动力传动系的空气传播噪声和结构承载噪声外，车身的噪声传递特性对发动机引起的车辆内部噪声也起到至关重要的作用。这就意味着由发动机引起的车辆内部噪声，仅仅从动力传动系的噪声特性计算是得不出来的。对发动机开发来说，其对车辆内部噪声的贡献有一定的开发目标，欧洲已开发了一种模拟车辆内部噪声的方法，是将辐射噪声模拟与试验车辆内部噪声模拟VINS（Vehicle Interior Noise Simulation）方法结合在一起，得到最终理想结果。 五、试验传递途径分析 车辆内部噪声的模拟VINS是一个试验分析工具，用来产生车辆内部噪声的合成结果，它是将由试验确定的车身传递特性与动力传动系的结构承载和空气辐射噪声结合在一起的措施，来合成车辆内部噪声。对车身的每一条噪声传播通道，传递函数由试验来确定。通过由台架试验得到的所有噪声的可调相位迭加，使用车身噪声传递函数，由发动机引起的车内噪声完全能够合成。在通常情况下，车内噪声可以分解成结构承载噪声和空气传播噪声。在许多车辆上，车辆结构承载噪声影响车内噪声主要是在低频区域，而空气传播噪声在高频区占主导地位。在很多出版的文献中，对本方法进行了修正，并且在车内噪声的测试结果与合成结果中表现出的吻合性特别高。 将车内噪声模拟VINS与结构承载和空气传播噪声模拟结合起来，应用到虚拟车内噪声模拟中V-VINS（Virtual-Vehicle Interior Noise Simulation），这样就可以在最初的模型出来之前实现对车内噪声的评估。图5是采用这种新方法后，它与台架试验测量结果基础上进行的标准车内噪声模拟结果的对比，这是发动机在全负荷下车内噪声的两组曲线，这两组曲线比较的是噪声品质。发动机点火次序代表了声感觉和共振频率在300Hz、480Hz和700Hz的噪声级别，就象前面描述的一样。充分模拟计算得到的车内噪声分布结果表现出的噪声特性比较统一，这就意味着模拟结果和实际测量结果能够识别出同样的噪声峰值，因此也可以得到同样的噪声优化措施。 因此，发动机引起的车辆内部噪声可以在发动机模型开发阶段就可以进行计算和优化，所以能节省开发时间；而且，对车辆内部噪声来说，在车辆的概念阶段就可以对发动机进行设计和优化。这种方法可以保证目标发动机在开发过程中从一开始就聚焦在优良的车内噪声特性上，使开发过程更加方便、容易。 六、结论 对车辆动力传动系的NVH模拟，使用虚拟产品开发VPD（Virtual Product Development）技术已达到了相对较高的水平。现代化的模拟工具可以允许我们以设计目标为导向的NVH模拟计算，对车内噪声的设计也是这样。由于产品开发过程中一系列VPD的应用，节省一个物理模型是可能的，当然，这需要在车辆动力传动系开发的初期，进行大量CAE（Computer-Aided Engineering）资源的开发。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/11/2007)