NVH虚拟样机装配~路噪性能预测及分析

前言  /  Introduction

汽车行业正在向电动化加速演进，电动车的路噪问题开始凸显。传统燃油车因为有内燃机的掩蔽效应，车速在60km/h以下基本听不到路噪声，而纯电动车或者混合动力车型的纯电模式，车速从40km/h开始就出现路噪。国际某权威调查机构近期的调查结果显示：路噪在电动车NVH问题中的比重为40%，远超其它几个方面。在行业内卷严重的背景下，对汽车路噪性能的开发要求越来越高。本文介绍一种路噪预测的方法，能够在车型开发的早期对路噪性能进行预测和分析。

在《西门子工程咨询服务团队解决方案之虚拟样机装配》一文中，我们曾介绍了虚拟样机装配技术的基本原理及应用步骤：NVH部件定义、虚拟样机装配、预测及分析，有兴趣的读者可以通过前文进行回顾，这里不再复述。该文还提供了三个纯电动车电驱单元（EDU）噪声预测的案例，展示了通过试验和仿真相结合的方法进行汽车NVH性能预测的广阔应用前景。本文将介绍一个路噪预测的案例。

路噪预测技术路线

跟路噪结构声相关的关键部件或子系统有：轮胎、悬架和车身，悬架又可以进一步拆分为摆臂、各种连杆、副车架、减震器、衬套等。通过试验或者有限元仿真对以上零部件/子系统进行单独的表征，分别用力、传递函数或者动刚度来表示。然后通过Simcenter Testlab 中的Virtual Prototype Assembly模块进行路噪虚拟样车的装配，进而预测虚拟样车的路噪水平，并将计算结果与实测结果进行比较，以验证模型的精度。

部件/子系统的表征

轮胎/激励力

来自路面的激励通过轮胎传递到轮心，进一步通过悬架传递到车身。表征路面激励的方式有很多种，这里我们用C-TPA技术识别轮心的不变载荷。选择In-situ方法在实车条件下识别轮心的Blocked forces。流程可以简单归纳为：在四个车轮的knuckle上布置加速度传感器作为指示点，在粗糙路面上以特定的车速匀速行驶，以获取指示点的运行工况数据。然后在静态条件下，获取轮心到knuckle指示点的传函矩阵。进而用以下公式计算轮心的不变载荷。    

值得一提的是，由于力锤或者激振器无法触及车轮的中心，如果想要获取轮心到指示点的精确传函，需要用到VPT技术，即虚拟点转换（Virtual Point Transformation）技术，这可在Simcenter Testlab的Virtual Point Transformation模块中轻松实现。

悬架

悬架的表征是一个难点，悬架一侧连接到车轮，另一侧连接到车身，中间有球节等，复现悬架的实际边界条件非常具有挑战性，边界条件要包括由于车重产生的垂直预载荷和驾驶过程中悬架滑移。解决这一挑战的方案之一是基于频率的子结构解耦，即FBS decoupling。这是一种通过从组合部件中减去支撑结构来表征未知组件振动特性的技术。即通过从两个部件的组合中去除其中一个结构的影响来识别未知组件频率响应函数（FRF）的方法。

使用FBS decoupling方法能够创建悬架模型，提供路噪预测所需的精度和频率范围。为此，我们制作了一个悬架的专用测试台架，为便于重复利用，该台架的连接点位置设计了适配结构，可以安装不同尺寸的悬架。使用有限元（FE）模型设计和验证测试台架，以限制其强动态特性或过度刚性，从而使其能够与目标结构耦合。

悬架测试台架制作完成之后，使用Simcenter 3D评估理想的测试设置，包括传感器布置位置及空间、以及激励位置及Simcenter Qsources™激振器的空间。这一过程将极大的提高测试效率。

本案例获得了大约三万多条传递函数/FRF。该悬架包含大量连接点，需要测量这些连接点之间的传函，因此需要大量的传函来表征它，从轮心处的输入到车身连接点处的输出。为确保模型的精度，需要进行大量的测试。最终通过悬架和台架组合的传递特性减掉台架的传递特性，获得悬架的传递特性。

以上是通过纯试验的方法获取悬架的传递特性，工作量较大，对试验条件的要求也较高。为克服这一方法的缺点，西门子工程服务团队开发了一种试验和仿真相结合的方法来表征悬架，既减少了工作量同时又能保证模型的精度，后续可以单独写篇短文介绍该方法。

衬套

西门子工程服务团队通过试验获取衬套的动刚度，方法可以归纳如下：为衬套制作专用夹具，分别固定在衬套的主动端和被动端，然后将衬套+夹具组合用橡皮绳悬吊，处于自由-自由状态。分别在主动侧夹具和被动侧夹具上布置足够多的加速度传感器，在主动侧和被动侧选择一定个数的自由度进行激励，获取主动侧和被动侧之间的传函矩阵。应用VPT技术将测量数据缩减到衬套中心位置的主动侧和被动侧虚拟点，通过频域子结构和逆子结构方法提取衬套的刚度值。该测试方法可以获取2000Hz以内的动刚度数据（对路噪结构声来，只需要500Hz以内动刚度数据即可）。

衬套动刚度测试理论示意图

衬套夹具、传感器布置位置及测试照片

车身

车身通常用悬架与车身接附点到车内目标点的传函来表示，可以通过试验获取，也可以通过内饰车身的有限元模型来获取。由于虚拟装配的需要，悬架与车身接附点的原点传函矩阵也需要获取。

路噪虚拟样车装配及预测

完成跟路噪结构声相关的关键部件/子系统的表征之后，通过VPA Definition模块将其发布到部件库中。然后进入VPA Assembler模块创建虚拟的路噪样车模型，模型包括轮胎、悬架、衬套、车身，如下图所示：

下图是虚拟路噪样车模型的计算结果与实测结果的比较，计算结果与测试结果在主要的问题峰值处匹配的较好。说明该方法是可靠的，并且模型的精度较好。

虚拟车辆的预测结果还可做进一步详细分析，包括声音来源等传递路径的排序。这项技术可以纳入到主机厂的NVH开发流程，以提高NVH性能开发的效率。可以在车辆开发的早期阶段进行及时可靠的改进，这将提高驾驶员和乘客的满意度。

Simcenter Testlab NVH Simulator使预测的路噪能够与其他噪声相结合，如风噪、轮胎噪声和动力总成噪声，使主观感受更逼真。这有助于工程师做出更准确的噪声预测。有兴趣的读者可以点击阅读文章《西门子工程咨询服务团队解决方案之汽车NVH模拟器》，了解NVH模拟器的功能。

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