電控制動(dòng)助力系統(tǒng)NVH優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法研究

趙 飛

(上海匯眾汽車制造有限公司,上海 200120)

0 引言

當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)逐漸向智能化、電動(dòng)化方向發(fā)展,由此對(duì)汽車的各子系統(tǒng)提出了更高的性能要求。電控制動(dòng)系統(tǒng)作為智能駕駛的制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),其替代傳動(dòng)真空助力系統(tǒng)已成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì);電控制動(dòng)助力系統(tǒng)一般是由電子控制單元(ECU)、電機(jī)及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、踏板模擬器、液壓主缸等部分組成。其工作時(shí)由駕駛員踩踏板輸入推桿位移信號(hào),電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(多為齒輪、絲杠等組成),從而推動(dòng)制動(dòng)主缸建立液壓力實(shí)現(xiàn)制動(dòng)助力。

電機(jī)及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在工作過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲,并通過傳遞路徑由駕駛員感知。不良的駐車振動(dòng)噪聲表現(xiàn),會(huì)極大影響客戶的用車體驗(yàn),因此在電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)過程中,要對(duì)其NVH性能進(jìn)行優(yōu)化研究。本文以匯眾公司某電控制動(dòng)助力系統(tǒng)為研究對(duì)象,通過分析系統(tǒng)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理,搭建電控制動(dòng)系統(tǒng)CAE仿真分析模型,結(jié)合振動(dòng)噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行了系統(tǒng)NVH虛實(shí)結(jié)合開發(fā),實(shí)踐驗(yàn)證了一種有效的制動(dòng)助力系統(tǒng)NVH性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 噪聲產(chǎn)生機(jī)理及降噪方法研究

電控制動(dòng)助力系統(tǒng)工作時(shí),由駕駛員踩制動(dòng)踏板給出輸入推桿位移信號(hào),由ECU控制模塊根據(jù)駕駛員制動(dòng)請(qǐng)求計(jì)算制動(dòng)扭矩需求,再由電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),帶動(dòng)絲杠傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為軸向運(yùn)動(dòng),最后推動(dòng)主缸建立制動(dòng)壓力實(shí)現(xiàn)行車制動(dòng)。

制動(dòng)助力系統(tǒng)噪聲來源主要包括電機(jī)噪聲、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲、機(jī)械摩擦噪聲等,并經(jīng)結(jié)構(gòu)、空氣等路徑傳遞,最終由駕駛員感知。其中齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲是系統(tǒng)的主要噪聲來源。

1.1 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)激勵(lì)源

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲是電控制動(dòng)助力系統(tǒng)的主要噪聲來源,對(duì)齒輪系統(tǒng)噪聲發(fā)生機(jī)理的研究十分重要。

齒輪在傳動(dòng)嚙合過程中所承受的激勵(lì)力變化是產(chǎn)生齒輪噪聲的根本原因。這些激勵(lì)力一方面來自齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)本身的嚙合剛度變化,另一方面也與齒輪制造誤差、安裝誤差等因素有關(guān),同時(shí)外界輸入載荷的波動(dòng)、潤(rùn)滑不良等也會(huì)帶來激勵(lì)力。這三種激勵(lì)總體可定義為:嚙合時(shí)變剛度激勵(lì)、誤差激勵(lì)和嚙合沖擊激勵(lì)。

剛度激勵(lì)與誤差激勵(lì)屬于位移型激勵(lì),嚙合沖擊激勵(lì)屬于瞬態(tài)沖擊力激勵(lì),對(duì)于位移型動(dòng)態(tài)激勵(lì)可以用齒輪靜態(tài)傳遞誤差來描述,本文后續(xù)所述的傳遞誤差是嚙合剛度激勵(lì)、齒輪誤差激勵(lì)的綜合體現(xiàn)。

傳遞誤差定義為:從動(dòng)齒輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角的差值,通常用角度誤差Transmission Error來表示。

角度傳遞誤差的單位為μrad,計(jì)算公式如公式1所示

(1)

(2)

總體來看,產(chǎn)生齒輪噪聲的影響因素眾多,可從齒輪宏觀設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),包括齒輪模數(shù)、齒數(shù)、齒寬、重合度、齒輪材料等,也可通過齒輪修形等手段來提升加工制造精度等。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)降噪理論研究

電控制動(dòng)助力系統(tǒng)工作時(shí),其傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)能量是通過空氣傳播和結(jié)構(gòu)傳播兩種方式最終被駕駛員感知。因此系統(tǒng)的減振降噪,一方面靠噪聲源降噪來實(shí)現(xiàn),另一方面機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選型可起到降噪、減重等效果。為此,需要不斷探索有效的結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化方法,以期達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。有限元法模態(tài)分析等為結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)提供了技術(shù)方法。

制動(dòng)助力系統(tǒng)總成的結(jié)構(gòu)固有特性主要與系統(tǒng)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)剛度、支承條件等有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)外界約束條件一定時(shí),系統(tǒng)固有特性只取決于系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu),而與外部激勵(lì)無關(guān)。以模態(tài)分析為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),是近年來振動(dòng)噪聲領(lǐng)域開展得最廣泛的研究領(lǐng)域之一。模態(tài)分析是用于確定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有屬性,通常研究系統(tǒng)的固有頻率、模態(tài)振型及阻尼比。結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果有助于判斷機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理,并可據(jù)模態(tài)分析結(jié)果對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,避免傳動(dòng)激勵(lì)引發(fā)系統(tǒng)共振噪聲。同時(shí)模態(tài)分析是可作為求解系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的基礎(chǔ),例如瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析等,對(duì)于制動(dòng)助力系統(tǒng)可計(jì)算輻射噪聲等。

2 CAE仿真方法應(yīng)用研究

2.1 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)仿真研究

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲是電控制動(dòng)助力系統(tǒng)的主要噪聲源。對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行降噪研究,可通過開展齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)仿真,對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行正向優(yōu)化選型。

根據(jù)齒輪宏觀參數(shù),建立兩級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)化模型,將齒輪齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、齒寬、材料參數(shù)等定為正向設(shè)計(jì)參數(shù)。同時(shí)根據(jù)軸承類型設(shè)定選擇相應(yīng)軸承模型,匹配齒輪軸模型,最終建立起齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型,如圖1。同時(shí)將制動(dòng)助力系統(tǒng)支撐殼體有限元模型導(dǎo)入,根據(jù)實(shí)際安裝情況設(shè)定系統(tǒng)約束條件,最終建立電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)包含傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的多體剛?cè)狁詈夏Ｐ?如圖2所示。

圖1 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

圖2 多體剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ?/p>

兩級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng),以驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為扭矩輸入,分別設(shè)定扭矩為1.5 N·m, 2.3 N·m, 3.0 N·m,用以模擬制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低、中、高三種不同的制動(dòng)壓力。在仿真模型中分析齒輪模數(shù)、齒數(shù)、齒寬、重合度、齒輪材料等參數(shù)下系統(tǒng)傳遞誤差的影響規(guī)律,等效齒輪傳動(dòng)嚙合噪聲,進(jìn)行齒輪參數(shù)的正向選型。以齒輪材料為例,對(duì)比兩種齒輪材料1、材料2,進(jìn)行齒輪的傳遞誤差仿真分析。傳遞誤差峰峰值結(jié)果見圖3、圖4所示。

圖3 一級(jí)減速齒輪傳遞誤差峰峰值

從傳遞誤差峰峰值仿真結(jié)果可以看出,傳遞誤差總體與電機(jī)輸入扭矩呈現(xiàn)正相關(guān)規(guī)律,不同載荷工況下,材料1的傳遞誤差均明顯大于材料2的傳遞誤差。從仿真結(jié)果可以推測(cè),使用齒輪材料2相對(duì)有利于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的減振降噪。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)CAE仿真研究

對(duì)制動(dòng)助力系統(tǒng)來說,良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)選型可有效起到降噪、減重等效果。本文使用有限元法模態(tài)分析法等為結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐,在物理樣件驗(yàn)證前對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理進(jìn)行預(yù)測(cè),可有效縮短設(shè)計(jì)時(shí)間,提升研發(fā)效率及質(zhì)量。

隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展,非金屬材料在結(jié)構(gòu)殼體、齒輪注塑樣件等方向被越來越多地使用,其具有低振動(dòng)噪聲、自潤(rùn)滑、低成本、低重量等優(yōu)點(diǎn),在電控助力系統(tǒng)中也得到廣泛應(yīng)用。

本文應(yīng)用模態(tài)分析法,對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了分析對(duì)比。兩種結(jié)構(gòu)形式見圖5和圖6,材料選型對(duì)比見表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)形式材料對(duì)比

表2 結(jié)構(gòu)模態(tài)固有頻率對(duì)比

圖5 結(jié)構(gòu)形式一

圖6 結(jié)構(gòu)形式二

對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式下,系統(tǒng)約束模態(tài)進(jìn)行仿真對(duì)比分析。約束模態(tài)固有頻率對(duì)比見2,結(jié)構(gòu)二高階模態(tài)振型見圖7。分析可見,兩種結(jié)構(gòu)形式,低階模態(tài)主要為圍繞貫穿桿的彎曲、扭轉(zhuǎn)模態(tài),模態(tài)頻率及振型規(guī)律近似;從第七階模態(tài)開始,結(jié)構(gòu)二模態(tài)振型主要表現(xiàn)為后金屬殼體的局部模態(tài),從減振降噪角度,不利于系統(tǒng)1 000 Hz～3 000 Hz(制動(dòng)系統(tǒng)主要振動(dòng)噪聲頻帶)頻段的NVH表現(xiàn)。從結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真結(jié)果可以看出,使用非金屬材料前、后殼體的結(jié)構(gòu)形式一相對(duì)有利于制動(dòng)助力系統(tǒng)的整體減振降噪。

圖7 結(jié)構(gòu)形式二高階模態(tài)振型

2.3 總成輻射噪聲仿真研究

聲輻射是指聲源在介質(zhì)中形成聲場(chǎng)的過程,聲源是產(chǎn)生聲音的物體,它的振動(dòng)引起周圍的介質(zhì)振動(dòng),向遠(yuǎn)處傳播,從而形成聲波和聲場(chǎng)。電控制動(dòng)助力系統(tǒng)在工作過程中作為激勵(lì)源,同樣會(huì)向周圍輻射噪聲能量。

在聲學(xué)仿真軟件中,可以使用模態(tài)疊加法,疊加傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)激勵(lì)力,計(jì)算結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)響應(yīng),然后結(jié)合聲學(xué)有限元方法,可計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)向外聲場(chǎng)的輻射噪聲。將制動(dòng)助力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限元模型及結(jié)構(gòu)模態(tài)結(jié)果導(dǎo)入聲學(xué)仿真軟件,見圖8。在結(jié)構(gòu)網(wǎng)格基礎(chǔ)上,提取表面網(wǎng)格單元,建立殼體聲學(xué)面網(wǎng)格,并由此生成外部聲學(xué)有限元網(wǎng)格,見圖9。

圖8 結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格

圖9 外部聲學(xué)有限元網(wǎng)格

建立電控制動(dòng)助力系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)形式的輻射噪聲仿真模型,在殼體上方0.15 m,左側(cè)0.15 m,電機(jī)上方0.15 m位置設(shè)置三個(gè)輻射噪聲場(chǎng)點(diǎn),如圖10、圖11。

圖10 結(jié)構(gòu)1模型及輻射噪聲場(chǎng)點(diǎn)位置

圖11 結(jié)構(gòu)2模型及輻射噪聲場(chǎng)點(diǎn)位置

使用2.1節(jié)建立的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型,提取傳動(dòng)系統(tǒng)中殼體支撐軸承位置處的動(dòng)態(tài)激勵(lì)力,仿真在動(dòng)態(tài)激勵(lì)力下系統(tǒng)輻射噪聲的大小,計(jì)算各個(gè)場(chǎng)點(diǎn)在0～3000Hz頻段內(nèi)輻射噪聲有效值。兩種結(jié)構(gòu)形式下輻射噪聲結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同結(jié)構(gòu)形式輻射噪聲仿真結(jié)果對(duì)比

從輻射噪聲仿真結(jié)果上看,相同3%模態(tài)阻尼下,結(jié)構(gòu)形式一輻射噪聲較結(jié)構(gòu)形式二小4 dB(A)～5 dB(A);考慮結(jié)構(gòu)形式一殼體使用非金屬材料,采用5%模態(tài)阻尼,結(jié)構(gòu)形式二使用金屬殼體材料,采用3%模態(tài)阻尼,則結(jié)構(gòu)形式一輻射噪聲較結(jié)構(gòu)形式二小6 dB(A)～7 dB(A)?？傮w上,結(jié)構(gòu)形式一的NVH性能明顯優(yōu)于結(jié)構(gòu)形式二。

3 NVH優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法研究

3.1 NVH試驗(yàn)方法研究

對(duì)電控制動(dòng)助力系統(tǒng)進(jìn)行NVH優(yōu)化開發(fā),需要建立有效的電控助力器噪音評(píng)價(jià)方法。本試驗(yàn)在上海匯眾汽車制造有限公司整車半消聲室內(nèi)開展,試驗(yàn)室背景噪聲約20 dB(A)。

為將電控制動(dòng)助力系統(tǒng)正確安裝,設(shè)計(jì)了一套高剛度的試驗(yàn)臺(tái)架及無噪音鋼瓶負(fù)載。NVH測(cè)試儀器包括:麥克風(fēng)、加速度計(jì)、拉線位移傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集儀、筆記本電腦等。在電控助力器金屬殼體表面布置加速度計(jì),在總成周圍近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)分別布置麥克風(fēng)傳感器,見如圖13所示。

圖13 電控助力器NVH測(cè)試臺(tái)架

為準(zhǔn)確客觀評(píng)價(jià)電控制動(dòng)助力系統(tǒng)噪音表現(xiàn),建立了一種以輸入推桿速度為標(biāo)尺的NVH評(píng)價(jià)方法,可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確量化的低速、中速、高速制動(dòng)工況NVH測(cè)試。同時(shí)使用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件,識(shí)別并處理低速、中速、高速工況試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)虛實(shí)驗(yàn)證

將齒輪齒數(shù)、齒寬、材料參數(shù)等定為正向設(shè)計(jì)參數(shù),結(jié)合NVH臺(tái)架進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合驗(yàn)證,以齒輪材料為例,將總成樣件換裝不同材料齒輪樣件進(jìn)行NVH驗(yàn)證,NVH試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示:

圖14 不同材料齒輪樣件下總成NVH試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

NVH試驗(yàn)結(jié)果表明,不同制動(dòng)速度下,裝配齒輪材料1較齒輪材料2狀態(tài),總成噪聲高約3 dB(A)～5 dB(A)。噪音試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與齒輪傳遞誤差仿真結(jié)果的趨勢(shì)一致,驗(yàn)證了3.1齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)仿真方法的有效性,可通過仿真手段準(zhǔn)確預(yù)測(cè)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的NVH表現(xiàn)。

3.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)形式虛實(shí)驗(yàn)證

將機(jī)械兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行NVH虛實(shí)結(jié)合驗(yàn)證,開展電控制動(dòng)總成結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二兩種形式的NVH試驗(yàn)驗(yàn)證,測(cè)試樣本均選取5個(gè)以上,NVH對(duì)比結(jié)果如圖15所示。

圖15 不同結(jié)構(gòu)形式NVH試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

NVH試驗(yàn)結(jié)果表明,低速、中速、高速制動(dòng)工況,結(jié)構(gòu)形式一較結(jié)構(gòu)形式二總成噪音分別低2.0 dB(A)、3.6 dB(A)、5.8 dB(A)。NVH試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真結(jié)果、輻射噪聲仿真結(jié)果的趨勢(shì)一致,驗(yàn)證機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真正向選型方法的有效性,亦說明使用非金屬前、后端蓋有利于制動(dòng)系統(tǒng)的減振降噪。

3.4 電機(jī)控制算法優(yōu)化驗(yàn)證

電控制動(dòng)助力系統(tǒng)是電控集成系統(tǒng),電機(jī)作為助力扭矩來源,其控制算法的優(yōu)劣將影響系統(tǒng)制動(dòng)性能的表現(xiàn),同時(shí)也將對(duì)系統(tǒng)NVH性能有顯著影響。在電控制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)中,需要評(píng)估電機(jī)控制算法邏輯對(duì)噪音表現(xiàn)的影響。

大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試表明,系統(tǒng)噪音表現(xiàn)與電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速成正相關(guān),因此可從電機(jī)整體降速、電機(jī)助力算法控制優(yōu)化兩方面開展。電機(jī)整體降速可通過匹配不同車型,選取滿足制動(dòng)性能要求傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

本節(jié)將以電機(jī)助力控制優(yōu)化來開展NVH降噪。以釋放制動(dòng)踏板工況為例,早期開發(fā)中發(fā)現(xiàn)算法匹配后出現(xiàn)回程末端因電機(jī)轉(zhuǎn)速突變帶來異響問題。針對(duì)該問題,在臺(tái)架及整車上開展算法標(biāo)定優(yōu)化,特定工況優(yōu)化轉(zhuǎn)速突變后降噪效果顯著,達(dá)10 dB(A)以上,見圖16,效果顯著。

圖16 釋放踏板工況,電機(jī)控制優(yōu)化

4 結(jié)論

(1)電控制動(dòng)助力系統(tǒng)噪音問題是系統(tǒng)性問題,影響因素繁多,需要設(shè)計(jì)有效的NVH優(yōu)化及驗(yàn)證方法,來有效應(yīng)對(duì)電控制動(dòng)系統(tǒng)的減振降噪。

(2)CAE仿真技術(shù)的應(yīng)用,可有效縮短開發(fā)周期、提高開發(fā)效率、提升開發(fā)質(zhì)量,運(yùn)用仿真手段可對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)布置形式等技術(shù)方案進(jìn)行正向選型,在產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域具有重要工程價(jià)值。

(3)通過對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲機(jī)理研究、機(jī)械結(jié)構(gòu)降噪選型、仿真分析與試驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合、電機(jī)控制優(yōu)化等技術(shù)手段,開發(fā)并實(shí)踐驗(yàn)證了一種有效的電控制動(dòng)助力系統(tǒng)NVH優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。