1、- 1 -面向新一代高档工程机械的 NVH 关键技术研究项目总结报告一、项目概况（包括项目名称、立项时间、项目编号、项目负责人、合作企业、经费情况、研究内容等）项目名称：面向新一代高档工程机械的 NVH 关键技术研究立项时间：2014 年项目编号：BY2014127-01项目负责人：孙蓓蓓合作企业：徐工集团工程机械股份有限公司经费情况：总预算 60 万元，其中省拨款 30 万元，承担单位自筹 30 万元主要研究内容：本项目从工程机械整机系统 NVH 特性匹配研究、工程机械司机室 NVH 特性建模与预测研究、工程机械关键零部件 NVH 性能优化研究和工程机械 NVH 性能评价方法与建模研究四个方
2、面展开，系统地完成了面向新一代高档工程机械的 NVH 关键技术研究任务，为提升我国工程机械 NVH 性能提供技术支持。具体的工作内容包括以下几方面：1. 工程机械整机系统 NVH 特性匹配研究 建立了准确的子系统模型，分析了子系统动力学性能，以此为基础，建立了整机动力学模型，包括整机有限元模型及整机刚柔耦合多体动力学模型，实现了子系统与全局系统的匹配设计。2. 工程机械司机室 NVH 特性建模与预测研究 建立了司机室有限元模型，评价了司机室动力学性能，优化了司机室结构，提高了司机室刚度及抗振性。结合声学边界元及有限元法建立司机室声振耦合模型，合理配置了司机室内耦合模态分布。利用多体动力学模型，
3、求解车架传至司机室的振动加速度，- 2 -并通过声学有限元及边界元法求解了司机室的结构振动噪声，利用能量统计法研究了发动机、变速箱等引起的高频噪声对司机室内噪声的影响，并研究了内饰材料对司机室内噪声的影响，最终实现了对司机耳旁噪声的预测。3. 工程机械关键零部件 NVH 性能优化研究 1）悬置系统建立及优化：利用 ADAMS 等多体动力学软件建立了悬置系统六自由度模型，结合优化算法，合理配置了悬置系统刚度及位置等参数，提高了悬置系统隔振率及解耦率。2）排气系统建立及优化：利用 LMS 等软件建立了排气消声器模型，优化内部结构，提高了其消声性能。3）冷却风扇建模及优化：综合运用 CFD 软件及声
4、学计算软件，研究了风扇参数对风扇性能的影响，最终设计了流率高、噪音小的高性能冷却风扇。4. 工程机械 NVH 性能评价方法与建模研究 根据通用测试标准，测试了工程机械振动加速度、噪声等数据，提取了其中客观评价参量，客观评价了整车 NVH 性能。组织评审人员实际感受整车 NVH 性能，主观评价其 NVH 性能。类比汽车行业 NVH 评测标准，结合实际评测数据，基于神经网络理论，建立了适用于工程机械的 NVH 评价模型，实现了人体主观感受的定量化评价。二、项目实施情况（即完成项目过程中所做的主要工作，包括校企联合研发团队的组织、实施计划的制定与落实、企业研发人员的培养培训、项目完成情况评价及预算执
5、行情况等）项目已于 2014 年 6 月立项后，根据项目合同约定的研究内容，于 2014 年 8 月制定了详细的实施计划。项目从 2014 年 9 月正式启动，根据所制定的项目实施计划，有条理地开展了项目合同要求的各项研究。在对企业研发人员的培养培训方面，根据项目合同要求，于 2016 年 7-8 月份完成了对合作企业徐工集团工程机械股份有限公司的研发人员的 NVH 技术培训工作。截至 2016 年 8 月，本项目实施计划进度已经完成 100%，并且100%完成了合同目标已经完成合同约定的主要研究工作。- 3 -在项目的预算执行情况方面，项目总拨款 60 万元，其中省拨款 30 万元，自筹款
6、30万元。项目直接费用预算 55 万元，目前已支出总额 51.995414 万元，占直接费用预算的94.53%，其中省拨款支出 21.935414 万元，自筹款支出 30.06 万元。在直接费用使用中，1）设备费总支出 7.4159 万元，其中设备试制费 7.3809 万元，设备改造费 0.035 万元；2）材料费总支出 9.693825 万元，其中省拨款支出 0.843825 元；3）材料化验加工费总支出 3.77 万元，全部由自筹款支出；4）燃料动力费总支出 8.66 万元，其中 8.53 万元由自筹款支出；5）差旅费总支出 6.869671 万元，全部由省拨款支出；6）会议费总支出 1.
7、81万元，全部由自筹款支出；7）国际合作与交流费总支出 1.450405 万元，全部由省拨款支出；8）出版/文献/信息传播/知识产权事务费总支出 6.215554 万元，其中省拨款支出3.415554 万元，自筹款支出 2.8 万元；9）劳务费总支出 5.930679 万元，全部由省拨款支出；10）其他费用支出 0.17938 万元，全部由省拨款支出。间接费用支出总额 5.0 万元整，全部由省拨款支出。省拨款结余 3.064586 万元，自筹款超支 0.06 万元。三、项目技术情况（即项目的研究方法及技术路线，项目解决的关键技术、取得的突破性进展及创新点等）项目研究方法：工程机械 NVH 研究
8、方法可以分为理论分析、数值模拟与实验研究，采用 CAE 技术进行仿真分析是本项目研究的关键手段，其中采用的主要方法有有限元法、多体动力学法、边界元法、统计能量法。由于本项目研究对象为工程机械，其系统复杂、涉及面广，在项目中综合运用了上述方法，并提出了优化与改进方案，实现了本项目的研究目标。本项目也充分考虑了具体问题的特点而合理选择软件工具，并根据需要对商用软件进行二次开发。项目中将 CAE 技术与试验测试相结合，通过仿真和测试结果的对比，验证了仿真的有效性及提高仿真的置信度。项目技术路线：- 4 -本项目采取的技术路线是：建立了准确的反映工程机械实际情况的 NVH 模型，整机及零部件模态匹配是
9、保证产品 NVH 性能的根本和基础，解决了子系统模态优化配置与整机模态优化配置之间的协调问题。考虑工程实用化、消除人体与环境等各种干扰因素，寻求工程机械 NVH 主观感受与客观指标的函数关系，建立了针对工程机械的有效的NVH 评价方法及其评价模型的关键，图 1 为工程机械 NVH 计算体系结构。路 面 激 励 动 力 总 成 激 励 工 作 载 荷轮 胎 路 面 子 系 统 动 力 总 成 悬 置 子 系 统 工 作 装 置 子 系 统底 盘 、 车 架 多 体 子 系 统司 机 室 、 座 椅 悬 置 子 系 统动 力 学 子 系 统进 排 气 子 系 统风 扇 子 系 统机 外 声 学 子
10、 系 统 司 机 室 声 学 子 系 统声 学 评 价 子 系 统 舒 适 性 评 价 子 系 统整 车 NVH评 价加 速 度 加 速 度 加 速 度气 动 噪 声机 外 噪 声 信 号 司 机 室 噪 声 信 号司 机 室 振 动 信 号加 速 度动 力 系 统 噪 声 、 结 构声 辐 射 等声 透 射 座 椅 振 动 信 号图1 整车NVH计算体系结构项目解决的关键技术：1）建立准确的反映工程机械实际情况的 NVH 模型是 NVH 分析、评价与设计的前提，因此整机 NVH 建模技术是本项目要重点解决的关键技术问题，包括：解决整机 NVH 建模的准确性和高效性的矛盾、理论分析与 实验相结
11、合提高仿真分析的置信度等。- 5 -2）整机及零部件模态匹配是保证产品 NVH 性能的根本和基础，由于不同零部件功能需求、结构、安装条件等的约束，给全局系统与子系统的模态匹配带来困难，因此解决子系统模态优化配置与整机模态优化配置之间的协调问题是本项目达到研究目标的关键。3）考虑工程实用化、消除人体与环境等各种干扰因素，寻求工程机械 NVH 主观感受与客观指标的函数关系，是建立针对工程机械的有效的 NVH 评价方法及评价模型的关键。取得的突破性进展及创新点：1)本项目在设计阶段建立了工程机械整机系统 NVH 计算、分析的体系结构，实现了工程机械整机 NVH 特性匹配，使得工程机械产品 “天生”具
12、有 NVH 良好“体质” 。2)本项目建立了司机室振动与全频域声学模型以及声振耦合模型，预测了空气和结构传播噪声，基于司机室与车架模态匹配和高刚度设计，优化了司机室本体结构及其声学包，在设计阶段保证了司机室的声振匹配和 NVH 性能。3)本项目建立了工程机械的声品质和乘坐舒适性的主客观评价方法与评价模型，为工程机械行业建立 NVH 评价标准与规范打下了基础。四、合同任务指标完成情况（实际完成合同约定的研究内容、技术指标、效益指标、工作指标等情况）研究内容：本项目已经完成合同约定的研究内容，包括：1）完成了准确高效的整机 NVH 建模，形成了工程机械 NVH 设计规范，提出了工程实用化的工程机械
13、 NVH 评价方法。2）研究形成的新技术及创新成果首先在装载机产品上进行了应用示范，并在应用过程中形成了工程机械 NVH 数据库，包括：整机标杆机型数据库、典型零部件的 NVH 数据库、NVH 专用材料性能数据库等。技术指标：- 6 -本项目已达到合同约定的技术指标，包括：1）在多种工况下，动力总成及司机室悬置系统隔振率相比原样机提高了约 50%，2）在定置试验条件下，样机改机后较改进前，在司机位置处声压级降低 6.1 dB(A)，声功率级降低 6 dB(A)；在动态试验条件下，样机改机后较改进前，在司机位置处声压级降低 8.9 dB(A)，声功率级降低 9 dB(A)；3）降低机外发射噪声和
14、司机位置噪声限值，达到了欧盟机械指令 200642EC 和修改 EN 474-1：2009 协调标准；4）改善了多种工况下的司机室座椅舒适性，座椅处的加权加速度均方根值小于 0.4，主观评价达到了“没有不舒适”水平； 4）提升了司机室内声品质，主观评价达到了“可以接受的”及以上水平。项目申请了发明专利 8 项，其中 3 项发明专利已授权，5 项发明专利已公开；项目发表了 SCI 和 EI 收录论文 10 篇，其中 SCI 收录论文 2 篇， EI 收录论文 8 篇；项目培养了10 名研究生，其中已毕业硕士研究生 4 人，博士研究生 1 人，在读硕博连读研究生 2 人；此外，项目还为参与企业培养
15、 NVH 技术人员约 130 人。效益指标：本项目中研制开发的 600KV 型轮式装载机及研究形成的新技术、创新成果在工程机械中的应用，提升了企业的 NVH 技术水平与产品的竞争力，为企业新增效益约 1100 万元。工作指标：本项目的参与人员均已完成项目分配的工作任务，为项目付出的工作时间也达到了项目合同的要求。五、项目绩效分析（包括经济效益、社会效益分析，市场应用前景分析，对促进社会发展、科技进步和企业创新能力提升的作用等）本项目瞄准国际工程机械 NVH 控制技术发展的前沿，在高性能、人性化的工程机械- 7 -的 NVH 性能分析、评价与控制以及关键零部件研发、工程机械 NVH 实验分析等方
16、面取得了突破，解决了现有工程机械 NVH 关键技术问题，形成了工程机械 NVH 设计规范、评价标准及相关数据库，培养了 NVH 技术人才。相关研究成果已经在装载机等工程机械开展示范应用，提高了新一代高档工程机械的技术含量和附加值，其自主知识产权和核心技术的研制与获得，提高了我国工程机械研发制造综合水平，为我国工程机械参与国际市场的竞争提供了强有力的支持，促进了产业链技术升级，推动了我国基础设施建设。本项目实施已经产生了较为显著的经济效益和社会效益。六、存在问题、有关建议及下一步研究设想工程机械 NVH 关键技术的研究，设计声学、结构动力学、多体动力学和流体力学等诸多学科，本项目的研究工作是在上
17、述学科的基本理论和最新研究成果的基础上开展的，由于每一学科仍处在不断完善和发展之中，因此，本项目的许多工作也将对着所属学科的发展而有进一步的发展。本项目还有以下几点需要研究和探讨：1)实际工作中影响载荷的因素较多，采用理论分析获得的载荷谱与实际情况有差异，以后的研究中可以考虑采用试验法采集实际工作载荷谱。在本项目分析中只考虑了熨平板工作过程中产生的载荷，而动力总成产生的载荷对于整机疲劳也有相当大的贡献，需在以后研究中完善。2)由于计算机硬件和软件的限制，流场仿真结果还不能真正的用于声学仿真中，涡流、喷注等对消声性能的影响的模拟无法实现。排气系统最主要的评价参数是声压级，由于缺少排气系统入口处的声压频谱，只能计算声压级差值。3)由于样本、评价人员的限制，针对工程机械振动舒适性的主观评价实验没有开展，但实验方案具有可行性，希望以后有条件进行。此外，由于样本数量有限，所建立的工程机械声品质主观评价模型的普适性尚不能保证，但所研究的用于工程机械的声品质测试与评价方法和实验方案具有可行性。因此，为建立适用于工程机械的声品质主观评价模型还需要大量的样本采集和主观评价实验。- 5 -4)工程机械 NVH 性能数据库数据的还需要不断完善。现阶段平台只对三种工程机械即装载机、压路机以及摊铺机中相关数据进行存储，数据库资源不是很全面，需要后期进行完善，平台界面和功能也还有进一步优化空间。
