液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)噪聲研究

陶維龍， 陳樂(lè)強(qiáng)， 金明， 劉志鵬

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，合肥230601）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)的不斷發(fā)展及人們生活水平的不斷提高，汽車的NVH性能已經(jīng)成為人們重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵性能之一。一個(gè)良好的汽車品牌形象必須有良好的NVH性能作為支撐。經(jīng)過(guò)技術(shù)人員的不斷創(chuàng)新，汽車主要噪聲源（如發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等）噪聲性能已得到了極大改善，這也使得原先不被人們所關(guān)注的一些噪聲問(wèn)題凸顯出來(lái)。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲就屬于這一類問(wèn)題，該噪聲使人感到煩躁不安，降低了產(chǎn)品品質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響相關(guān)零部件的使用壽命。

本文對(duì)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了綜合分析，指出對(duì)轉(zhuǎn)向泵及油管噪聲的分析方法。最后通過(guò)一款車型的案例，進(jìn)行液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)噪聲的問(wèn)題確定、原因分析和優(yōu)化方案，最終解決該項(xiàng)問(wèn)題。

1 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲對(duì)整車NVH性能的影響主要表現(xiàn)在怠速工況下。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲主要來(lái)源于轉(zhuǎn)向泵噪聲及油管振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)噪聲。

1.1 轉(zhuǎn)向泵噪聲

當(dāng)今國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)大多使用葉片泵作為汽車的助力轉(zhuǎn)向泵。葉片泵的噪聲可分為困油噪聲、脈動(dòng)噪聲、氣蝕噪聲和碰撞噪聲4大類。

1）困油噪聲。當(dāng)葉片泵兩葉片之間工作腔進(jìn)入排油或吸油腔時(shí)，將產(chǎn)生從排油腔到工作腔和工作腔到吸油腔的回沖和逆流。若排油壓力過(guò)高，葉片等部件就會(huì)受到較大沖擊，從而激發(fā)困油噪聲。

2）脈動(dòng)噪聲。葉片泵中液壓油的流量及壓力呈周期性變化，這種變化會(huì)引起油液產(chǎn)生周期性的脈動(dòng)，繼而產(chǎn)生在流體中傳播的壓力波，壓力波會(huì)引起系統(tǒng)中元件及管路受迫振動(dòng)產(chǎn)生噪聲。

3）碰撞噪聲。碰撞噪聲由葉片與定子曲線摩擦、碰撞引起，葉片與定子發(fā)生摩擦主要是由于葉片所受液壓力不平衡，底部受力過(guò)大。造成葉片頂部與定子表面接觸比壓過(guò)大，從而產(chǎn)生噪聲。

4）氣蝕噪聲。油液被吸入時(shí)，若油液中溶解或混入了一定的氣體，當(dāng)局部區(qū)域油液壓力下降至空氣分離壓時(shí)，一部分氣體就逐漸從液體中分離出來(lái)形成氣泡。氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生氣蝕噪聲。

1.2 油管結(jié)構(gòu)噪聲

油管與轉(zhuǎn)向泵直接相連，當(dāng)轉(zhuǎn)向泵泵油時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)激勵(lì)。當(dāng)該激勵(lì)頻率與油管固有頻率一致或接近時(shí)，會(huì)激發(fā)油管模態(tài)，使油管產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲。轉(zhuǎn)向泵泵油激勵(lì)頻率計(jì)算公式為：

泵油頻率=泵轉(zhuǎn)速×泵葉片數(shù)量/60。

如一款葉片式液壓轉(zhuǎn)向泵葉片數(shù)量為12，泵皮帶輪傳動(dòng)比為1.2，該油泵所匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下轉(zhuǎn)速為750 r/min。因此此系統(tǒng)在怠速工況下基頻為750×1.2×12/60=180 Hz。

2 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲分析理論及測(cè)試方法

液壓泵按實(shí)車狀態(tài)安裝于試驗(yàn)臺(tái)上，距離被試泵150 mm，在上下左右4個(gè)方向測(cè)量液壓泵噪聲級(jí)本底噪聲，取4個(gè)方向噪聲最大值為液壓泵噪聲。當(dāng)所測(cè)量的噪聲與該點(diǎn)的本底噪聲值之差在10 dB以上時(shí)，該測(cè)量有效；當(dāng)差值為3～10 dB時(shí)，則按表1進(jìn)行修正。

表1 噪聲測(cè)試修正值

3 國(guó)內(nèi)某款MPV液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)噪聲優(yōu)化

3.1 問(wèn)題描述

某款MPV車型在怠速工況時(shí)出現(xiàn)了令人煩躁的“嗡嗡”聲。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，“嗡嗡”聲更加明顯。因此初步判定此噪聲是由液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)產(chǎn)生。

3.2 原因查找

1）噪聲源識(shí)別。如圖1、圖2所示。分別在轉(zhuǎn)系助力系統(tǒng)轉(zhuǎn)向泵殼體、高壓油管上端、高壓油管下端、轉(zhuǎn)向器長(zhǎng)油管及轉(zhuǎn)向器短油別布置振動(dòng)傳感器。

如圖3，由測(cè)試結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)向器長(zhǎng)油管在怠速工況下的振動(dòng)加速度較大。而對(duì)長(zhǎng)油管剛度進(jìn)行手工加強(qiáng)后主觀感覺(jué)“嗡嗡”聲明顯減弱。因此可以判定此“嗡嗡”聲是由轉(zhuǎn)向器長(zhǎng)油管振動(dòng)加速度過(guò)大產(chǎn)生。

2）模態(tài)分析。該款MPV發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為750 r/min，液壓轉(zhuǎn)向泵葉片數(shù)量為10，轉(zhuǎn)向泵皮帶輪傳動(dòng)系數(shù)為1.16，根據(jù)轉(zhuǎn)向泵泵油頻率計(jì)算公式得出該轉(zhuǎn)向泵泵油頻率為134 Hz，與轉(zhuǎn)向器長(zhǎng)油管模態(tài)固有頻率耦合。為判斷長(zhǎng)油管振動(dòng)加速度過(guò)大是否是因?yàn)楣舱褚鸬模仨殞?duì)長(zhǎng)油管模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。因此對(duì)長(zhǎng)油管模態(tài)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。

圖1 轉(zhuǎn)向器油管振動(dòng)測(cè)試

圖2 轉(zhuǎn)向器振動(dòng)測(cè)試

圖3 不同轉(zhuǎn)速下長(zhǎng)油管振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖4 長(zhǎng)油管模態(tài)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)噪聲源識(shí)別和模態(tài)分析，可以判定該款MPV怠速工況下“嗡嗡”聲是由于轉(zhuǎn)向泵泵油激勵(lì)激發(fā)轉(zhuǎn)向器長(zhǎng)油管模態(tài)引起長(zhǎng)油管共振而產(chǎn)生的。

3.3 優(yōu)化方案

為使轉(zhuǎn)向器長(zhǎng)油管模態(tài)固有頻率避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速下液壓泵泵油頻率，需要降低轉(zhuǎn)向器長(zhǎng)油管模態(tài)固有頻率。在滿足布置要求的情況下，將轉(zhuǎn)向器長(zhǎng)油管進(jìn)行加長(zhǎng)，如圖5、圖6所示。

圖5 轉(zhuǎn)向器長(zhǎng)油管優(yōu)化前

圖6 轉(zhuǎn)向器長(zhǎng)油管優(yōu)化后

3.4 方案效果驗(yàn)證

將轉(zhuǎn)向器長(zhǎng)油管進(jìn)行加長(zhǎng)后，測(cè)試得到其模態(tài)固有頻率降低至116.88 Hz，達(dá)到了避開(kāi)了怠速工況下轉(zhuǎn)向泵泵油頻率（124 Hz）的目的。而優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向器長(zhǎng)油管在怠速工況下的振動(dòng)加速度也由優(yōu)化前的8g降低至0.12g。主觀感受優(yōu)化前轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)“嗡嗡”聲消失，如圖7、圖 8所示。

圖7 優(yōu)化后長(zhǎng)油管模態(tài)固有頻率

圖8 優(yōu)化后長(zhǎng)油管振動(dòng)加速度

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)怠速工況下液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了詳盡的分析，噪聲源主要來(lái)自油泵本體噪聲及油管振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。控制油泵本體噪聲，合理設(shè)計(jì)油泵油管，使得油管模態(tài)避開(kāi)油泵泵油頻率，就可以有效控制液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲。

［1］ 龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng)——理論與應(yīng)用［M］.1版.北京：北京理工大學(xué)出版社，2006：236-262，309-323.

［2］ 李惠彬，上官云飛.如何將汽車制造成精品——汽車噪聲與振動(dòng)控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：131-136.

［3］ 趙玫，周海亭，陳光冶，等.機(jī)械振動(dòng)與噪聲學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2004：235-246.