汽車液壓轉向系統噪音的分析

郭其昌

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

轉向系統是汽車底盤的重要組成部分，其性能的好壞，直接影響到汽車行駛的安全性、操縱穩定性和駕駛舒適性?，F代汽車技術的迅速發展，汽車轉向系統已從純機械式轉向系統、液壓助力轉向系統（HPS）、電控液壓助力轉向系統（EHPS），發展到利用現代電子和控制技術的電動助力轉向系統（EPS）及線控轉向系統（SBW）。其中，液壓轉向為現階段普遍采用的設計結構（如圖1）。

圖1 汽車轉向系統分類圖

隨著用戶對車輛行駛舒適性要求越來越高，液壓轉向系統（HPS）的噪音問題，在車輛售后的抱怨中所占比例越來越高。其中，系統的液壓噪音最難解決，也較難找到根本原因來解決。本文分別從轉向系統裝配關系和設計角度，對液壓噪音進行了分析，并希望找到噪音問題解決方案。

根據轉向系統噪音來源，分機械噪音（傳動連接件運動產生的噪音）和液壓噪音（主要指油泵和動力轉向器液力助力系統所產生的噪音），本文重點介紹液壓噪音的排除方法，及典型的轉向系統氣穴噪音現象及排除方法。

1 液壓噪音的產生原因及排除方法

為了轉向輕便，汽車越來越來多安裝動力轉向裝置。動力轉向系統，實際是機械轉向器加上液力助力器。液力轉向裝置出現故障時，將會使轉向力不足，有噪音或漏油等。

1.1 動力轉向裝置的噪音

（1）可能原因。可歸結為：驅動皮帶過松打滑；油泵軸承過于松曠或損壞；壓力板或轉子損壞；泵環過度磨損；貯油罐油液不足；液壓油中有空氣或壓力軟管連接不牢；轉向泵裝配不當；流量控制閥有故障。

（2）排除方法。有：按規定調整皮帶的預緊度；更換轉向油泵的軸承；更換損壞的零件，并沖洗液壓系統；更換泵環；按規定的油面高度，向貯油罐加足液壓油；按規定扭矩擰緊壓力軟管接頭，自右向左打足轉向來排除液壓系統的空氣；按要求裝配轉向泵。

1.2 轉向沉重并伴有噪音

（1）原因分析。有如下原因：液壓系統缺油，使轉向助力不足；液壓系統中混有空氣，使油壓不足；驅動油泵的三角皮帶打滑或齒輪傳動副嚙合不良；油泵磨損過大，內部漏油嚴重；油泵安全閥漏油或彈簧過軟，開啟壓力過低；油泵、動力缸或分配閥的密封圈損壞；液壓油濾清器堵塞、管路堵塞或接頭滲漏等。

（2）判斷與排除。方法有：檢查轉向油泵的驅動裝置的工作情況，如是三角皮帶傳動，應檢查其是否打滑或過松；檢查液壓系統各個部件管路連接處是否漏油；檢查液壓油油面的高度，按規定加足液壓油；檢查液壓系統內是否混入空氣，應排出系統內的空氣和漏油部位的故障；檢查油泵的工作壓力，如油泵工作正常，則表明故障出現在動力缸或分配閥；如油泵的壓力或流量不足，應進一步檢查液壓油濾清器和管路有無堵塞。

1.3 左右轉向輕重不同并伴有噪音

（1）原因分析。轉閥偏離中心位置（轉閥的對稱性不好），或轉閥雖在中心位置但與閥體的縫隙不一致；轉閥或閥體臺肩擦傷或有毛刺，影響工作油液的流量和壓力；工作油液有臟污，使轉閥的一側受阻；動力缸的一側的活塞卸壓閥過早開啟，使油壓下降；動力缸一側油路密封件損壞，形成部分泄漏而降低壓力，或動力缸的一側有空氣滲入。

（2）排除方法。首先檢查工作油液是否清潔，若工作油液有臟污，應清洗轉閥和閥體，更換工作油液；若工作油液清潔，應考慮動力缸一側的可能有空氣，可作排氣處理后，進一步檢查動力缸密封元件是否損壞。如有損壞，應及時更換。

經上述處理后，若問題仍然存在，應調試轉閥的軸向位置，使其位置居中。調整轉向重的一邊行程卸壓閥。

1.4 行駛中轉向油泵出現噪音

其現象是汽車在行駛中轉向時，液壓系統轉向油泵出現噪音。

（1）原因分析。儲油罐中油面過低，油泵在工作時容易吸入空氣；油泵驅動皮帶過松或打滑；油路系統中存有空氣；濾油器濾網堵塞，或因破裂造成油管堵塞；各個管路接頭松動或油管破裂；油泵嚴重磨損或損壞。

（2）判斷。首先應檢查儲油罐法油面的高度和油泵皮帶，是否過松打滑；若正常，應檢查油液中是否有泡沫；若有泡沫，則應查找何處漏氣；若無漏氣，則表明油路有堵塞處或油泵磨損嚴重、油泵損壞。此時，應及時檢查疏通油路。如油泵損壞或磨損嚴重，應看情況修理或更換。

1.5 轉向葉片泵工作不平穩且噪音大

（1）原因。吸油管密封不嚴，混入空氣或濾清器堵塞、油泵空轉。葉片泵轉速過高；葉片泵主軸的密封圈過緊；葉片泵各個葉片的高度尺寸不一致；葉片泵的定子曲面表面拉毛；葉片泵的葉片與轉子之間加有雜質，使葉片的表面拉毛，或使葉片卡死在槽內。

（2）排除方法。葉片泵在工作時不平穩、噪音大的原因很多，應根據實際情況，有針對加以檢查和排除。方法有：擰緊吸油管接頭，清洗濾清器，加油至油標規定的高度；將葉片泵調整到規定的轉速范圍內；適當調整主軸的密封圈；檢查同一葉片的高度，尺寸應一致，其高度相差不超過0.01 mm；看情況修理或更換不符和要求的零件；輕微研磨，去掉表面拉毛突起部分，直至葉片能輕松裝入轉子槽內，并保持原有的間隙要求即可。

2 氣穴現象的影響和排除

氣穴現象是指在常溫下，溶解于液壓油中的氣體約占6%～12%，而以游離狀態存在于液壓油中的小氣泡約占0.2%～0.3%以上。在一定的條件下，液壓油中產生大量的氣泡的現象，稱為氣穴現象（如圖2）。

圖2 某車型出現轉向異響，發動機停機后油壺內液壓油發現大量氣泡

2.1 氣穴形成的機理和影響

（1）氣穴形成的機理。當液壓系統某以一部分的壓力下降到一定的值時，溶解在液壓油中的氣體游離出來，形成氣泡。若壓力進一步下降，當達到油液的飽和蒸氣壓力時，液壓油便大量的氣化，形成更多的氣泡。這種氣泡混雜在液壓油中，使管路或元件中的液壓油成為不連續的狀態，即形成所謂氣穴。

（2）氣穴對轉向系統噪音的影響。引起局部的高壓和高溫，并出現噪音和震動；沖擊大，氣蝕金屬；降低油泵效率，產生噪音；氣穴現象使油泵的效率顯著下降，系統各個部分的壓力不平衡；回轉機構的輸出扭矩發生波動，液壓裝置產生噪音。

2.2 防止氣穴產生的措施

（1）在液壓系統中設置排氣閥，及時排除液壓系統內空氣；

（2）保證管路接頭與結合面的密封性，保持回油管在油面以下，以防止空氣侵入；

（3）避免管路中出現狹窄和急彎，避免在很大的壓力差下的節流，保證具有足夠大的吸油管徑，提高油泵的進油口的壓力等；

（4）提高零件表面耐氣蝕能力。

2.3 氣穴和空氣混入的判斷方法

液壓動力轉向系統中出現氣穴和空氣混入，就會使系統出現噪音。

（1）氣穴現象的判斷方法。有2種方法可以判斷：

其一，儀表判斷。在油泵的進油口處裝一個真空壓力表，看壓力是否等于或高于油泵的額定壓力；

其二，聲音的判斷。當沒有真空壓力表時，可根據油泵的發出聲音來判斷。發生氣穴的油泵會發出一種高聲調的聲響或尖叫聲，這種聲音有時還象軸承噪音、連軸節的噪音、來自附近沖床的噪音等。

（2）空氣混入的判斷方法。有2種方法可以判斷：

其一，氣泡是裹攜著空氣的回油從高處沖入儲油罐時產生的，或由于旋渦效應產生的，在油面過低時，儲油罐中就會出現旋渦效應；

其二，氣泡從吸油管吸入，如油封缺陷或安裝不良、管接頭安裝不好、密封不嚴時，均可吸入空氣。若將粘度較大的機油涂抹吸管的漏油處，油泵的噪音會有明顯變化，則表明漏氣。

吸入空氣的油泵發出的聲音，比產生氣穴的聲音低沉。若單純地為了發現空氣的混入，可觀察儲油罐或油面指示器液面的氣泡數量即可。

3 避免噪音的轉閥設計

以上關于噪音的分析，主要側重于轉向系統的整個裝配過程以及使用保養方面的問題。以下根據影響噪音的幾個因素，從設計的角度，對避免液壓噪音的產生進行闡述。

3.1 基本概念

（1）安靜閥。用來降低噪音的閥稱為安靜閥，其特點是加工精度高、成本高。

（2）影響閥噪音的三大因素：液壓油的流速、溫度及壓力。

3.2 特征改變對安靜閥的影響

（1）閥芯閥筋寬度。決定閥套與閥芯之間的基本間隙，基本間隙大小，影響閥特征的影響（與相對應的槽影響一樣）。

（2）槽深。槽深與噪音水平與氣穴現象有關。我們能夠了解到這一點，對于解決閥的噪音問題有很大的幫助。液壓油在通過小閥口時，流速及溫度都很高，較淺的槽容易使液壓油產生氣穴現象，進而增大噪音，在實際應用中，槽深不應小于1 mm。

（3）槽的對稱性。影響閥特征曲線的形狀，槽的間隔不均勻，會引起左右轉向輕重不同，并增大噪音。

（4）槽的直度。影響特征曲線中心附近的線形部分，如果槽的不直部分長度超過一定值，這種線形部分也會變成彎曲的。理論上，噪音也會增大，這種現象在實際中較易避免。

（5）在槽與平面連接處的圓角半徑。會引起特征曲線中心附近線形部分變成彎曲，可能對某些車的操縱特性，有不利的影響，圓角大不利。

（6）小閥口的平面角α。平面角的存在，緩沖了液壓油從高壓向低壓區速比的變化。α角越大，曲線的變化越趨近線形，閥口的平面角影響閥特征曲線形狀、輸入扭矩、閥的噪音及油壓的范圍。

例如，當α=2°時，安靜閥（壓低噪音的閥）的效果便會減小，輸入的扭矩增大，油壓的范圍減小，但是2°度的平面易于加工；當α=8°時，閥的特征曲線失去中心附近的線形部分，輸入扭矩減小，油壓范圍增大（附注：方向盤手感變輕）安靜閥的效果增大。

總之，為了噪音考慮，最好不使平面角α小于2°；為了制造工藝考慮，以6.5°的平面為最大較為適宜（參照德爾福進油口分布對應輸入軸的閥筋）。

（7）小閥口的平面寬度。平面寬度越寬，為建立一定的壓力，所需的輸入扭矩越大。

（8）小閥口的長度。影響噪音和閥特征曲線的形狀，而小閥口長度影響噪音，是因為其形狀。長度越短，越易產生氣穴現象，進而增大噪音。

（9）閥外圓的圓度。閥的外圓不一致，會改變閥曲線的對稱性，而且這種變化太大，噪音也會增大。

（10）裝配變化的作用。閥芯與閥套之間的間隙，對閥所起的作用至關重要。如果間隙太小，摩擦力就會過大，可能使閥發卡；如果間隙太大，可能發生過份泄漏。對于安靜閥，這種間隙的變化也會引起輸入扭矩的變化。廣泛的試驗表明，隨著這種間隙的增大，輸入扭矩也會增大，因此，這種間隙一般被控制在0.01～0.015 mm。在加工后，輸入軸和閥套必須利用專用機器測量其外徑和內徑，分4個公差區間，輸入軸應和一個在相同或相鄰公差區域的閥套相配。

（11）閥口的個數。閥口的個數越多，當小閥口關閉時，其液壓油的速比變化就越緩，油溫不至于過高。

4 關于油泵油管噪音的分析

動力轉向系統常常趨向引起嚴重的噪音。主要的噪音源通常是泵，閥也是個噪音源。噪音源通常分為3類：空氣傳播噪音（ABN）、結構傳播的噪音(SBN)、流體傳播的噪音(FBN)。

ABN是通過空氣傳播的噪音，人耳可以聽到。

SBN是結構零件的機械振動，常常是ABN的主要原因。

FBN是液體中的壓力波動，它是SBN的一個主要來源，從而也是ABN的主要原因。FBN可以沿著液壓管路傳播很遠。

ABN、SBN、FBN之間的關系，是極端復雜的。從FBN轉換到SBN取決于許多因素，例如管線支承的類型和間隔、彎頭的數量、油管長度和柔性油管等。

4.1 泵的噪音術語

（1）growl轟鳴聲——低聲調的液壓噪聲。當發動機處于怠速，較慢地來回轉動方向盤時，轉向系統發出的這種噪聲。

（2）Moan呻吟聲——低聲調的液壓噪聲。當發動機轉速約為1 000 r/min時，較慢地來回轉動方向盤時，轉向系統發出這種噪聲。

（3）Whine顫音——高聲調的噪聲。在不轉動方向盤的情況下，發動機轉速從怠速增大到3 000 r/min時，轉向系統發出的這種噪聲。

（4）Scream尖叫聲——高聲調的液壓噪聲。當發動機轉速為3 500 r/min時，緩慢地來回轉動方向盤，并不因起限壓的情況下，轉向系統發出的噪聲。

（5）限壓噪聲——當發動機轉速為1 000 r/min時，轉動方向盤直到限位狀態，轉向系統發出這種噪聲。

4.2 減小流體傳播噪音的方法

選擇一個流量波動小的泵，可以降低噪音，但成本較高。

（1）動力轉向泵有可能出現氣穴現象。其會增強流量波動，并會引起嚴重的噪音，以及零件破壞，必須避免其發生，辦法是通過良好的吸油管設計。

（2）油中含有空氣，當泵油循環壓縮流體時，氣泡被壓破，為了避免發生嚴重氣蝕，應保證在泵的進油口有足夠的壓力，泵的流速不要超過進油口的進油能力。

（3）特別注意遠距離儲油罐的位置（使儲油罐盡可能的高）和油管的尺寸，以確保進油管有足夠的流動的特性，防止泵抽成真空（由于儲油罐過低，在進油口的壓力過低或油管尺寸不足）；此外檢查液壓油的特性，以確保在泵中的真空度，不使壓力低于油的蒸氣壓力。如果不滿足以上的條件，油就會汽化，產生嚴重的氣穴、氣蝕。

4.3 整個液壓系統的調諧

動力系統可以看作簡單的泵—油管—流量控制閥系統。油管的長度對壓力波動有很大的影響。通過合理的設計，有可能明顯減小壓力波動水平。

（1）噪聲。當轉向系統發出噪聲時，應用調諧壓力油管，在減少噪聲水平方面有很顯著的效果。一條螺旋金屬管被放置在橡膠管總成之內，構成調諧器油管。調諧器油管是一種1/4波長衰減器。這種裝置被用在壓力油管中來衰減泵的呻吟聲，用在回油管中來幫助控制顫抖。

（2）顫抖。是一種在發動機低轉速下進行轉向時發生的振動。在某些情況下，通過在系統的回油管中加調諧器來消除它。

4.4 柔性油管的使用

FBN和SBN都應該在噪聲源可能靠近的地方進行衰減。而最簡單的方法，就是在噪聲源和其余部分之間使用合適的長度的柔性油管。柔性油管衰減噪聲，在較高的頻率最有效。

（1）幾種常用油管對FBN的衰減性能。線編織的橡膠油管性能，在0～2 kHz的范圍內衰減性能差，然后衰減性能很快增強。尼龍編織熱塑型油管，在很低頻率范圍便能提供有用的衰減性能，但其使用受到系統的壓力和溫度限制，在條件允許的情況下，應優先使用這種油管。

（2）柔性油管減少噪音的特征，由橡膠及其增強材料所固有的消耗能量的特性造成的。另外，油管的柔性使其很象一個容積共振器，提供反作用衰減。

（3）結構隔離所需要的柔性油管長度。為降低泵的噪音，長度一般為1～2 m，對更高頻的閥噪音為0.6 m。

（4）一般來說，對于衰減FBN，柔性油管越長越好。但是，使用太多的柔性油管是不現實的，因為：其一，柔性油管成本價太高；其二是對于一定水平的FBN，柔性油管單位長度輻射的ABN比相同的鋼油管要多，特別是對低頻噪音。

（5）為避免橡膠油管發生扭轉和拉伸。為此橡膠油管的最小半徑如表1所列。

表1 橡膠油管最小半徑表（單位：mm）

4.5 結構傳播的噪音及隔離

主要討論泵和閥的機械噪音，向其他零件的傳播及隔離問題。

（1）泵的機械隔離。泵的隔離通常應用柔性支撐來實現，防止機械振動傳給支座。應用柔性油管為泵提供機械隔離，但其長度受到一些因素的限制，實用長度在1～3 m之間。

（2）閥的機械隔離。閥的隔離與泵的隔離相同。但是，閥的隔離通常較簡單，主要是其頻率高。采用較短的油管就足夠，結構支架較簡單。

5 轉向系統的調諧

詳見本文 4.3節的（1）、（2）所述。

6 儲油罐

儲油罐的材料通常為含有33%玻璃的尼龍66。

6.1 儲油罐的功能

儲油罐的功能是：為系統提供加液壓油的地方；為系統提供檢查液壓油的地方；為熱膨脹提供空間；當系統使油管膨脹時，提供補償液壓油；提供除去空氣的地方。

6.2 儲油罐的類型：

遠距離儲油罐（不直接裝在泵上），主要用在安裝困難或用戶要求的場合；離開泵的距離應盡量短；冷啟動性不如整體儲油罐系統好；由于有更多的泄漏點，成本高；發動機上的垂直加速度超過25 g時，不能裝在發動機上。

6.3 儲油罐的設計

儲油罐的設計要考慮如下因素：足夠的儲油罐容積（大于600 mL）；空氣/油的比率為1:2～1:2.5；

兩件結構——箱體和面板，帶有模壓的加油頸和回油管接頭；熱板焊接；加筋箱壁厚2 mm，在支撐處厚2.5mm。

6.4 儲油罐的安裝和操作

充油量正確是很重要的，油量過多，會導致儲油罐蓋泄漏；而油量過少，又會導致由于吸入空氣引起泵的噪聲。要時刻注意儲油罐中進入雜物。油管管路布置得應盡量圓滑，拐彎盡可能少。為確保儲油罐中的正確的油面高度，應從系統中放出空氣。遠距離儲油罐的設計，標準要求其最小容積是泵的每分鐘的流量的兩倍。在整體儲油罐中，油面至少比泵進油口高30 mm。回油管接頭必須布置在儲油罐的底部，以免回油打破油面，引起空氣進入。對遠距離儲油罐，儲油罐中的油面至少比泵進油口高75 mm。對遠距離儲油罐，進油管直徑至少為15.8 mm。

7 結束語

本文內容主要關于液壓轉向系統的噪音分析，介紹了幾個不同因素對液壓轉向的噪音影響及設計原理，在分析液壓噪音問題時按照這幾個方面來考慮一般可以找到異響源，從而解決問題。

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