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新能源汽车整车NVH金字塔开发流程
2020-11-04 23:20:35· 来源：ATC汽车技术会议 作者：辛雨
NVH开发流程的进化1.1 解决车辆异常的NVH开发在汽车工业设计开发早期，主要解决的是生产、制造、装配的问题；设计问题、装配干涉、试验后破坏都可能引起异常的振
NVH开发流程的进化
1.1 解决车辆异常的NVH开发
在汽车工业设计开发早期，主要解决的是生产、制造、装配的问题；设计问题、装配干涉、试验后破坏都可能引起异常的振动噪声，此时需要振动检测、故障排查手段。最近5-10年，也有部分厂家因为没有NVH测试和仿真手段，只能以人体作为传感器，通过人的经验判断，来解决生产、制造、以及市场反馈的车辆异常振动噪声问题。
实际案例
由于设计干涉造成的异响：某某项目开发中，发现车内踩刹车踏板真空泵响声很大，按照惯常的思维，对真空泵传递路径进行了振动噪声测试 。然后将真空泵安装点拆下来做是否结构传递的过程中发现真空泵与支 架干涉！拆开后车内噪声立马从53.6dB(A)降到40dB(A)。
不明原因抖动抱怨整改：某某项目样车客户投诉抖动严重，由于没有测试设备进行测试检查，根据经验进行了换不同要求传动轴2次、不同发动 机平衡盘减震器2次、更换不同速比后桥、更换不同速比变速器后，解决 了不同车速段下的三个抖动问题。
1.2 试验调校为主的NVH开发
20世纪60-70年代，西方主要汽车厂商开始重视NVH，即振动、噪声、舒适性的开发。NVH更倾向于解决存在的共性振动噪声问题，而不是某辆车个别存在的异常现象。
主要仍为解决设计后期样车试验时发现的振动噪声问题，以试验调校为主，以达到或超越竞争车的振动噪声水平为目的。
做一个模态测试，从样品安装-传感器安放-力锤选择-传感器-信号线-采集 仪器-电脑连接-软件设置-预试验-试验-试验结果处理-试验报告，小的零部件需要1-2天，整车需要2-4个周。需要2-3人同时开展试验。做一个振动噪声水平测试或者查找NVH问题源的测试，周期也需要2-3个人耗费从1天-几个周不等的时间。
1.3 加入CAE验证的NVH开发
得益于计算机技术的飞速发展，CAE仿真被大量应用于汽车行业，NVH开发中也可以使用CAE技术在前期进行性能仿真验证。
CAE技术可以在尚未出现试制样车的时候即开始数字化设计验证，减少开发周期，降低开发费用。
开发成本节约：CAE仿真支撑技术开发过程中降低试验次数，从而 减少试验费用；以降低1/3试验次数论，每项目预计 降低30%试验费用。
开发周期缩短 ：以整车开发为例，正常的正向开发流程约3-5年，使 用CAE仿真支撑可减少试验-整改轮次，提高问题定 位效率，开发周期可缩短为2-3年。
试验条件限制 ：试验受天气（例如刮风下雨下雪结冰等）影响，导 致无法试验或试验结果失真，仿真无此类问题。
优化方向指导：在试验或设计中发现问题时，经验法/试错法设计优 化耗费大量时间和精力，使用仿真优化方法可提供优化方向指导。
多学科平衡：当某系统同时关乎多种性能时，一项项验证或优化 收效甚微，出现A性能变优B性能变差问题；仿真优 化可找到平衡点。
做一个模态仿真，从数模导入-几何处理-网格划分-材料属性-约束载荷-提 交计算-结果分析-仿真报告，零部件需要1-2天，整车需要2-4周，只需要 一个人即可完成。做一个激励响应分析或其它仿真，需要的周期和费用 一般也少于试验。但仿真的输入条件：数模、材料、载荷等的输入是先决条件。
1.4 仿真与试验并重的现代V型NVH开发流程
现代V型NVH开发流程致力于正向开发，希望仿真与试验并重，仿真解决80%问题；随着仿真优化算法的进步，逐步走向仿真驱动设计的理念。
仿真和试验各有其优缺点，由于基础材料参数、建模方法等的限制，整车仿真模型计算结果与实车试验结果仍有不小的误差，因 此NVH双V验证可以为整车开发提供较好的支撑。
零部件的NVH仿真已可以做到非常准确，精度95%以上；整车仿真精度有待提高，约80%左右。
02、现有NVH流程的不足
2.1 大量NVH缺陷的引入在概念开发阶段
概念开发阶段引入缺陷的几率远高于后期验证阶段，而其修改成本小；后期验证阶段修复缺陷成本高出近45倍。 方案设计阶段，NVH工程师在做什么？指标设计，对标测试？指标从何处而来，对标结果和工作经验吗？
必须形成概念开发阶段NVH仿真评估的手段，在概念设计阶段具备一个概念仿真模型，对设计指标进行评估。
2.2 仿真分析的作用被周期及输入所限制
一轮仿真分析的时间一般4-8周，与设计串行，由于开发周期所限，仿真分析工作受到很大限制。为缩短开发周期，设计制造和仿真优化同时进行，整车分析模型搭建完的时候已经有样车出来试验，而模型和样车不一致。
项目中仿真分析的数模及材料输入有时不能及时获得，需要与设计工程师、供应商、仿真工程师的共同努力。
2.3 所有不考虑成本的NVH措施都是耍流氓
如果不考虑成本，NVH性能可以做的很好，如何在有限的资本成本工程是汽车企业的日常工作，不能只是因为市场压力，必须降低产品成本了，才去降低成本，而是在每一个新产品定义的第 一天起，就要做Design to Cost （按目标成本进行设计），要做成本工程管理下的设计变更，因为85%的产品成本已经在产品定义和研发初始阶段就定型了，因此需要重视研发初始阶段的设计匹配，特别是低成本车辆；而控制成本最重要的是概念开发阶段，NVH开发必须更重视概念开发阶段的工作。
2.4 不考虑其它性能的NVH措施难免受抵制
最终销售的，始终是一辆车，车辆包含的不仅仅是车身、底盘、三电等零部件，而是所有零部件的集合体，所以需要零部件匹配。最终销售的也不是NVH、碰撞、耐久等单一性能，而是所有性能的集合体，所以也需要多性能之间的匹配。
多性能匹配需要很多详细设计的工作，更需要在概念设计阶段进行规划，建立其设计指导思想和匹配策略。
2.5 未充分考虑新能源汽车NVH开发特点
传统燃油车辆基于较成熟发动机选型设计，V型正向开发主要为车身及整车的匹配设计。
而新能源车辆电驱、电池、电控三电系统与车身等系统同时开发匹配，具有更多的零部件同时开发及互相之间的匹配问题。
电驱电控+车身电池同时匹配开发，激励源和传递路径都是在开发过程中逐渐设计完成的，对概念开发和匹配都提出更高要求。
03、NVH金字塔开发流程
3.1 金字塔开发流程介绍
V型开发流程向金字塔开发流程的迁移和转变，代表将整车开发流程并行进行，不再有直线串行阶段，从而节约周期 。
V型开发流程向金字塔开发流程的迁移和转变，更加重视系统和零部件的仿真验证，奠定金字塔塔基。
金字塔开发流程需要整车和系统级开发中保持更多的交互，数据共享及相互验证。
3.1 金字塔开发流程介绍—来自实际案例的流程变革思路
某纯电动汽车项目振动噪声测试试验中，踩制动踏板、真空泵运转时车内可明显听到真空泵运行声音。经测试，主驾内耳噪声为 42.45dB(A)，后右乘客内耳噪声为43.92 dB(A)。在传统燃油车辆中，由于发动机怠速运转的遮蔽效应，该类噪声可被掩盖；但 在纯电动汽车中，由于动力总成噪声小，真空泵噪声运转非常明显，需要对其进行整改。该项目经真空泵支架模态优化，真空泵 管路安装点优化，真空泵悬置橡胶垫优化，悬置优化，车身密封改进等措施后问题解决。
复盘此次包含设计、仿真、验证的NVH调校整改过程， NVH问题在FP阶段被发现，经过大量试验验证在EP阶段解决。如果希望在传统仿真方法仿真时解决此问题，需建立动力总成、真空泵及悬置及管路、真空泵支架、动总悬置、车身、声腔等模型，然后 进行激励响应分析，输入制动时真空泵振动噪声并求解耳旁噪声，建模复杂度高。如考虑振动噪声的结构传播，建模更加复杂。
以使用Amesim软件为例，可将真空泵-动力总成-车身系统建立一维概念模型，通过试验模型标定后，用于优化方案设计或后期 其它项目设计时的概念开发阶段匹配设计。该部分功能adams，hyperworks等软件也可实现。
3.2 金字塔开发流程的中心思想—NVH是设计出来的。
从对标开发到正向开发，是NVH性能开发展现重要性的第一步；但很多正向开发中的性能（例如NVH性能）仍然是对标开发。
从性能对标到性能设计，是NVH性能开发走向NVH设计的重要一步，是建立汽车NVH的DNA的必由之路。
新能源汽车电动化、智能化为NVH-DNA设计提供了更好的基础和更便利的路径—主动声音设计。
3.3 金字塔开发流程的重点—重视概念开发。
建立经验NVH概念开发模型，在设计初始阶段进行NVH性能匹配。
车身概念模型可使用梁—接头模型，并根据接头刚度、车身梁截面设计、梁长度等的改变对车身NVH概念开发提供依据。
即使到设计后期，仍可参考建立的概念模型对新设计方案进行快速评估。
悬置系统概念分析可使用多体动力学模型，也可建立有限元模型进行分析。
综合其它例如悬架系统、转向系统、动力传动系统等模型，建立整车概念开发模型，用于概念阶段NVH模态隔离及振动性能评估 。
综合声学包吸隔声性能及车型驾驶舱形状，可建立车身声学概念模型，初步预测车内噪声水平进行概念设计。
对于成熟车型，通过前期的CAE-试验对标，获得较准确的概念模型，对后期升级开发提供概念阶段更快速而精确的评估。
3.4 金字塔开发流程的基础—技术积累和数据库。
要在较短的开发周期内实现大量的开发工作，没有足够的技术积累和数据库，金字塔开发流程的实现存在较大的困难。
技术积累和数据库可依据公司内外部（包含供应商）资源共同开发，增加技术积累速度，特别对零部件和系统级的技术积累。
在汽车行业大联合（例如国外大众和福特共享MEB平台，国内长安一汽东风联合等）的背景下，整车企业之间也可以取长补短。
行业性组织将提供技术积累和数据库服务，例如国创中心将建立轻量化材料数据库等。
3.5 金字塔开发流程的实现途径—零部件仿真及试验
要得到精确的整车仿真模型和仿真结果，需进行大量的零部件仿真和试验，对标零部件的仿真精度。
由零部件仿真模型，对标整车概念模型中零部件参数，根据整车模型对零部件进行匹配设计开发
零部件仿真/试验模型及建立的数据是实现金字塔流程的途径，没有系统与整车的良好沟通，金字塔流程很难实现。
3.6 金字塔开发流程的优势—更适合新能源汽车
新能源汽车构型较多，基于金字塔开发流程，建立整车概念模型，进行平台化设计，对于整车的匹配开发（例如匹配不同动力总 成）有利，更适用于目前平台化趋势。
对于同步开发的整车与零部件系统，金字塔开发流程更有利于系统与整车的不断交互过程。
3.6 金字塔开发流程的优势—更适合多性能匹配
综合新能源车部件及其主要改变，建立整车概念模型有利于多性能之间的匹配开发。
3.6 金字塔开发流程的优势—节约更多开发周期
传统燃油车辆基于较成熟发动机选型设计，V型正向开发主要为车身及整车的设计，一般需3-5年。
新能源车辆电驱、电池、电控三电系统与车身等系统同时开发匹配，采用传统V型正向开发流程相比燃油车更耗时间。
推荐金字塔开发流程转变，增加系统仿真试验，建立整车高精度数字模型，减少整车试验，扁平化开发周期为2-3年。
3.6 金字塔开发流程的优势—汽车迈向数字化订单化生产的奠基之路
未来汽车订单化生产要求客户提出需求后，整车厂直接通过数字化设计仿真技术完成成熟设计并进行个性化生产，没有上百辆车 的试验试制和车辆调整整改周期。国外对于部分高端车型已有个性化定制的设计，国内则处于探索阶段。
通过金字塔开发流程的实施，积累大量的系统及关键零部件设计仿真试验数据和整车性能匹配经验，未来有望实现1个订单1辆样车设计1辆样车生产，通过简单的质量检验和调整，符合客户使用要求。
这一天或许很远或许很近——随着车辆平台化、模块化的设计，随着数字化智能化技术的发展，随着3d打印制造技术的普及，随着知识爆炸及大数据、机器深度学习的发展，订单化生产到来的那一天已不远。在这之间，积累数据和经验形成大数据库是未雨 绸缪之举，使用金字塔开发流程，是奠基之路。
04、总结及展望
新能源汽车金字塔开发流程转变，增加系统仿真试验，建立整车高精度数字模型，减少整车试验，扁平化开发周期为2-3年；
建立整车及零部件模型NVH数据库，夯实NVH开发基础；建立整车及零部件NVH指标数据库，不需要每个车型进行一次对标分析。
随着整车及系统平台化开发的进行，整车NVH概念开发模型的建立将为NVH匹配提供指导性的意见和早期评估。
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