基于Amesim的新能源混动系统典型NVH性能优化

背景

在汽车工业发展的早期阶段，主要需要解决的是生产、制造、工艺实现等问题，而随着汽车工业的不断更新迭代，产品的性能已经转为当前的重中之重，NVH源头把控是关键。混合动力系统根据不同的架构和工作模式，其NVH特性也有较大的差异。因此对于混动总成的NVH性能的正向开发是行业中追求的关键技术。西门子工程咨询经过多年的探索和实践深耕，可以从正向开发流程、技术更新与经验参考、NVH性能集成与匹配、仿真和试验手段有效结合等方面帮助客户建立完整的NVH正向开发流程，积累前沿的开发经验技术。

 对于总成的系统级和整车级的NVH性能开发，很难在早期对总成集成在实车性能中的表现进行很好的预测，这是前期的开发工作中面临的很大的难度及挑战。西门子采用测试与仿真结合的方式，尽可能早期的获取骡车或样机的NVH策略及特性初评，使用该策略在总成仿真中更真实的反馈实际NVH特性，同时有效结合西门子历史数据库对性能开发给予明确的参考。这样大大缩减了总成集成到整车后带来相关的不可逆NVH设计问题的机率。

西门子工业软件工程咨询服务部门，综合工业4.0概念，将仿真与试验相结合的手段运用到混动总成的NVH开发过程中，通过Simcenter 3D优化计算软件、Simcenter Amesim 1D仿真分析软件、LMS Test.Lab试验平台、流体仿真分析等软硬件将测试手段有效与仿真手段结合，对混动总成的NVH振动噪声特性进行分析预测。极大的缩减了混动总成的NVH性能开发效率，并在可用实物样机出现的早期，基于虚拟样机仍可获得更全面可靠的分析预测结果，最终结合物理样件进行验证，进一步落实及推动方案实施。

本次专题主要聚焦于1D 仿真相关的NVH性能优化，其他方向及专题待后续持续更新。

案例1：怠速暖机（无负载或小负载工况）工况混动箱敲击

对于任何变速器，rattle噪声的分析仍可以沿用传统的激励-路径-响应的思路，其中

• 激励：啮合轮齿对、花键、离合器/制动器等间隙处的随机接触力（impact forces）• 响应：近场麦克风或壳体上的加速度传感器的测量值• 传递：从间隙经由变速器内部轴系、变速器壳体等的结构传递路径（直接透过壳体的空气声传递路径忽略）

但往往rattle噪声分析中存在一定的难点，如

• 直接获取激励，因为激励位置众多而且通常难以实测获取

• 直接获取激励到响应的传函，原因同上

• 因此不论从仿真还是测试的角度研究rattle问题的机理均存在一定的挑战性。

像NX motion这样3D多体仿真软件可以有效的模拟带有载荷的齿轮相互作用的齿轮箱，但对于无负载或小负载工况下的齿轮，由于接触力的不连续性，计算时间将急剧增加，因此本案例中使用更高效的方式（基于Amesim的解决方案）来研究rattle现象。

某混动车型，在不同发动机转速下的怠速空档暖机过程中，存在较严重rattle现象，会引起抱怨。问题发生的典型工况：N档怠速-1000rpm。如图1所示，为该平台的1维仿真模型组成。

图1 Rattle仿真分析模型

西门子工程咨询引入基于能量的指标作为rattle敲击的指示，此指标与传统的转速及转矩波动相对应，对于齿轮敲击仿真和优化具有很明显的工程意义上的优势。通过使用相对速度来识别齿轮敲击，当两个齿轮持续接触时，相对速度为0；当间歇接触时，相对速度≠0。通过使用动能来量化齿轮的敲击。（详见往期文章‘用于齿轮敲击噪声仿真分析的指示值’）。

基于当前问题表现及平台架构特点，针对不同系统参数开展灵敏度研究和优化：

• 研究了不同载荷工况rattle水平

怠速充电（负载工况）➡出现rattle且振动水平较低

怠速热机（无负载或小负载工况）➡出现rattle且振动水平较高

• 怠速热机情况下的灵敏度研究

基于模型的仿真分析发现，发电机端负载扭矩（当前为0Nm）调整至2.5Nm预载取得显著改善，5Nm预载进一步改善，与实际主观感受一致。

图2 负载扭矩调整

另外仿真基于10%的参数变化量修改，以下参数也相对较敏感，如：发电机转子惯量（对应rattle约17%改善），花键及齿轮间隙（对应rattle约11%改善），发动机扭矩波动（对应rattle约8%改善），飞轮惯量（对应rattle约7%的改善），扭减的迟滞阻尼（对应rattle约5%的改善）。通过参数调整，rattle水平以非线性方式降低，通过3个参数组合（2.5Nm预载扭矩+间隙降低20%+迟滞扭矩降低40%），实现了对应rattle表现的较优设置。需进一步结合实际情况，综合考虑其他性能的平衡，开展进一步调试及设计优化。

 图3 优化方案组合

案例2：怠速充电工况混动箱‘崆崆声’及声品质差

某混动总成，在怠速发电工况，近场噪声存在‘崆崆声’及细碎敲击导致声品质差，车内噪声表现与机舱内吻合，主要抱怨以电机侧近场噪声为主，以电功率发电工况（如3kw）为主要抱怨点。‘崆崆声’主要为低频（170-350Hz）发动机阶次及半阶次能量大。‘宽频敲击及声品质问题‘主要覆盖170-1500Hz频带，宽频噪声能量大，声品质差。

通常，发动机的缸内燃烧压力和活塞往复运动产生的周期性惯性力等系统激励源，通过曲轴、扭减、系统间隙、轴和轴承等传递至箱体，再通过其他路径传递出来。表现出不同程度的“崆崆声”及宽频敲击声，整体表现为声品质差。

• 系统必然存在不同频率的模态特征（曲轴、轴系、总成、壳体、附件等）

• 系统必然存在不同程度柔性变形

• 系统必然存在不同程度的扭矩、转速波动、发动机相关的阶次半阶次特性

• 由于发电机的电磁力作用，自身特性及受边界条件影响而变化

当然此类问题往往高度依赖于系统特性的匹配，基于不同系统架构特性可能表现出来的问题特征不同，该案例中，系统存在两处花键连接及一对齿轮啮合，必然存在间隙，外加其径向跳动+侧隙+轴向窜动共同作用，将其敲击能量进一步放大。同时发动机转速及扭矩的匹配并非处在系统最优特性位置，综合以上，表现出来的就是“崆崆音”及声品质差的问题。

图4 由于系统间隙及配合导致的敲击现象

      该案例中，由于时间节点的紧迫性，我们通过1D仿真与试验有效结合的手段对该问题快速展开大量的排查与诊断，包括但不限于以下提出的排查方向。

• 发动机侧：轴瓦间隙配合、动平衡、点火角、VVT角度、燃烧、扭矩&转速波动、前端TVD等

• 标定策略：转速扫频选优、GCU转速&扭矩波动

• 扭转减振器：飞轮惯量、刚度、阻尼、惯量、结构设计等

• 输入轴：惯量调试、动平衡优化

• 电机轴：转子惯量、动平衡

• 轴系侧隙及轴向窜动

• 径向变形及位移控制

• 结构加强及优化

• 润滑油脂

• 系统模态

• 电机电磁力变化

• 整车路径排查等

经过一系列的验证排查，我们发现源头及路径均或多或少对该问题产生一定的影响，进一步确认了该问题高度依赖于系统特性及其匹配，通过单独调整某项参数仅能得到一定的改善，但很难将该问题彻底解决。与此同时我们引入1D Amesim对该问题同步开展仿真分析，从而快速定位敏感系统参数。由于受限于时间节点及1D仿真的局限性，系统仿真暂未考虑轴向窜动、动不平衡及轴系壳体的弯曲变形，有待在后续项目开发过程中进一步完善。基于该扭矩驱动的一维混动系统模型，我们识别出除了系统间隙之外，确认了扭转减振器的迟滞扭矩、系统转速波动、飞轮惯量、电机转子惯量等敏感参数，需进一步结合试验手段进行验证。

图5 迟滞扭矩对“崆崆音及声品质差”问题的影响

图6 转速波动对“崆崆音及声品质差”问题的影响

      最终，通过仿真与试验结合的手段，有效确认及排序了系统中的敏感参数，如降低系统花键配合间隙、怠速选点、壳体结构优化、轴系支撑设计优化、策略优化等方案组合可以有效降低或明显改善此怠速“崆崆音及声品质差”问题。

表1 样件方案试验验证效果

案例3：Tip in tip out工况clunk

‘Tip-in & tip-out clunk’ 是传动系的一种冲击性的响应，通常发生于扭矩突然变化时刻，对应齿、花键、半轴移动节、固定节等结构位置处。为了保持齿轮副正常运转，这些结构中必然存在间隙。当扭矩从负值转换到正值的过程中，传动系间隙将会逐步消除，在此过程中，如果间隙过大或者消除的过快，就很容易产生敲击，从而引发“clunk”音或“吭”音。“clunk”是一种由于敲击引起的高频成分声音，通常会伴随车辆的低频前后运动，称为“shuffle”。

•  “Clunk”通常被定义为频率范围300-5000Hz的可听音。持续时间较短的几毫秒量级的硬冲击作用，产生了较宽频带的激励波。• “Shuffle”是车辆整体的前后窜动。此现象通常会与传动系统的一阶扭转模态（2-10Hz）直接相关。

      降低“吭音”要求齿轮低速通过间隙区，降低齿轮对速度差，从而降低啮合后的冲击能量。通常来说，我们从路径和源两大方面来分析该问题的关键影响因素

1）路径

• 传动系间隙：减小间隙，那么齿轮、离合器、变速器、花键、球铰等在上下游接触前的加速时间就会缩短，但是整改的耗价高，且受很多物理结构限制，需一定程度上严格控制制造工艺误差。

• 传动系统结构形式：厚壁轴会有更多环形变形，因此噪声贡献相对高一些。

• 传动系统模态：传动轴、驱动轴等会存在高阶系统模态及环形呼吸模态，一定程度上会将tip-in & tip-out clunk问题放大。可通过纸板包裹传动轴用于传动轴呼吸模态增加阻尼，同时内部可填充软纤维以降低空气传声。

• 传动系统惯量、刚度、阻尼：调整惯量及刚度等参数也有可能对系统tip-in clunk现象产生一定的影响，但往往这些参数的可调范围比较受限。增加阻尼，会降低冲击时产生的齿轮对的速度差异，但是会降低传递效率，削减燃油经济性。

• 齿轮副过间隙的传递组合：实际情况中往往具有多处间隙，间隙的消除依次进行，从间隙消除到敲击，主动端的转动惯量不断增加，最后的一个敲击往往是主动端转动惯量最大的一个敲击，尽管敲击的结果与多种因素有关，但往往末端敲击能量最高。

2）源

• 发动机扭矩输入：尽管间隙可以降低到最小值，但不能完全消除，故敲击不能完全消除，但是依然存在clunk，因此一种可行的方式就是去管理扭矩，降低冲击能量，使得冲击相对舒缓，同时需确保对车辆其他性能影响最小化。

图7 扭矩激励示意

• 负扭矩在通过齿轮、离合器、变速器、花键、球铰等间隙，扭矩开始上升，既带档反拖过程，直到扭矩为0。如果负扭矩上升到零扭矩区间斜率很陡，则齿轮减速面分离到加速面啮合过程时间短，那么部件转化为动能的能量就高。接下来由于瞬态正扭矩开始建立，并且初始扭矩斜率非常陡峭，使得齿轮副通过间隙后产生猛烈的撞击，产生振动冲击及敲击声。因此零扭矩附近斜率（负扭到0上升斜率，0扭过度时长，0到正扭上升斜率）均会对吭音产生影响。

图8 扭矩输入管理示意

• 当间隙已完全占据，因瞬态扭矩具有一定波动性，也会引发一些低频轰鸣。• 因目标点扭矩区间与发动机实际扭矩控制区间会存在差异或延迟，如下右图所示当扭矩突增先于间隙啮合时候，较容易发生敲击，实际这个时间点的影响因素较难把控，但总的原则是使得低扭矩输入对应目标轴间隙啮合即将完成或完成时刻，则产生吭音的风险低，因此发动机扭矩控制需进行多区间联合控制，才能尽可能覆盖到目标点扭矩。

图9 扭矩突增于间隙啮合配合时间点示意

上述一系列源头及路径相关的贡献及灵敏度分析均可以基于Amesim创建的1D模型，在早期开展大量的风险预测及troubleshooting，基本流程如下:

1）根据混动箱及系统架构，搭建适合该问题的混动箱及传动系统1维模型

图10 混动箱及传动系统1维模型

2) 通过测试或有限元获取仿真输入及模型标定所需数据，开展系统模型对标。

3) 开展灵敏度分析，快速指出敏感部件或关键参数。并针对组合方案，优先基于仿真模型开展方案包的效果评估。

4) 根据仿真方案，结合实际测试，推动最终相关方案的整改及落实。如基于该架构及工况的优化分析，最终输出以下整改方向：

• 系统间隙减小-控制工艺公差及其公差样件选配。• 传动系阻尼增加-需评估造价、传递效率综合决定。• 控制策略及扭矩波形优化-需结合主观评价及动力加速性能的损耗综合评估。

图11 不同扭矩波形（C为无‘clunk音’状态）

案例4：加速工况Booming

      加速Booming噪声通常表现为一种令人反感的低频噪声，它能够影响整体的声压级水平。通常，Booming噪声是由动力总成源头的阶次激励激发传动系或路径上的共振。为了从根源上解析Booming产生的根本原因，可以借助Amesim开展系统仿真，从而进一步了解传动系动力学及其激励机制。

图12 轰鸣传递示意图

首先，将缸压或发动机控制号作为模型输入用于驱动1D仿真模型。然后，根据动力系统架构搭建系统仿真模型及开展模型的标定工作，输出整车模型接口载荷，最后结合实测或仿真输出的传递函数，从而拟合目标点的响应并开展相应的优化分析工作。

图13 激励到车内目标点预测流程示意

    如与Lamborghini合作的一个工程案例，小油门加速（1500-7500rpm）工况，车内声压级表现为特定频率下的发动机阶次噪声大。

图14 轰鸣colormap及阶次

      通过1D Amesim对该工况进行复现：模型初始化为1500rpm发动机转速起点，由1500rpm至7000rpm缓加速，3档啮合，传动系统中不考虑系统侧隙。基于该特定发动机阶次，进行系统工况仿真，从结果上看，在变速箱主轴上呈现扭振现象，为该轰鸣问题直接相关的原因。结合1d模型，通过增加系统的扭转刚度，将轰鸣噪声所对应的频率向高频偏移，从而降低轰鸣噪声共振峰值，改善轰鸣主观感受。

图15 1D扭振模型复现轰鸣

案例5：Engine Restart

      由发动机启动引发的低频车身振动是一种依托于曲轴旋转的瞬态行为，发动机启动后，第一次燃烧发生，引发点火阶次的二阶激励。发动机转速逐步增加，直到怠速稳定。发动机激励通过动力总成、悬置、车身等传递至车内，因此对于总成、悬置、车身悬架等特性的仿真非常重要。

 图16 Engine start路径传递及起动过程信息

      该案例中，西门子工程咨询服务团队帮助客户建立并完善一个Amesim 1d模型，模拟和验证某2.0排量车型的启停问题，以便进一步使用该模型进行车身振动水平预测。模型植入瞬时曲轴扭矩，发动机转速，实测发动机目标转速数据。模型中使用PID控制器，目的是为了生成包含发动机转速特性的驱动扭矩。从整个发动机转速曲线可以清晰识别整个点火过程，启动电机开始介入，带动曲轴开始旋转，然后发动机点火伴随转速上升。

图16 Engine start抖动模型创建

      模型中不考虑活塞力，平衡轴载荷及柔性体变形。整体转速，振动等对标结果匹配较好。可以基于此开展后续灵敏度分析，方案优化等工作。

图17 转速及振动对标

案例6：某PHEV Booming & Engine Restart & 驾驶性的多属性平衡

      油耗是整车开发首先需要满足的指标，NVH、驾驶性在样车阶段需要关注的主要指标，最终和其他部门的性能指标平衡后确定最终性能。该案例是基于某多模式混动系统，在V型开发的早期对NVH，驾驶性（加速性能）和油耗等多个属性综合考虑，平衡分析。完整的车辆模型，包括发动机，电机，控制器，传动系，悬置及整车：

图18 MBD整车模型

1) 模型的开发

      从控制器执行指令开始，通过仿真驱动，输出轮边扭矩、总成反作用力、悬置力等，最终反应到车身目标点的振动响应：

高精度发动机模型

• 发动机燃烧模型

• 利用台架数据进行标定• 计算缸压传动系• 1D扭振模型•  动力总成•  悬置模型

计算缸压

• 控制器指令

ECU 控制策略集成

• 底盘系统

2D车辆模型

• 目标预估

• 座椅振动

• Booming

图19 模型开发流程示意

2）模型的标定及优化建议

• 分步骤的模型验证• 各部件到整车的建模和验证建立标准流程• 包含ECU控制器的详细发动机燃烧模型

图20 分步骤模型对标验证示意

3）基于模型的NVH性能预测

• U控制策略预标定• 部件或部件参数的修改• 振动在主要传递路径的贡献分析

图21 基于模型的NVH性能预测示意

4）用于驾驶性/平顺性/NVH的串联混合动力车型

• 循序渐进的方法

• 控制器（驱动器和电池SOC）

• 驾驶循环与TPA相结合

• 整车模型包括集总悬架，轮胎，发电机模块，电动机…

图22 MBD模型预测示意

结论

总之，随着工业化竞争日趋激烈的当今现状，要想在芸芸众生中脱颖而出，必须在更早期的，更靠前的开发阶段，依靠更快速的手段及解决方案来为产品性能保驾护航。Simcenter Amesim是跨领域多专业多极复杂程度的一体化系统建模软件。根据基本参数实现虚拟样机的搭建，能够在早期对性能进行精准分析，预测及规避大量的潜在风险与问题。

当然，本文中所展示相关的案例只是整个性能开发中的冰山一角，西门子工程咨询业务范围覆盖能量管理、能耗优化、多属性平衡、热管理、流体流场及动力学、耐久疲劳、整车及部件NVH性能开发、控制系统开发集成等多学科多领域。具备完整的工具链，健全的知识体系，丰富的工程经验等先天优势，这些都是工程咨询团队能够在业内保持领先的强大支撑。