解析集成转向系统的NVH测试平台

题目：转向系统集成NVH测试平台（NVH-Prüfstand zur Integration von Lenksystemen）



导语：随着车辆中电动转向系统的逐步使用，NVH方面对于开发和应用的需求不断增加。作为与Siemens PLM Software Engineering合作开发的新方法的核心组成部分，ZF的转向系统业务部门为转向系统提供了一个特殊的NVH测试台。

综述：该文主要介绍了ZF研发的一套用于测量其电动化转向NVH性能的实验平台，试验平台配和LMS Virtual Lab等软件进行CAE模拟，从而实现对产品的测试和模拟改善的整套流程。文中主要按以下小标题进行阐述。

1：NVH要求越来越高（DIE NVH-ANFORDERUNGEN STEIGEN STETIG）

随着科技的发展，汽车终端客户和OEM汽车配件生产商对现代汽车的NVH性能要求越来越高，当然，对转向系统也是如此。尤其是近些年来，转向系统渐渐从液压（hydraulisch）转向辅助控制慢慢进化成电子转向辅助控制EPS（(Electric Power Steering)），越来越普遍，以前只是对小型车，现在对整个中型车甚至大型车都有应用。EPS的优点是可以通过实现需求导向制转向辅助来节省很多能源（不需要一直保持一个高的液压来为转向辅助实时做好准备）。但是新的问题是EPS的NVH性能在此过程中需要重点关注。

另外就是在汽车整车传动链电气化的过程中，整车由于辅助系统的产生的工作噪声会逐渐的显露出来，这是由于电驱动取代内燃机驱动之后，之前的这些辅助系统的噪声很大一部分会被内燃机遮盖，如今这部分噪声将显露出来，变得不可忽视。

2：研发方法（ENTWICKLUNGSMETHODIK）

为了适应以上提到的这些新的要求，ZF必须在转向系统的研发和适应性优化过程中做出彻底的改变：相较于先制造出可驾驶的车辆原型，并且定义了许多设计参数之后，再来校验车辆NVH行为，则应该在早期概念阶段尽早考虑NVH行为。这套新的研发方法是基于整个车辆的紧密整合，试验台测验调试以及使用CAE工具模拟（计算机辅助工程）三者结合而来。



在将理论计算转化到整个实际研发过程中，首先就需要将整车上的转向相关的参数转换到模拟模型中来。这其中包括转向装置本身，连接点以及噪声在整车中的传递路径。对NVH性能的设计以及验证不同的设计方案，首先考虑的就是进行计算机模拟。所以可以说测试平台是将虚拟（模拟）和实际（测试）连接起来的桥梁。

测试平台的要求：必须能够验证计算模型功能（Validierung），并在物理测试中验证模拟结果参数（Verifizierung）。因为只有这样，开发工程师才能根据计算结果制定NVH解决方案，这些计算甚至在实际车辆中也能获得理想的结果，并在测试台上快速高效地进行确认。

3：实验平台搭建（PRÜFSTANDSAUFBAU）

为了完成这个任务，ZF为转向系统开发了一个特殊的测试平台，它考虑到新开发过程对测试环境的特殊要求。开发的目标是一个测试台，其测量结果是中立的，不会伪造测试结果，并提供精确和可重复的结果。

为排除由于相对运动造成的干扰，实验平台的基座需要大质量和大刚度。为了排除外部振动激励对多整个测量的影响，通过气垫轴承解耦测试平台和环境的链接。在底板上，试验台的各个部件都是灵活布置的，因此可以测试不同几何形状和设计的转向器。所有在整车上的连接点的安装情况也可以在此平台上精确地复制。这为实现了能够获得有意义的，和整车情况匹配的测量结果的先决条件。



测试台的主要组件包括，直接连接到被测系统的转向柱或方向盘的驱动单元，以及转向柱和转向器的原始轴承部件的紧固支撑。而且，为了测量的准确性，测试台的这些元件的刚度非常高。

测试台的驱动单元通过测试系统的中央电子装置进行控制，并在测试运行期间带来转向扭矩。横向转向杆两端连接的是两个气缸（液压缸），用来模拟整车在实际行驶过程中转向时由地面传递的转向受载。

在设计执行器时，重点是在平稳运行，力量均匀，定位精度高的同时，实现快速，有效的操作控制。测试平台的信噪比SNR（Signal-to-noiseratio）很好，同时由于设计时已经考虑到，将测试平台的关键频率（固有频率）转移到整个转向系统的相关测试频率之外，所以整个测试平台在测试中效果很好。



4：传感器方案（SENSORKONZEPT）

转向噪声很大部分是结构噪声。转向装置的噪声源产生了内部动力，内部动力，并通过转向系统传递，并作为接口力，通过转向装置传递到车辆内部结构，最终作为气体噪声发散开来。

对传递路径的理解以及在所有空间方向上对传递力的测量都是量化内部转向引起的噪音比例的最合理的方法。直接测量接口力（Schnittstellenkraft）难度非常大，例如对此必须要有专有设备和传感器，这些都要通过CAE模型来设计，以使其在测试台环境中的动态行为与车内的动态行为相匹配。

由于这些对测试台设计的很高的要求，迄今为止是一个符合实际的想法是，在测量中记录表面加速度，然后将其与内部噪声相关联。

这种方法的缺点是，加速度的测量高度的与边界条件相关，即测量位置局部的动态性能。对此一个可接受的相关度品质要求依赖于测试样品的数量（一般来说测试样品数必须大于30）。还有就是比较测量和模拟加速度值的困难，因为这些加速度不是完全能从CAE模型中导出（为什么？）。相比之下，接口力在CAE模型中相对容易确定。

ZF的NVH部门设计和制造了自己的测量和关联流程，所以ZF如今采用测定接口力（Schnittstellenkraft）的方法来进行进一步研究。

5：实验进行（VERSUCHSDURCHFÜHRUNG）

测试平台可以测试不同的工作模式和和不同的研究内容。例如，可以追踪测试台上的实际路线轮廓和以及分析关于它们的NVH行为。

首先测试工程师将在实际道路驾驶中测量作用在横向转向杆的受力，并记录其线路轮廓。然后在测试平台上将这些力重新复制，并测量转向系统的反应。在一些其他的工作模式中，将人工操作驱动单元在变速箱中以正弦形式的转向运动进行。

横向转向杆两端的气缸（液压缸）只作为阻抗力考虑，噪声分析只针对转向中突出的部分。

6：实验数据分析及优化步骤（AUSWERTUNGDER MESSERGEBNISSE UND OPTIMIERUNGSSCHRITTE）

对整车的NVH行为的研究可以通过实验测试或者虚拟的传递路径分析（TPA）来进行。

在实验平台上测量的通过转向系统传递的力和加速度将作为模拟计算的输入量。

整车的NVH行为可以通过传递路径分析（TPA）来描述，即描述整个从力传递点到驾驶员的耳朵的噪声传递路径。ZF利用LMS Test.Lab 和LMS Virtual.Lab 软件工具开发出了一套有效确定噪声问题，噪声起源，机械传递结构，以及评价结构改变后的效果。

一般来说，传递路径分析（TPA）是一种已经被证明的用于确定和描述噪声在结构中传递的有效工具，即从噪声源到噪声接受者。然后这需要将整车的所有噪声源和传递路径尽可能的精确的量化和模拟。在项目早期，即样车还没有被制造出来的时候，这项操作是很难的。ZF及其客户的Know-how有助于为有目的的评估建立重要的路径模型，对模型做出正确的假设和估计，并用具体的设计参数推进项目验证。

如果传递路径分析（TPA）显示，有一个或者多个频带上噪声突出，那就必须回溯到噪声源和主要的噪声传递路径，来进行噪声的确认。

例如，一个可以改善优化转向系统的NVH性能的可变参数是，连接转向系统和汽车的轴承连接点以及其轴套的结构动态特性。另外的其它噪声相关的部件或者组件的相关参数的改变，也可以用来作为改善噪声源的思考方面，例如转向系统中的电子控制单元和相关软件。

7：案例分析（FALLBEISPIEL）



例如，在某新型样车的测试中发现，当转向系统正转的时候会发现明显的噪声，而在反转的过程中却看不到这类噪声。这是一个设计上的缺陷，必须在系列车量产之前得到解决，以减少顾客抱怨和后期改善的费用。

图中左上角是在样车上厕所的数据结果，左下角是在实验平台上的复制测量的结果，发现实验重复性非常好。研发人员进行实验数据分析，发现这是一种阶次噪声，这个阶次噪声是和电机的结构是相关的，然后研究人员将利用CAE工具对电机结构进行研究。进一步研究还发现，这个噪声还和另一个未进行优化的轴承的固有频率有重叠。

所以改善措施就是：1：对电机的结构和控制程序进行微调，2：对轴承的关键频率范围进行改进，避免其和噪声频率重叠。

图中右上角就是改善后整车中的测量结果，右下角则是在实验平台上的测量结果。

根据帕累托原理（ABC分析），影响整体声音的各个噪声成分在实际优化之前被加权。



8：结论（ZUSAMMENFASSUNG）

通过这个转向系统测试平台，可以将转向系统的NVH问题利用合适的方案进行精确确定，为后续的模拟和传递路径分析提供了激励数据的可能。

这使其成为ZF新开发方法的核心支柱之一，该方法能够实现有针对性和高效率的NVH开发。新方法在概念和开发过程早期提供了可靠的结果，因此在批量生产开始之前不久就可以避免耗时费力的变更，而且还可以对现有设计进行调查和优化。