简单分析转向和刹车系统中的噪声和振动

题目：转向和刹车系统中的噪声和振动技术

综述：本文是来自汽车零部件供应商TRW早年的一篇文章，文中介绍了很多知识，其中主要重点在于，如何在产品设计早期就关注到噪声和舒适性的问题，由于NVH领域的复杂性，需要各大汽车生产商和汽车零配件生产商进行通力合作。此外，文中提到了四款TRW的经典产品，并简单介绍了其NVH优化方面的一些重点。最后文中还重点提及了TRW开发的两款创新性产品。



前言：制动和转向系统的开发已经不再是纯粹的其功能上问题。车辆在制动或停车期间的内部和外部噪音特性所导致的舒适性问题非常重要，并且可以因此对买家购买上的判断有很大影响。在现代制动和转向系统中，必须发展开发新的产品。TRW Automotive的这篇文章介绍了如何通过声学和振动控制、噪声振动粗糙度（NVH）规范的大力的改进和设计，以及通过从产品概念设计阶段到生产加工阶段，始终如一的保障其NVH性能，成功在整个集团范围内推出产品，如电动液压转向系统。

1：导言（Einleitung）

对于每个汽车制造商及其供应商来说，新产品研发时的噪音问题是一个令人讨厌的课题。在很早开始，车辆中不希望出现的制动或转向噪音就已经被注意和研究了。在规模化生产开始之前不久，当新车的最终版本首次经过全面测试时，通常会检测到不舒适的和干扰的噪音，这些噪音必须通过有针对性的特殊修改迅速消除。人们会研究噪音的原因和它的所谓的传输路径。

制动或转向系统中的一个部件激发了通过空气和/或结构的噪音传播的振动。司机察觉到了噪声或振动–因为他们打扰了他。在下面的分析中，共振情况会被研究和改善。振动激励部件（例如电机或泵）和传输路径（例如液压和电流导线，橡胶轴承，横梁或车身）都可能是决定性因素。然而这时候如果考虑对于基础设计的更改，通常都太晚了。

今天的车辆开发标准已经不能接受这种方法，尤其是出于时间和成本原因。在TRW汽车公司，作为现代制动和转向系统的供应商，自20世纪90年代以来，系统工程的重点就放在了新的NVH学科上。为了尽早使用新的方法和技术来优化产品，NVH专家组成立了一个新的团队，参与全球TRW产品开发。投资新NVH实验室，特别是德国和美国的专业测试平台和设备，为高效工作奠定了基础。

2：开发新的流程（Neue Prozeduren entwickeln）

今天，NVH工程师正在努力尽早在制动和转向系统开发中消除噪音问题。其目标是为，为TRW产品部件的开发和设计工作，以及测试条件和技术规范，开发一个高效的方法。

对于既定产品已经指定的和验证的噪音测试，是已经存在并可用的。在相应开发的试验台上，可以通过标准测试程序检查制动助力器，主刹车液压缸或控制系统，以及时检测和避免可能发生的各种噪音。这个过程对于验证计算模型也很重要。

车轮制动噪音（如制动尖叫BremsenQuietschen）的再现（复制，再发生）在20年前比现在要困难得多，因为它取决于许多参数，且其中一些参数影响很大，并且只能用纯粹的车辆测试是非常不足够的，所以要进行费时费力的研究和很高的费用花费。

当时，NVH工程师们已经在这里开展了创新先驱工作，并开发了TRW设计的噪音测试平台的测试程序，可以显示和分析解决这些噪音现象。几年来，它已经能够在这些测试台上进行单独零部件的优化，而不需要车辆。由于这些测试程序具有全天候全自动操作的高效率，部分程序已成为行业标准

作为新产品开发的一部分，还必须开发相应的NVH测试流程。这适用于电子驻车制动器以及最新版本的电动液压动力转向系统[1]。

早期尝试的经验为新思想提供了基础。虽然这种转向辅助系统由许多部件组成，但其中只有很少部分与噪音相关：电动马达和液压泵作为激励源，橡胶轴承和软管作为传输路径元件，以及作为散热表面的箱体和把柄。软管和管道还具有另一个声学功能。它们配有所谓的调谐器来抑制压力脉动振动 - 通常在500 Hz至1.5 kHz的频率范围内。然而，与此同时，它们提供了大的辐射面（反射面），并且可以将结构传播的噪音传递到内部，从而与车身部件的接触尤其要避免，或者充分足够的进行绝缘。

在此变得清楚的是，噪音问题不一定由单一来源本身引起或甚至放大，而是通过将部件整合到系统中进入车辆。所有相关供应商，TRW和OEM，已经在开发之初的参与和合作 -对后来的成功具有决定性意义。图中的图形显示了在制动和转向领域的基本的实施过程。



在项目开始时，要与车辆制造商在所谓的噪声目标上达成一致，噪声目标即描述了车辆后期的噪声行为。由此转换导出与噪声目标相匹配的技术规格。

有限元计算和模拟有助于在产品开发早期阶段，系统地优化部件和组件的动态行为。样机原型在特殊测试台（组件或系统）上进行测试，并根据噪声特性进行评估。此后，在车辆中实现噪声的平衡：既根据主观标准，又根据通过麦克风或人工头获取的客观数据。最终借助于相关性研究结果形成一个为TRW装配线的测试过程。这样的操作流程，可以确保客户收到具有符合预期和法律许可范围内的噪音特性的产品。



3：噪声和振动技术——系统的优化（Akustikund Schwingungstechnik——Optimierung von Systemen）

上述概念的应用将在下面介绍最新一代现代制动和转向系统的发展的时候使用到。

3.1 行车制动器（Radbremse）
盘式或鼓式制动器的主要要求的特征是不受干扰噪音的影响。特别是，制动尖叫（Quietschen）的预防是一个重要目标。



在产品开发方面，NVH团队使用大量的计算模型，使用全息投影来实现工作状态的振动测量，或者利用激光扫描。计算预测与实验分析和专门设计的制动噪音测试台验证相结合，可实现高效且及时的产品开发



由于制动噪音是一个系统问题，不仅涉及制动器，还涉及刹车片和底盘部件，如转向节，因此所有发展合作伙伴必须有效地协同工作，对系统进行必要的更改，以估计改善噪声的效果。

设计上的解决方案可以是：制动器支架，壳体，摩擦片，刹车盘形或转向节的结构微调（质量，刚度）以及采用特殊的解耦或阻尼板。每个制动系统为相应的车辆平台备有“NVH定制西装”。当然，这必须在非常短的时间内完成，并且在批量生产时即使在具有所有制造偏差和容差的情况下依然强健稳定。

3.2 电子手刹（Elektrische Parkbremse）

电子手刹（EPB）是一种相对较新的产品，它吸引了很多客户的兴趣，特别是在欧洲市场。手刹操作不再通过手刹杆完成，而是通过操作开关完成，这个开关可以根据客户的要求在车内进行布置。启动时，启动一个电机/减速器，该电机/减速器集成在液压行车制动器中，并通过主轴，移动制动器活塞来实现压紧力。

声学产品优化的一个重要分析工具是图中的小波分析（Wavelet-Analyse），借助它可以在设计中找到各个噪声成分及其原因。



结合人工头，可以在这里获得强大的录音和分析软件包。今天的EPB包含优化的齿轮传动以及关键区域的解耦元件。虽然EPB已经作为一个组件进行了噪声优化，但最终的噪声行为最终只能在车辆中体现出来，因为它们是一个耦合谐振系统。



这种影响的程度可以从图中所示的两种不同车辆的噪声行为的比较中看出。特别是在这些最后的调试匹配适应工作中，通过使用现代测量方法快速和经济有效的实现“噪声优化目标”，是一个具有决定性意义的点。

3.3 机电转向系统（ElektromechanischesLenksystem）

图7（b）所示基于转向柱支撑的机电转向系统的特点是，具有三个与声学特别相关的特征：
- 安装区域直接安装在乘客舱内
- 设计紧凑
- 伺服单元与车辆的连接主要是刚性连接。



在第一个特征的影响下，系统可能会出现共振部件，驾驶员或乘客会由此直接感受到噪声。由于车内空间限制，它的设计结构非常紧凑。所以在这里，噪声传播的路径非常短，几乎没有阻尼或绝缘措施。最后，伺服扭矩和连接在转向柱上的质量，必须支撑在车厢前壁上，所以应该对后者（车厢前壁）进行刚度加强处理。

由于碰撞安全性和转向感的要求，所以这个轴承架必须是刚性的。所以由于这些要求，在这里也消除了弹性材料的隔音和隔振效果（问题所在）– 这也为将结构噪声传递到车辆内部打开了大门和途径。

由于在机电转向系统中的刚性连接，所以其弹性结构模态决定了振动行为。感兴趣的频率范围在4kHz范围内，其特点是电动机，发动机控制和变速箱的影响很大。在这里它需要对部件和车辆进行特殊平衡和协调。

由其磁性布局生成的电动机的磁力，会使封装结构变形。通过使用数值（FEA）和实验（例如激光扫描）方法对其表面进行适当的优化设计，可以在很大程度上将结构噪声和空气噪声进行决定性的优化。最终成功的程度，即可接受的内部噪声，最终将由车辆中的相应系统集成来决定。一个数字化的开发流程有益于对调整和预测噪声的意见的提出。



3.4 电气液压转向系统（ElektrohydraulischesLenksystem）

在电动液压转向系统（EPHS）中，通过使用电动泵单元（MPA）控制油压，在液压侧提供转向辅助，图7（a）。 MPA可以根据车辆的集成状况，要么安装在转向变速箱之外，要么和转向变速箱进行耦合连接，后者将对噪声行为有重要影响。

声学相关部件及其对车辆噪声行为的影响已在第2章节开始部分进行了描述。新一代电动液压转向系统- Gen C [1] - 也开创了新的道路，例如在MPA设计早期就已经深刻融入了数字方法和声学设计方案。

和上节叙述的机电转向系统一样，电动机的磁力也会使MPA的外壳变形，这里感兴趣的频率范围约为1 kHz。然而，结构噪声的传递路径在这里完全不同。MPA外壳通过橡胶轴承连接到支架。

借助于模态分析和工作模式振动分析，可以首先优化结构变形（加肋条）和橡胶轴承的位置，如图所示，这对结构噪声和空气噪声响行为都有积极影响。为了减少结构噪声的传播，橡胶轴承本身也进行了相应的优化。这与两个发动机和橡胶轴承供应商的早期参与关系重大。



这同样适用于液压泵和管路的调整。泵的运行速度及其谐波以及线路中的压力振荡会产生空气噪声和结构噪声。在车外和车内的泵的关系重大的相关噪声的频率范围为，1至16kHz。

还需特别注意利用相应的调谐器对导油软管进行优化，以尽量减少液压振动，对此，有一套结合模拟和试验平台的专门的设计方法。如果液压管路与车辆部件，特别是车身直接接触，软管调谐的成功可能的可能性会受到影响，甚至在车辆中无效（为什么）。这可能会导致室内噪声级别增加10或更多dB（A）。
在车辆集成到装配过程中，与车辆制造商密切合作有助于确保这里的成功。

最后，当将MPA容纳在车辆中时，针对不同的车前面提到的声学行为是由差异的。

MPA与转向器的连接是有利的，因为在MPA作用附近，通过橡胶元件（MPA=>支架，转向器=>车辆）的双重绝缘和大质量（内燃机）的阻尼和绝缘。在保险杠或防溅板区域分离的情况下，这些“救济措施”将缺失。

同样，在这两种情况下，都需要与汽车制造商密切合作。

4：要求不断的进步（Ständiger Fortschritt gefordert）

近年来，汽车行业对噪音质量的需求显着增加，这也要求所用工具的不断发展。

如果对噪声的协调做的很成功，将大大缩短车辆开发的时间。特别关键的是，能够展示出声学代表性的车辆，通常在项目中很晚才能出现。

为了解决这个难题，TRW Automotive开始了两个开发项目：用于预测电动液压转向系统和机电转向系统的噪声行为的预测工具以及一个移动低反射测试空间。基于对转向系统在测试台上的测试或测量的类似车辆的声学传递行为，预测工具可以实现对后续生产车辆的声学相关频率范围内的噪声行为的预测。然后可以在早期阶段，估计转向系统中设计变化的声学效果。



图中的移动噪声室是在两个12米的海运集装箱的基础上开发的，以便能够贴近客户进行测试，尤其是当预生产车辆不允许离开工厂时。通过使用整体深度较小的特殊无纤维宽带紧凑型吸波材料，可以创建符合DIN45 635，T.1或ISO 3745的尺寸为6.3 mx 4.2 mx2.3 m和低至100Hz截止基础频率的消声室。

这个设计使得可以在很短的时间内在现场进行声学检测，几乎可以检测所有尺寸的汽车。

5：结论（Zusammenfassung）

NVH优化与现代制动和转向系统的开发周期保持一致和早期整合，并且所使用的工具和方法的创新扩展保证了“无噪音”的项目顺序并提高了客户满意度。
在本文中，介绍了TRW多年来成功使用的这种综合概念。成功的前提是所有人，车辆制造商和系统组件供应商的合作参与。

6：文献引用（Literaturhinweis）

[ 1 ] WiertzA.; Gessat J.: „Eine neue Generation elektrohydraulischer Servolenkungen –Generation C. In: ATZ 107 (2005), Nr. 8

来源：ATZ -Automobiltechnische Zeitschrift September 2005, Volume 107, Issue 9, pp 728–735

引用：Kaster,T., Kostyra, H. & Treyde, T. ATZ Automobiltech Z (2005) 107: 728. https://doi.org/10.1007/BF03223122

文末笔者贴一张BMW i3上所用的电子手刹（EPB）的变速器部分的大致内部图：