不同车辆的制动系统呈现出不同的声学特性。优质的振动装置是实现静音制动的必要条件。复杂的特征值分析说明在模拟过程中出现了不稳定的操作条件。实验模态分析的结果确保模型能以最大精度进行升级更新。三维扫描式激光测振仪能通过自下而上的方法验证小型组件，例如制动片。即使在带空调的NVH测试台进行最终测试时，测量技术仍保持不变。高空间分辨率可记录以啸叫为主要特征的高频模态。非接触式测量技术甚至还能测量热制动片的振动特性，以排除故障和验证模型。PSV3DXtraoffersenormousadvantagesfortiremeasurementsNosurfacepreparationneededHighspeedpossible(>100km/h)ODS@100km/h※更多案例信息，请与我们联系
轻量化结构是形成更好结构的基础。从这方面而言，车身外壳具有最大优化潜力。由碳纤维增强塑料制成的高强度钢、铝以及复合材料可用于替代汽车车体钢。诸如焊接和铆接等接合方法已被纳入生产工艺过程，当无法确定接合衰减的确认度时，模拟计算时易出现错误。因此，在FE模型验证中，来自实验模态分析的证据比以往任何时候都更为重要。如今，测量时很少用到原型，优化步骤需要更快更可靠。甚至轻型车身也容易发出噪音，这正是高频模态验证成为未来声学计算方面主题的原因。经过良好验证的库存模型通常被用作下一代的基础。模型越好，就能越早计算出新车辆的性能。轻型车身需要轻量级的测量技术，所以激光是理想的传感器。基于3D扫描式激光测振仪和带工业机器人的全自动RoboVib测振站的完美解决方案：零质量负载，以避免对样品的影响可以直接从FE模型获得测量几何自动测量可节省时间高空间分辨率允许验证声学模拟※更多案例信息，请与我们联系
除了汽车的运行可靠性和安全性，汽车制动时的舒适性越来越受到消费者的重视，如何做到“无声刹车”，对汽车制造商而言无疑是一个重大挑战。3-D扫描式激光测振仪与有限元模型分析的结合，使得这个问题得以轻松解决。噪音和振动的最优化控制是产品设计和开发过程中的至关重要环节，并因计算机辅助模拟技术快速发展而取得了很大进步。基于复杂的本征值分析的制动噪音计算（包含预估制动噪音），已经成为很多汽车生产商和供应商的标准应用程序。然而这种方法计算出的不稳定模态往往超过真实情况，并且在实验初步阶段很难获知系统的所有参数。因此，无论多先进成熟的建模技术，也离不开过硬的测试技术来支撑。只有当仿真结果与实际测量值非常接近时，才能确保有限元模型的有效性和可选性。用于本征值分析的FE模型部件图（左）和受夹紧和圆周力的振型（右）刹车系统在刹车测力计上刹车系统完整的三维模态振型不同摩擦系数下两种模态附加质量的影响导致制动钳结构性失衡刹车盘刚度的改变导致的结构性失衡（直线型和弯曲型通风沟）※更多案例信息，请与我们联系
01近轮电驱动的研究自2011年以来，电动汽车的研究日益成为德国马格德堡大学(OttovonGuerickeUniversityMagdeburg)的研究重点。Editha工作小组以Smart两座版MC450为基础开发了几个电驱动概念。其目的是开发一种适用于大众驾驶的原型，利用轮边驱动概念获得更好的空间利用率，为牵引蓄电池留出更大空间。图1用于研究车辆上的轮毂电机(©OVGU)2012年，概念车Editha1完成，并获得道路行驶的正式批准和认可。驱动概念的核心是两个直流电动机，通过一个单级行星齿轮直接刚性安装在后轴上。这一概念得到一进步发展后，Editha2使用永磁同步电机取代直流电机，并改善传动系统。到了Editha3，轮毂电机又取代了永磁同步电机，如图1所示。这种轮毂电机是由移动系统研究所开发。这样做的目的是为了使整个传动系统和汽车内部的行星齿轮更为紧凑，从而为电池提供更大空间。另一个优点是可独立控制每个车轮，实现更智能的车辆动力学控制。所研制的轮毂电机为外置转子电机，通过气隙绕组与额外线槽绕组相结合，实现高功率密度。由于采用分散驱动概念，Editha三款车的簧下质量都增加了。附加质量对车轮的影响是力学研究所试验和仿真研究课题之一。除了垂直动力学受到影响外，轮毂电机的声音辐射也是一个重要问题。因为电机被放置在轮毂上，其较大的扁平部件会导致噪音增加。尽管通常认为电动机的噪音比内燃机小，但还是非常有必要去评估电动汽车的声学性能。一方面，电机发出的高频噪音，即使在低音量下，也易引起驾乘人员的不适。另一方面，其它噪声源也都不再受到掩盖，将一一暴露出来。由于使用了轮毂电机，因此车身的声学屏蔽就不存在了，被动侧的测试很难实现。试验分析旨在为复杂的仿真模型提供验证基础，从整体角度考虑连锁反应，这意味着需要将所有相关的激励源和传递现象考虑在内，利用已验证的数值模型和计算机辅助优化技术来改善轮毂原型的声学特性。02使用扫描式激光测振仪进行结构研究生成整个系统的仿真模型后，这些模型在稳态系统中使用常规的试验振动分析验证，包括零部件级和装配级验证。本次实验使用的是Polytec公司的一维扫描式激光多普勒测振仪，如图2(左)所示。图2用于验证测试的实验装置(左)和实验及数值振动分析的结果(右)(©OVGU)测量时，使用高分子聚合线将轮毂电机悬吊在铝型材框架上，因为这种自由-自由安装特别适合对比数值模型与试验振动分析结果。图2（左）显示了该被测电机的安装是典型的被测物安装方式。其他边界条件，如夹紧或固定连接，在有限元模型中很难与实验[2]的边界条件统一。实验目的是使仿真模型和实验模型之间能够很好地匹配，而由于边界条件的影响而产生的不确定性会导致仿真模型与试验模型匹配花费大量的时间。为了避免外部激励与被测结构因耦合产生的不确定的边界条件，我们使用力锤激励，以保证自由边界条件不变。激励必须是可重复的，对测量网格的每个扫描点和相应的平均值，都要重复激励。因此，将力锤的头部安装在电动激振器上，请见图2左侧的蓝色椭圆框内。图2(右)是轮毂电机试验结果(第一行)与仿真计算结果(中间行)的对比，5个明显的自然频率结果。比对结果是由激光测振仪测试的电机外表面。我们可以看出，尽管部件间有若干装配连接，仿真模型依然能够很好地预测复杂整体系统的振动响应。在这种情况下，固有频率和固有振动模态都有很好的匹配。另在图2右第三行显示了整个轮毂电机的特征模态，与激光测振手段相比，数值计算能获得整个系统更好的振动特性数据。第一列和第三列显示的是侧面测试结果，一些关键区域未被测量，因此不代表整个系统的特征模态。这体现了数值振动分析的价值，因其提供被测结构所有领域的信息。尽管如此，我们仍然建议用实验数据来验证仿真模型的预测能力。03测试原理及实验搭建对于发动机声振特性的评估，了解其整个系统在运行期间的性能尤为重要。因此，我们对电驱轮毂电机不同稳态工作点进行了振动实验分析，为[3,4]提出的整体仿真方法获得广泛的验证依据。一维扫描式激光测振仪用于测量轮毂电机的工作振动。电机结构由电气激励，因此电机必须工作以进行工作振动测量。由于轮毂电机设计为外置转子电机，转子作为电机壳体与轮辋一起旋转，用传统的加速度计无法测量转子的局部面外振动。因此，我们在PSV前安装了一个可旋转的玻璃棱镜。因此，即使测振仪并不旋转，仍然可以按照提前设置好的测量网格对旋转表面进行测量，这就是Polytec用于测量的反旋器。另有一个固定单点式激光测振仪用于提供参考信号，目的是为每个测点提供准确的相位参考。实验搭建如图3所示。图3轮毂电机工作时的振动分析实验搭建(©OVGU)电动闸(见图3左)用于施加不同的负载，以实现不同的稳态工作点。在样机阶段，轮毂电机的电路被安装在定子外部。而在后期使用时，其将被集成至轮毂电机。反旋器玻璃棱镜的角速度必须与被测物的角速度保持完全同步，本次试验使用的是增量编码脉冲为1024的增量编码器来完成。编码器与被测结构之间必须是抗扭刚性连接，否则不能准确检测被测结构的角度位置，也不能以正确的速度驱动棱镜，造成测量实际位置与预设测点位置发生偏转，从而位置参考不再正确。反旋器、扫描式激光测振仪和用于参考的单点式激光测振仪均被安装在可调底座上，它们都必须与被测结构的旋转轴精确对准，以确保测试结果真实可靠。04测试结果本节是光学测振方法的测试结果，具有典型意义。图4测量表面上不同工作点的平均振幅谱图(©OVGU)图4显示的是不同负载和速度变化情况下，测量网格各点的平均振动幅值的频响函数。正如预期，高负载和高速度均会导致更明显的声学特性，我们可以清楚地看到电机典型的声频组成。此外，在3.7~4kHz的频率范围具有很高的幅值。图5显示了稳态怠速时的典型结果及平均频谱图，及最为明显的振动模态。值得注意的是，系统存在对称和非对称两种振动模式。由于转子采用对称设计，预期仅有对称的工作模态，如同在稳态系统中测量所得，如图2所示。非对称模态是非对称电激励或非对称边界条件的明确标志。图5怠速时，具有明显振动模态的所有测点的平均振动幅频谱(©OVGU)作为对比，图6显示了在同等速度和特定扭矩下的工作模态。与图5相反，它没有显示出对称的振动模态。图6所示工作点的电激励力明显较高，可以得出电机运行时的非对称振动模式可能是由空间上不均匀的电激励所引起的。图6稳定运行时，具有明显振动模态的测点的平均振动幅值(©OVGU)由于轮毂电机的光学测量是在运行期间进行，在目前情况下，可为明显的声学问题做出解释，但仍待进一步研究。一旦问题得以解决，试验工作模态分析就可反复进行。所得结果可为整体模拟方法提供初步验证依据。05总结与展望本文介绍的是作为特殊电驱动装置的新型轮毂电机在运行过程中的光学振动分析，试验地点为德国马格德堡大学。试验结果表明，采用光学振动测量可以有效地参数化声振特性及解决噪音问题。目前，工厂所制发动机与本文测量的电机有很大不同：从磁路的基本设计到外部几何形状，再到电机主要部件的材料选择(铝、泡沫铝、纤维增强复合材料)。后续对新样机的试验模态分析将为整体模拟方法提供更为广泛的验证基础。我们的目的是使用合格的方法来全面了解系统和优化模型，以便未来能够在汽车的性能、轻量化设计和声学之间达最佳平衡。
1简介车内异响是一种非常复杂的噪音现象，影响汽车异响数量的因素有很多：包括材料副、表面加工、装配、部件间的相对位移、公差、路面载荷和生产装配等。其中一个因素“相对位移”与汽车异响息息相关。因此，在异响仿真时，两个相邻部件之间的相对运动是重要的关注点。在一辆普通的汽车中，因为不同的部件和仪器被安装在一起，仪表盘(见标题图)的内部装配的复杂性最高。为了避免异响问题，所有部件间的相对位移都需要进行控制。02参数定义通过详细研究仪表盘，在仿真模型中需应用一些重要的参数，用来计算相对位移（如下图1），这些参数对于所有与异响仿真有关的内饰总成部件均有效。全局刚度对相对位移有着重要影响，这些影响主要与内部安装点的数量和位置有关。局部刚度和卡扣刚度对相对位移也很重要。除刚度外，仿真时还需要考虑局部几何形状和两部件间的接触部位。此外，所施加载荷对异响问题也有决定性的影响。载荷水平过低可能不产生异响，载荷水平过高可能会导致其它问题。因此，定义一个恰当的载荷是非常重要的。相对位移是全局坐标系和局部坐标系下进行运算处理的仿真输出结果。图1异响仿真模型的参数定义在开发过程中会有不同类型的分析，这些分析的输出会根据内饰总成的细节程度来调整：·模态分析首先关注主要的结构部件·当结构变得越来越细化时，通过瞬态分析得出由脉冲载荷引起的整体结构部件间的相对位移·最后，使用频响分析法结合其它软件在整个细化模型上进行异响仿真。测试的加速度数据作为输入载荷，采用“SARline”法算出局部接触面几何形状。03模态分析和模态相关性OpelInsignia这款车的仪表盘包含了很多塑料零件，结构很复杂。相对于钢体结构的白车身而言，材料数据(如杨氏模量)和塑料部件的有限元(FE)不能很好地被定义。由于泡沫和衬垫与支撑结构构成一个复合体，所以不能利用材料供应商提供的数据直接进行仿真分析。因此，为了提高仿真性能，直接测量和模态相关性的工作就显得非常有必要。利用加速度传感器来获取结构的全局变形。如果相关性的主要结果是只有低阶模态能精确相关，而高阶模态却不相关，这说明塑料部件的数据必须考虑进行修改。04利用3D扫描式激光测振仪提高模态相关性为了提高全局和局部的模态相关水平，我们使用了德国Polytec公司的三维扫描式激光测振仪测量结构振动(如图2)。这种测量方法有两个显著的优点：第一，避免因使用相对较大的加速度传感器带来的质量载荷，测振仪和反光膜一起使用，测量轻量的内饰部件。第二，可以测量大量的测点，而使用单个加速度传感器测试的测点是很有限的。图2:使用3D扫描式激光测振仪测量仪表盘的ODS相关性分析工作的初步结果清楚地表明，线性仿真模型在局部水平上已得到大幅改进。这一改进能帮助工程师们更好地理解如何在仿真模型中以最佳方式准确连接各部件。该模型使用户能够在早期进行研究并反馈给设计工程师如何最有效地优化模型刚度，比如采用不同安装位置或不同的材料(如利用玻璃纤维增强)。设计准则包括模态频率和模态振型的一致性。通过研究模态振型，加筋和加强的位置可以很容易的识别出来。由于模态分析可以在非常早的设计阶段开始，因此有足够的时间进行优化。05激光测振仪是唯一可针对轻量化部件测试的设备扫描式测振仪能实现轻量部件的精确振动测量。传统方法使用接触式的加速度传感器，其附加质量和刚度会影响部件的动态响应。图3显示的是Insignia汽车的中控台内饰的仿真模型和试验搭建。测试结果表示该部件第一次的位移测试已经完成，三维扫描式激光测振仪的测试结果以UNV格式导出，随后导入至LMSTest软件测试以提取特征模态。将测量模态和计算模态都输入至LMSVirtuallab进行模态相关性分析。这个比较简单的FE模型能够精确地显示出了该部件的动态特性。前10阶特征模态显示出了相当好的MAC值(模态置信因子)，甚至考虑了所有的测试点，均高于0.8(见下表及图4)。图3:中控台仿真模型，夹具上待测的中控台内饰件图4:模态相关的MAC值总结与展望异响仿真的目的是为了尽可能准确地获取车身内饰件的动态特性，将相对位移与实际的异响现象关联起来。模态关联结果表明，通过使用改进后的塑性材料数据，该线性仿真模型能够准确计算出低阶全局模态(高阶模态相关性仍然较差)。这种能力也使模态分析成为能够在车身内饰设计早期阶段为设计师们提供帮助的强大工具。为提高模型局部的模态相关性，采用3D扫描式激光测振仪来测量内饰件的动态特性，这样我们可以更好地了解如何组装内饰件，将异响降到最低。
电动汽车的受众越来越广，近年来其所占市场份额不断攀升。除电池外，电动动力总成是电动汽车最重要的组成部分。下图是雷诺Zoe的动力总成，包括电动控制器(1)、定子(2)和转子(3)以及齿轮箱(4)。为什么要进行振动测试？为确保电动汽车的动力传动系统无故障工作，需要对其中绝大部分部件进行100%控制，这才有可能实现“零故障”的总体生产目标。此外，还要能迅速识别出新出现的故障，以便能以最快的方式来调整对策，避免将来再次出现类似故障。大量事实证明振动和噪声测试能够可靠地识别各种零件、生产和装配误差。除了上述故障识别外，部件的噪声水平也越来越受到人们的关注。这是由于除了主电机以外的其它部件发出的一些噪声(例如振动噪声)以前由于存在内燃机噪声而未被注意到，而现在则显现出来。采用非接触式振动测试系统的必要性与内燃机相比，电机的驱动速度(rpm)通常比内燃机快50%左右，通常在10000~20000转/分钟之间运行。如果除一阶分析之外，还需要更高的阶次分析(例如齿轮分析)，那么所需要频率范围就会更高。正是由于这种高频(由高转速和高阶次引起)需求，超过了通常用于内燃机传动系统质量控制的接触式加速度传感器的性能极限(由于共振频率导致的带宽限制)。此外，接触式传感器通常需要人工定位，这是另一个误差来源。最为重要的是，接触式传感器的测量需要有较长的等待时间，因为样品本身也是由接触式传感器来激励的。高转速是挑战之一。另一个挑战则是需要高信噪比(SNR)和非常高的采样精度来精确确定样品的旋转角度，例如齿轮传动装置。德国Polytec公司的LDV可以轻松应对这两个挑战，使它们成为确保动力总成部件质量控制的理想工具。电动动力总成中可能出现的故障可能是多种多样的，例如：·轴和轴承§不平衡§轴承损伤§不对中·齿轮§齿轮缺陷§齿形缺陷§齿距误差·由变频引起的部分励磁·共振·与电机相关的§转子偏心§与绕组故障有关的磁场误差案例一下面是关于齿轮测试的案例，介绍了Polytec公司的IVS-500是如何帮助西门子(原SaabMedav)测量两个齿轮的时间与共振频谱信号。IVS-500测量带宽高达100kHz，能自动聚焦并具有最佳信噪比，是生产环境中质量控制的首选工具。·上图：齿轮对中正确·中图及下图：存在齿轮不对中现象从上述图表(时间与/或频谱信息)或阶次分析中，我们可以推导出是哪个部件导致的误差，甚至能够推导出产生误差的原因。目前，通过基于统计的评估方法与专家知识相结合，我们甚至能够识别出未知错误，并对其进行表征和分类。LDV系统不仅仅用于生产控制，还可用于电动机的分析，尤其是研发部门对此非常感兴趣。马瑞利(MagnetiMarelli)等公司不仅为最新一代纯电动汽车，还为马恒达(Mahindra)等电动方程式车队供应电动机。对这种电动机进行模态分析有助于确保所研发的电动机按预期工作，并进一步降低噪声和振动水平。我们已经为多家电动汽车制造商提供了PSV-3D电机测量服务(鉴于我们签署了严格的保密协议，恕无法提供更多信息)。通常情况下，测试由两部分组成。第一部分是在自由-自由条件下的经典模态试验，用于有限元模型验证。第二部分是在相同的试验条件下，分析被试零件各部分的不必要的相对运动。案例二另一个案例来自德国马格德堡的OttovonGuerike大学，他们使用Polytec公司的LDV来进行模型验证(确保ODS预测正确)。他们的目标是优化轮毂电机相关部件的设计。OttovonGuericke大学是Polytec公司的PSV-1D的忠实客户（已购买多台），他们还结合Derotator旋转解调器来进行模型验证。用于汽车和救护车的轮毂电机(见下图)。通过Polytec公司的PSV-1D/3D提供的测试数据，工程师们可以验证他们当前使用的仿真模型是否能正确地预测ODS，判断模型是否需要进行修正。下图中，上排显示了不同共振频率下测试所得的ODS，而下排显示的是模拟结果(由OttovonGuerike大学提供)。测试数据还可用于检查刚度和阻尼方法对轮毂电机的特性是否有预期影响。总结展望如上所述，德国Polytec公司的LDV可用于电力传动系统的质量控制、模态验证等多个领域，得到了如知名大学、电动汽车制造商、零部件供应商等广泛认可。
