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汽车产品开发和NVH控制摘要：本文阐述了在轿车开发各个阶段中，控制汽车的NVH性能的关键技术。随着汽车技术的不断推陈出新，各级供应商和整车厂之间日益紧密合作，不同品牌汽车的使用性能和安全性能之间的差别日趋缩小。相比之下，汽车的舒适性如振动和噪声就常常成为区分汽车品牌好坏的重要因素之一。因此，汽车厂商非常重视提高振动噪声性能，并用它来展现新车型的特点。关键词：汽车NVH一、汽车产品开发概述1产品开发及其影响因素汽车产品开发是汽车厂家根据市场需要开发出一款顾客喜欢、满足政府相关法规的新车的整个过程。开发一部新车往往需要3～4年时间，涉及市场调查、公司高层的战略决策、制定各个系统的目标、将目标分解到各个系统和部件、制造模型车、各项性能指标的检验以及制造出汽车过程。影响产品开发的因素很多，但可以归纳为四个方面：顾客的需要、政府的法规、市场上竞争对手的产品和公司自身的技术水平。图1-1为汽车产品开发过程及影响因素。图1-1汽车产品开发的过程及影响因素顾客购买汽车时，会考虑很多性能，如汽车的款式、外观、安全性、舒适性、燃油经济性、可靠性、内部空间、行李箱尺寸和价格等。整车厂一般都有市场部门，专门负责对顾客的调查和分析，估计某一款新车型将来的顾客群体。另外，汽车公司还利用其它渠道得到顾客所需求的信息和时尚走向，如行业内发布的各种统计数据，消费者的报道和其它相关车评文章等。顾客对整车性能的描述通常战略决策产品开发汽车上市3～4年时间顾客需求竞争产品政府法规技术实力带有一些感情色彩和随意性，而且有时是抽象的。市场调研部门与工程设计部门一起合作，将顾客的需要“翻译”成各种性能与技术指标，然后根据这些指标来设计出顾客需要的汽车。政府对汽车都制定了一些法规，如排放要求、通过噪声要求和安全性要求等，并制定出相应的标准。这些法规和标准也随着社会的发展而变化，社会问题和政治问题还会影响这些法规和标准。汽车公司在准备推出一款车型的时候，会认真地研究市场上竞争对手的同类汽车，做到知彼知己，确定未来自己的汽车在市场上的定位。某些指标要领先对手，另一些指标则具有一定的竞争能力。怎样确定这些技术指标要视营销战略和企业内部资源而定。汽车公司在研究了顾客需要、政府法规和竞争对手后，就会根据公司内部的技术和管理等方面的能力来制定汽车的性能指标，运用系统工程的思想来开发一部汽车。2、产品开发的系统划分汽车开发是一项非常复杂的过程，也是一个庞大的系统工程。系统工程的概念源于20世纪大规模航天航空工程。这些大型工程需要许多供应商协作完成和系统管理。其思想是将总体技术指标逐级分解到系统和部件，并主导具体产品设计，设计好的产品经过逐级验证以保证达到总体技术指标。图1-2为系统工程技术指标制定和分解流程图。系统工程的第一步是制定总体技术指标。这由总体系统单位针对用户的需求来制定。第二步把总体技术指标分解到各个系统，再进一步分解到部件。分解后顾客要求政府法规竞争产品技术实力整车技术性能系统技术性能部件技术性能整车设计系统设计部件设计整车技术性能系统技术性能部件技术性能产品质量、成本、利润等指标的预估和平衡市场实际销售效果图1-2系统工程技术指标制定和分解流程图的指标作为合同重要的一部分下达到各相应的一级和二级供应商。这些指标范围很广，包括各项技术性能指标、允许的布置空间、系统或者部件之间的物理接口、技术性能匹配、技术性能的验证方式以及重量和成本等。这一步工作由总体单位负责，总体单位与供应商协商后制定。第三步是供应商根据合同规定的技术和其它要求进行产品设计和验证，首先是检验零部件，再验证由零部件组成的系统，最后检验总体系统。系统工程的概念后来逐渐被应用到汽车整车开发。与航天器开发的系统工程相比，汽车整车开发又有其独特的方面，难以直接照搬原有的系统工程经验。直到今天，各家汽车公司仍在不断摸索和完善自己的经验。汽车可以分解成许多系统和部件，把它们组装在一起才是一部汽车。另一方面，汽车有很多性能指标，只有这些指标都达到了预定的要求，才会有一部性能良好的汽车问世。于是汽车开发就有两种方式，第一种是按系统集成的方式。整车是许多系统的组合，包括动力驱动系统、车身系统、悬架系统、电子系统和空调系统等，如图1-3所示。系统集成的优点是直观、设计相对简单、物理系统管理也相对独立、整车成本核算方便以及能迅速适应市场的改变。但这种方法可能使得整车性能匹配不均衡，一些系统性能非常好，而另一些性能达不到要求。汽车开发的第二种方式是按性能集成的方式。汽车性能包括动力性能、安全工能、振动噪声性能、燃油经济性、操纵和平顺性以及可靠性等，如图1-4所示。这种集成方式的优点是易于均衡整车各项性能，更有针对性地满足特定顾客群的需要。但这种划寸行加了管理的难度，对内部成本核算能力要求高。图1-3按系统集成的方式划分汽车动力传动系统空调系统车身电器悬架系统其它系统振动噪声安全性燃油经济性可靠性动力性能其它性能图1-4按性能集成的方式划分汽车在实际应用中，完全以系统为中心划分或者完全以各项主要性能为中心划分的实例几乎没有。多数企业采用以系统划分方法为主进行集成，在某种程度上兼顾汽车性能匹配。少数企业采用系统和性能划分相混合方式进行集成。混合集成方式如果应用得当，可以获得两种方式的好处，但是如果协调不好，部门之间会形成许多摩擦，从而影响工作效率。三、产品开发的程序当影响产品开发的四个因素和汽车的性能指标己经确定，系统划分完之后，就可以着手产品开发。图1-1所示为汽车产品开发的过程，如果把这个图中的“产品开发”这部分细化成“产品开发流程图”，如图1-5所示。在产品开发的前期是将整车的性能指标分解到各个系统和零部件，后期是对设计进行验证。在CAE没有广泛应用之前，汽车界主要是依靠模型车。通常是先设计一部车，并制造出若干辆模型车，然后进行大量试验。其产品开发的模式可以用图1-6（a）来表示。在这个传统模式中，设计阶段的时间很短，而验证的时间很长。开发的主要工作是对模型车不断做试验而改进设计。自从有了CAE后，很多原来需要做试验的工作被CAE取代。这样现代产品开发的模式变成了1-6（b）所示。设计的时间大大加长，而验证的时间大大缩小。比如说原来要通过测量模型车来知道车身的频率，现在只需要建立一个有限元模型，然后就可以分析车身的模态和频率。有限元技术已经相当成熟，对一个有经验的CAE工程师来说，其计算精度与测试结构可以控制在土5％的误差内。建立一部汽车的CAE模型比制造一辆真实的汽车模型要便宜得多。整车系统子系统零部件战略决策开发开始试生产目标分解性能验证图1-5产品开发流程图图1-6产品开发的模式(a）传统的产品开发模式；(b）现代产品开发的模式产品开发的前期是对整车技术指标的分解并指导设计。这不但涉及到汽车系统和部件本身的设计和性能，更重要的是汽车部件和部件之间，系统和部件之间的相互作用。这种相互作用包括空间布置、性能匹配和复杂边界条件的限制等。这些边界条件并不像航天器设计那样尖端，但复杂程度毫不逊色。这些边界条件包括如车内外允许的空间、重量、研制费用、零部件的通用性和动力系统等关键部件的有限选择等。这种复杂性决定了整车技术指标的“分解”不可能是单向地从整车到系统，而是双向纵向和横向循环过程，如图1-2所示。从这个意义上讲，“分解”一词不能按字面理解，实际过程既有分解又有综合，一半靠科学，一半靠经验积累。整车开发基本上是渐变过程，往往是在以某款现有的车作为平台，并在这个平台上开发一部新车。汽车公司往往会有很多款式的汽车，现在的趋势是尽可能多地采用通用的设计，然后把这些成熟通用的设计分门别类整理，形成了材料清单BoM（BillofMaterial）。采用BOM的好处在于产品初期，就可粗略定出新车型中哪些零部件要沿用现有设计，哪些零部件需要部分或全部重新设计，从而有助于粗略估计车型的性能和成本等重要参数。如果初选的BOM达不到整车性能指标，还有机会重新选择零部件BOM，以达到平衡整车和部件的技术指标。在产品开发的中后期，当零部件和系统设计完成并结构验证合格后，就开始制作模型车。模型车的目的是验证这些部件和系统对整车性能的影响，完善整车设计，达到预期的各项设计技术指标。另一方面通过模型车的试制，积累经验，为新车型批量生产作准备。二、产品开发前期的噪声与振动设计特点前期开发和设计包括新车型概念形成、基本外形设计、内部空间合乎人机功效学和使用基本尺寸、车身结构断面设计和三维数字成型、主要部件BOM的选择、部件空间布置、整车主要性能定义、性能匹配和均衡以及成本和整车重量控模型车时间试验与验证设计与分析模型车时间试验与验证设计与分析(a)(ｂ)制等。对于振动噪声来说，前期的任务是制定整车的振动噪声指标，并把它们分解到各个系统和部件。汽车上各个系统是相互连接在一起的，比如排气系统、传递轴系统、悬架系统等与车身相连接，进气系统、排气系统与发动机相连接等。相连接的系统的模态一定要分开，否则它们之间会发生共振，比如排气系统的模态频率就不能与车身模态频率一致。在汽车开发过程中，各个系统的开发既相互关联又相对独立。为了从一开始就避免相连系统出现共振，人们往往会规定各系统的模态频率范围并制成一张表格，如表所示。这个表格出各个系统的模态频率，并且把相连接系统或者部件的模态频率分开。这张表被称为整车模态频率规划表。从这张表格中，可以分析下面几点：①这个发动机的怠速频率，即发火阶次（第2阶）频率为30Hz。动力装置的六个刚体振动模态彼此分离，这说明这六个模态是彼此解耦的。理想的设计是既要使所有系统自身的模态彼此解耦，又要使所有相邻系统的模态彼此解耦。比如，动力装置上下振动模态频率明显低于发动机托架上下振动模态，即动力装置的模态与托架的模态是完全解耦的。②在实际应用中，要使一个系统所有的模态完全解耦和使相邻系统的模态完全解耦都是非常困难的。当最到系统间模态频率接近时，需要谨慎分析相临系统之间的耦合程度。表中发动机的左右转动振动模态频率与发动机托架的上下振动模态频率接近，但这不一定意味着两个模态会强烈耦合，因为这两个方向的振动方向不一致，其耦合程度比较低。③车身扭转振动模态频率是25.4Hz，明显低于发动机的怠速频率，这对怠速状态下的振动和噪声性能很有帮助。车身横向弯曲振动模态频率是29.7Hz，非常接近怠速频率。这时，车身，尤其是车身前段结构设计就非常关键。其扭转振动的模态纯度要比较高，不能与侧向弯曲振动模态耦合。④方向盘的两个方向上的振动模态频率都分别高出怠速频率3.5Hz和6.2Hz。但是在开发过程中，如果方向盘和传动轴上附加了一些东西，其模态频率将降低，怠速时，方向盘可能出现抖动。上表只是一部汽车振动与噪声模态频率的局部规划。制作这个表的过程被称为模态规划。模态规划就是给每个系统提供了一定的频率范围。在汽车开发过程中，整车模态频率规划表指导着各个系统的设计，并调节着各个系统之间的关系，即其中一个系统的频率发生变化的时候，就必须根据这张表来调整与之相连系统的模态频率。模态频率规划表与整车噪声与振动目标一起成为汽车噪声振动设计最重要的指南。当整车的振动噪声目标制定后，就要将其分解到各个系统和部件。这种分解也是双向的：整车目标指导系统和部件目标，系统和部件目标又影响整车目标。将整车振动噪声分解到系统，然后分解到部件是一条主线，如在图1-6中的粗线，自上而下。分解到系统和部件的目标要合理，这些目标之间会相互调整，从而影响着整车目标，即图1-6中的细线。除了上述的四个因素影响着振动噪声目标的制定外，其他性能指标和结构也影响振动噪声目标的制定。在开发前期，要确定基本尺寸、结构断面设计、部件选择、空间布置和各项性能指标等。因此，在一开始振动噪声专家就应该与其他系统和性能专家协调，以确保整车振动噪声达到最佳设计。当一些结构和指标发生冲突的时候，就应该尽早地协调，使得整车性能最佳。目标的分解是一种理论分析和实际经验相结合的过程。分解可以用“源一通道一接受体”模型的逆过程，即先确定接受体的振动噪声水平，然后分解到各个通道和源的水平。分解也可以用其他的CAE工具，如有限元