整车性能及NVH性能的开发与管理
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近几年，国内汽车工业的飞速发展，不仅提高了人们的生活节奏和品质，同时也带动了社会生产力的发展。如今，各个汽车公司的竞争越来越激烈，人们对汽车的要求也随之提高。要想提高竞争力，除了有吸引眼球的外观造型外，最关键的还是汽车的整车性能。整车性能涉及到各个专业部门，需要由一个部门牵头全权组织和负责，其他各专业部门一起配合完成。本文以某自主研发越野车为例，首先详细阐述了整车性能的定义和分类，然后侧重介绍整车NVH性能的开发流程。通过本文的研究可以得到整车性能的开发流程和管理规范。
本文主要内容：
整车性能定义和分类；
整车性能开发流程；
整车 NVH性能；
整车NVH性能分析；
总结。
1 整车性能定义和分类
1.1 整车性能的定义
整车性能是一个广义的概念，涉及到汽车的方方面面。来源是客户的感受[1]。我们在进行汽车设计开发时，不仅要考虑汽车物理结构的设计，更要考虑汽车结构所具有的满足客户需求的内在特性，这些特性即为整车性能。简言之，整车性能是适应各种使用条件、满足顾客使用需求及社会环境需求的能力。
1.2 整车性能的分类
按照整车性能的定义，根据用户使用感受和社会环境需求，将整车性能划分为使用环境、物理特性、产品性能和可靠性。
使用环境：主要定义车辆在目标寿命内在销售区域中可能面临的环境条件。主要定义使用环境的温度范围和海拔高度。
物理特性是指汽车外在的、可以直接看到的一些性能。包括汽车造型、色彩；尺寸和容积；整车重量；空气动力学等等。
产品性能是指汽车具有的，能够满足用户和环境需求的性能。包括噪声与振动性能（NVH性能）；碰撞安全性能；动力性能；操稳平顺性能；燃油经济性能；环境温度性能；乘坐舒适性能；排放性能；制动性能；电子系统性能；座椅及约束系统的舒适性；娱乐音响系统；灯光系统等等。
可靠性能是指整车及关键部件在目标寿命内可靠耐久性能，主要包括整车可靠耐久性能、关键部件可靠性要求、耐腐蚀性等等。
2 整车性能开发流程
整车性能开发涉及到各个专业的方方面面。首先，在项目开发初期，需要考虑市场和用户需求、法规要求以及研发制造能力，结合对标杆车的性能进行分析，综合这些因素得到研制车辆的整车性能目标。然后，在设计阶段，需要结合经验和CAE分析（包括NVH性能分析、强度耐久性能分析、流程分析、动力性经济性性能计算、碰撞安全性能计算等等），将整车性能指标转换到部件级的性能指标，用于指导结构专业进行设计。最后，在试制阶段，通过样车的整车性能试验，对整车性能指标进行验证和优化。参见流程图1。
图1 整车性能开发流程图
针对以上流程，这里分别介绍各个环节的内容。
市场和用户需求研究，主要是用来定义样车的基本结构及技术等，包括市场样车调研，用户信息调研，技术路线研究等。
标准法规研究，是依据目标市场对开发产品的技术法规要求，结合国内标准，进行有针对性的目标区域法规解读与适应性分析，确保产品符合当地法规要求。
研发制造能力，在制定性能目标时，不能盲目追求高性能，必须考虑实际的设计能力、生产周期、成本预算、项目节点等。
对标杆样车进行性能研究，可以采取CAE和试验两种方法，相比之下，试验的方法更加方便快捷。因此，现在各大主机厂主要采取试验测试的分析手段，包括主观试验和客观试验。
在整车性能开发过程中，最重要的文件是整车技术规范（VTS），这是一个车型开发过程中在技术领域最核心的文件。
试验验证及优化是通过对样车进行各性能试验来验证整车性能指标达标率，并且根据试验结果对性能指标进行优化。
本文将以某自主研发的越野车整车NVH性能目标的制定和管控为例进行详细说明，其他性能的开发管理流程与此类似。
3 整车 NVH性能
在汽车界，人们谈论噪声与振动时，通常采用一个词NVH，即是噪声（Noise）、振动（Vibration）和不舒适（Harshness）三个英文单词首字母的简写[2]。NVH性能是用户买车时的重要因素。在所有顾客不满意的问题中，约有1/3是与NVH有关。约有1/5的售后服务与NVH有关[3]。
整车NVH性能是一门非常复杂的学科，涉及很多专业，如动力传动系统、车身系统等。其分析手段也比较成熟，主要的分析方法有CAE分析和试验测试。CAE的主要分析内容包括模态分析（包括整车模态、车身模态、车架模态等）、噪声传递函数分析、连接点动刚度分析等。试验测试的主要内容包括通过噪声测试、整车怠速振动和噪声、整车加速车内振动噪声等。
4 整车NVH性能分析
整车NVH性能分析是建立在所有系统和部件的NVH分析及激励源分析基础上的。在整车设计开发过程中，按照整车性能开发流程，NVH特性的研究可以分为四个阶段：整车目标的确定、子系统目标的部署、性能目标的实现、样车的试验与调整[4]。
4.1 整车目标的确定
在制定整车的噪声与振动性能指标前，要考虑四方面因素：第一是国家法规标准。目前现行的强制法规只有一项——通过噪声标准即《GB1495汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》，其中针对越野车的通过噪声限值为75dB(A)。第二是顾客要求。需要市场部门通过做市场调查，制定用户需求。第三是公司的设计制造能力。第四是对标车的性能指标。
得到对标车的性能指标最方便可行的方法就是试验测试。按照国家法规和企业标准对对标车进行试验，试验内容包括车外加速通过噪声、怠速振动和噪声、加速车内振动和噪声以及匀速车内振动和噪声。试验过程中用传声器记录车内噪声，主要是在驾驶员右耳处（DRE）和副驾后侧乘员左耳处（RRL）布置麦克风，用加速度传感器在方向盘最顶端（SW），座椅导轨处（SR）记录振动信号。通过测试软件，如LMS TEST.LAB，对试验数据进行处理，得到对标车性能测试结果，见表1。并且结合研发车辆的实际设计制造能力和国家法规，制定出本文研发越野车辆对应的各项性能指标，见表1。
表1 对标车性能测试结果
4.2 子系统目标的部署
除了以上试验分析得到的整车NVH指标外，还有一项重要的NVH性能——车辆结构模态特性。在汽车开发过程中，各个系统的开发既相互关联又相互独立。为了避免相连系统出现共振，人们往往会规定各系统的模态频率范围，即分配各子系统的模态目标值。通常采用CAE的方法得到，而对于对标车的结构模态特性，这需要花费大量的拆解和建模工作。因此，最快捷有效的方法是参考企业已有车型的数据库，结合设计经验，还需考虑避开发动机激励频率，由此得到整车及各主要部件的模态分布，见图2。
图2 各部件模态频率分布图
4.3性能目标的实现
得到各系统部件的模态频率分布后，对各部件进行CAE建模计算。现在常用的比较成熟的理论和方法是有限元方法（FEM）。它不仅适用于车身结构振动，还可以进行驾驶室内部空腔噪声分析。首先，使用建模软件Hypermesh建立整车的有限元模型。然后，通过求解器Nastran进行模态计算。并与图2中的各主要系统目标值进行对比。最后通过修改模型参数，使计算值与目标接近。具体的可以修改的模型参数包括：
1、 结构的形状：可以采取形状优化、尺寸优化等结构优化方法；
2、 材料属性，比如车架与车身连接缓冲块的刚度，动力总成悬置刚度，改变重量等；
3、 工艺方法，比如焊点位置，焊接形式，增加补强板等等。
以关键部件转向系统的模态分析为例进行分析。怠速时转向系统的振动是NVH性能的重要响应特征。因此，转向系统的模态频率要高于发动机怠速激励频率，根据经验值及同类型车辆的模态频率数据，一般将转向系统的模态频率定为>30Hz。
首先在CAD软件中建立转向系统初版数模的结构模型，见图3。然后在有限元软件中划分网格，采用带有部分车身结构的约束状态，这样能更真实的反映在实车中的状态。并进行初步模态计算得到初版数模的第一阶垂向弯曲模态和第一阶侧向弯曲模态。其模态频率见表2中第一阶段数值。对比图2中的模态分布图，相差较大，并且接近发动机怠速频率，容易产生共振。
图3 转向系统结构数模
为了避免产生共振，需要远离发动机怠速激励频率，提高转向系统的模态频率。因为模态频率与模型的刚度成正比，与模型的重量成反比，所以对数模进行修改时，可以采取提高刚度降低重量的方法。这里刚度不仅指结构件本身的刚度，也包括连接件的刚度以及连接处的刚度。本文针对实际情况，提高与转向管柱相连件的刚度以及支撑处的刚度。具体措施为，将转向管柱上吊点支架结构改变为封闭式结构如图4；增加IP骨架H梁支撑宽度；增加IP管梁外管径和厚度。
重新进行模态计算，得到模态频率见表2中第二阶段数值。与图2中的转向系统模态目标值接近。图5为一阶垂向弯曲模态振型；图6为一阶侧向弯曲模态振型。
表2 转向系统模态频率(单位：Hz)
振型 第一阶段数值 第二阶段数值
一阶垂向弯曲模态 28.4 32.39
一阶侧向弯曲模态 30.5 38.9
图4 转向管柱上吊点支架结构更改前与更改后
图5 一阶垂向弯曲模态
4.4样车试验与调整
在样车试制阶段，要对其NVH性能进行试验验证。一方面是为了验证和调整CAE分析模型；另一方面是为了研究实际样车与对标车的差别。从第一批样车到正式生产之前，大约进行三轮。第一轮对NVH性能进行摸底，找出与目标值的差距，分析原因，并提出整改建议。第二轮，对整改后的样车NVH性能再进行验证。第三轮对正式生产之前的样车进行复验。
除客观测试以外，还有主观评价。主要是在不同路况和工况下，由经验丰富的工程师，对各辅助系统及子系统引起的整车车内噪声、车辆关键部位的振动水平进行评价。
按照国标与企业内部试验标准，对初样车进行测试。试验过程中记录车外加速噪声，以及车内噪声。主要是在驾驶员右耳处（DRE）和副驾后侧乘员左耳处（RRL）布置麦克风，用加速度传感器在方向盘最顶端（SW），座椅导轨处（SR）记录振动信号。对测得的振动和噪声数据进行整理，并与本样车的目标值进行对比，见表3。
表3 样车试验值
从表3中可以看出，在初样车阶段，有很多性能指标达不到目标值要求。对样车采取减振降噪措施。主要有：
（1） 进气系统的改进。
进气系统的噪声主要是指进气口处的噪声，对该越野车来说，进气口噪声是车内噪声以及通过噪声的主要来源。改善措施主要有增加进气引管、优化空气滤清器等。考虑到成本和周期问题，本文采用增加进气引管的方案，这里选用的是金属编织管，见图7。它的优点是便于造型和布置，吸声效果好。
图7 编织管
（2） 传动系统和后桥系统的改进。
传动系统由于受到发动机的扭振激励，所以其振动形式主要是扭转振动。而决定固有频率的因素有：抗扭刚度和转动惯量。抗扭刚度的改变相对于转动惯量较容易，所以这里采用的方式是改变离合器的抗扭刚度。使其在保证传递扭矩的前提下，降低从动盘的扭转刚度，从而将固有频率移出到常用转速范围外，避免引起传动系统的共振。
通过分析后桥的振动模态以及主观评价时，发现在某特定转速下引起了后桥的上下弯曲共振。针对本样车，考虑到改变后桥固有模态的可行性较差，因此采用在后桥桥壳上增加吸振器的措施，见图8。包括质量块、橡胶块、固定件三部分组成。通过调整质量块的质量和橡胶块的硬度，使吸振器系统的固有频率与后桥的共振频率相近，达到转移和消耗后桥共振能量，降低整车振动和噪声的目的，同时对整车质量和布置的影响非常小。
图8 吸振器
（3）声学包装优化
车身声学包装的好坏直接影响到驾乘的舒适性，因此，除了需要对振动噪声的源头进行改进，还要对噪声的传递环节进行优化。对于本样车的声学包装，采取的措施包括：增加中通道隔音垫；增加前围隔音垫在踏板区域和前围两侧的覆盖面积；增加堵孔材料厚度（增加贴片对无用孔进行封堵）；翼子板与A柱下侧之间增加泡棉件；前风挡玻璃框架与空气室之间密封条结构优化；重新优化声腔隔断的布置方案。通过以上措施，可以有效的降低发动机、变速箱的噪声以及风噪和路噪传到驾驶室内。
将以上措施体现到OTS阶段的样车中，然后对OTS样车进行整车NVH测试。得到的测试结果见表3中OTS阶段样车数值，明显好于初样车阶段的测试值，并且基本满足VTS中的目标值。
5 总结
本文以某自主研发的越野车为研究对象，详细介绍了整车技术规范（VTS）中整车NVH性能的目标制定依据、子系统NVH性能分解流程、NVH性能目标的实现方法、样车NVH试验验证方法。通过本文不仅可以得到整车NVH性能的开发流程，还可以类推出其他各项性能的制定方法和管理流程。
整车VTS中各个性能在制定过程中不是独立的，是相互关联又相互制约的关系。例如重量性能关系到整车的动力性、经济性和制动性；操纵稳定性的部分性能与NVH性能相冲突；整车结构件的强度性能与NVH性能相辅相成。由此看出，整车VTS的制定过程是一个典型的技术管理过程，以客户需求和市场定位为导向，通过协调各个部门，整合各种资源，不断平衡各个性能才能完成整车性能的开发。
参考文献：
[1] 胡亮、康飞等.整车性能开发综述.设计研究，2011年4月
[2] 庞剑等著. 汽车噪声与振动——理论与应用. 北京理工大学出版社，2008
[3] 庞剑.汽车性能开发与NVH.长安汽车股份有限公司
[4] 林逸，马天飞，姚为民，张建伟. 汽车NVH特性研究综述. 汽车工程 2002年（第24卷）第3期。
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