某型電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)噪聲優(yōu)化研究

朱聯(lián)邦，邵文彬，劉海量（.安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 3060；.廣東帕爾福電機(jī)有限公司，廣東 佛山 583）

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某型電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)噪聲優(yōu)化研究

朱聯(lián)邦1，邵文彬1，劉海量2
（1.安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.廣東帕爾福電機(jī)有限公司，廣東 佛山 528311）

針對(duì)某型電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)存在工作噪聲大且聽感差的問題，分析了電機(jī)噪聲組成和機(jī)理，以碳刷和換向器的接觸條件為突破口，就碳刷接觸面結(jié)構(gòu)和成型工藝，換向器的粗糙度、圓度、車削刀紋、打磨工序等對(duì)噪聲的影響，進(jìn)行試驗(yàn)研究和效果驗(yàn)證，采用客觀數(shù)據(jù)和主觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的分析方法，并利用相關(guān)性和回歸性分析工具，探尋電機(jī)噪聲的優(yōu)化方案，最終通過優(yōu)化碳刷接觸面結(jié)構(gòu)和優(yōu)選換向器粗糙度等方案的實(shí)施，取得了較理想的實(shí)際應(yīng)用效果。

EPS；電機(jī)；噪聲；粗糙度；碳刷

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.053

CLC NO.: U463.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-161-05

前言

汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）具有節(jié)能，環(huán)保，優(yōu)越的操控性能等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多的青睞，EPS已成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向［1］。隨著技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)于車輛的舒適性能也提出了更高的要求。對(duì)于EPS來(lái)說，EPS的助力電機(jī)的噪聲就是需要重點(diǎn)關(guān)注的性能之一。尤其對(duì)于管柱式助力的EPS，因?yàn)槠渲﹄姍C(jī)位于轉(zhuǎn)向管柱上，且布置在駕駛艙內(nèi)駕駛員的前下方，其工作噪聲很容易被駕駛員聽到［2］，故對(duì)這種EPS電機(jī)噪聲控制就更有必要。

某車型匹配管柱式EPS，車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)，尤其快速轉(zhuǎn)向時(shí)，EPS電機(jī)發(fā)出的噪聲較大且聽感較差，具體的表現(xiàn)為：1）電機(jī)發(fā)出“嗡嗡”尖聲，連續(xù)且音調(diào)較高，快打方向盤時(shí)現(xiàn)象明顯，慢打方向盤時(shí)聲音基本消失。2）尖聲無(wú)固定的方向性差異，左右轉(zhuǎn)向均會(huì)出現(xiàn)。3）電機(jī)在重載，輕載，空載均會(huì)出現(xiàn)此種現(xiàn)象。針對(duì)此問題，本文對(duì)EPS電機(jī)噪聲組成和機(jī)理進(jìn)行分析，以碳刷和換向器的接觸條件為突破口，就碳刷和換向器的接觸條件對(duì)電機(jī)噪聲影響進(jìn)行試驗(yàn)研究和效果驗(yàn)證，探尋最終解決方案。

1、電機(jī)噪聲組成及機(jī)理

電機(jī)噪聲一般被分為電磁噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲三類［3］，電機(jī)定子結(jié)構(gòu)是主要的電磁噪聲源；軸承、電刷-換向器、換向器和轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡都能引起機(jī)械噪聲；冷卻空氣/液/水是空氣動(dòng)力噪聲的主要噪聲源。如圖1所示。

電磁噪聲是由于電機(jī)定轉(zhuǎn)子間的電磁力所產(chǎn)生［3］。電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，定轉(zhuǎn)子間的位置周期性變化，頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，定轉(zhuǎn)子處于不同的相對(duì)位置時(shí)，電磁力也會(huì)產(chǎn)生周期性的變化，電磁力作用在電機(jī)定轉(zhuǎn)子上，使電機(jī)定轉(zhuǎn)子產(chǎn)生周期性的受迫振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生噪音。

機(jī)械噪聲是任何運(yùn)動(dòng)件無(wú)法避免的噪聲，而機(jī)械噪聲往往在微型電機(jī)中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其中電刷與換向器滑動(dòng)接觸能產(chǎn)生明顯的機(jī)械噪聲［4-5］，其噪聲頻率為轉(zhuǎn)速與換向片數(shù)的乘積，一般為 500Hz～3000Hz。實(shí)際上還包含有基本頻率不同倍數(shù)的高次諧波，綜合起來(lái)給人以刺耳的感覺，對(duì)噪聲的聲功率級(jí)也有較大影響。改善換向器加工工藝，提高表面質(zhì)量能明顯降低噪聲。機(jī)械噪聲一般隨轉(zhuǎn)速和負(fù)載電流增大而增大，在高速情況下成為電機(jī)噪聲的主要部分［6］。

空氣動(dòng)力噪聲主要由于定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，定轉(zhuǎn)子間的空氣摩擦造成，由于轉(zhuǎn)子開槽的影響，其具體分布為一復(fù)雜的流體場(chǎng)，電機(jī)槽口寬度，氣隙形狀，電機(jī)轉(zhuǎn)速等因素與空氣動(dòng)力噪聲相關(guān)。

電磁噪聲、機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲是電機(jī)噪聲的三大組成部分，各自產(chǎn)生的部位及原因如下［7］：

1）機(jī)械噪聲產(chǎn)生原因：轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)；轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向竄動(dòng)；電劇與換向器或滑環(huán)之間摩擦噪聲；軸承噪聲或軸承潤(rùn)滑不良；定子與轉(zhuǎn)子加工精度差，不同軸度超差；裝配不良等。

2）電磁噪聲產(chǎn)生原因：低頻主波噪聲；齒諧波及高次諧波噪聲；定子磁極位置不對(duì)稱或兩塊磁瓦性能不一致；直槽轉(zhuǎn)子徑向磁力過大；轉(zhuǎn)子兩端調(diào)整墊圈分布不當(dāng)，軸向磁場(chǎng)分力過大；機(jī)殼表面輻射或共振等。

3）空氣動(dòng)力噪聲：齒槽啞鈴聲；氣流道哨聲；自冷風(fēng)扇渦流聲（小電機(jī)不存在）。

本文所述EPS電機(jī)噪聲問題，噪聲與負(fù)載沒有太大關(guān)系，可判斷此聲音不屬于電磁噪音，同時(shí)通過斷開電機(jī)碳刷和換向器的接觸進(jìn)行對(duì)比，判斷此聲音來(lái)自碳刷和換向器之間的摩擦，應(yīng)該屬于機(jī)械噪音。最終選擇電機(jī)碳刷與換向器間的接觸條件作為突破口開展電機(jī)噪聲優(yōu)化的試驗(yàn)研究。

2、試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法

2.1客觀評(píng)價(jià)

測(cè)試電機(jī)在空載12V時(shí)和1180rpm兩種狀態(tài)下進(jìn)行正轉(zhuǎn)（CW）和反轉(zhuǎn)（CCW）的情況，記錄噪聲分析儀的聲壓級(jí)的噪聲值（分貝值）和頻譜分析數(shù)據(jù)。12V時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為空載轉(zhuǎn)速，在2000rpm左右，轉(zhuǎn)速較高，對(duì)應(yīng)快打方向盤的狀況。調(diào)壓使轉(zhuǎn)速降至1180rpm時(shí)，對(duì)應(yīng)電機(jī)較慢速打方向盤時(shí)狀況。測(cè)試的原理和條件如圖2所示。

其中，半消音室的本底噪聲要求L0≤14.0dB（A）；自由場(chǎng)截止頻率f0≤100Hz符合標(biāo)準(zhǔn)ISO3745和GB/T4212.1-2000，懸浮隔振系統(tǒng)固有頻率f≤7Hz。噪聲分析儀為丹麥B&K公司的3560B PULSE多分析儀系統(tǒng)。

2.2主觀評(píng)價(jià)

將電機(jī)裝在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向管柱上，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向管柱固定在測(cè)試臺(tái)架上，快速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱上的方向盤，模擬整車上打方向盤的動(dòng)作，多人耳聽打分取平均，給出1-5的噪音等級(jí)，1級(jí)最優(yōu)，5級(jí)最差。記錄打分結(jié)果。

3、試驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)分析

3.1碳刷接觸面的優(yōu)化研究

通過改變碳刷接觸面的工藝和配合寸進(jìn)而改變與換向器的接觸條件來(lái)實(shí)現(xiàn)改善噪聲。具體的優(yōu)化方案如下：1）碳刷接觸面工藝改為直接燒結(jié)成型面，提高表面光潔度。2）改變碳刷與換向器的尺寸配合，增加雙平臺(tái)雙倒角過渡。如圖3所示。

選擇原碳刷方案和優(yōu)化碳刷方案的電機(jī)各10臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見表1和表2。

從試驗(yàn)結(jié)果看，接觸面原方案的正反轉(zhuǎn)噪聲分貝值41.91dB和41.44dB，主觀評(píng)價(jià)均值為4.1，優(yōu)化方案的正反轉(zhuǎn)分貝值43.04dB和44.28dB，主觀評(píng)價(jià)為2.9。優(yōu)化碳刷接觸面方案的電機(jī)與原方案電機(jī)在噪音分貝值上差異不明顯，但電機(jī)在模擬臺(tái)架上進(jìn)行聽感主觀評(píng)價(jià)時(shí)，主觀感覺優(yōu)化碳刷接觸面方案的電機(jī)的噪音聽感有明顯改善。

表1　碳刷優(yōu)化方案樣測(cè)試Table1　Test of optimized carbon brush

表2　碳刷原方案樣件測(cè)評(píng)表Table2　Test of original carbon brush

3.2換向器表面粗糙度、圓度研究

通過調(diào)節(jié)車削參數(shù)實(shí)現(xiàn)換向器表面粗糙度從小到大變化，選擇換向器表面粗糙為0.5～0.7μm10臺(tái)、0.7～0.9μm10臺(tái)、0.9～1.2μm10臺(tái)，進(jìn)行表面粗糙度對(duì)噪聲影響的研究，編號(hào)1-30，同時(shí)再選10臺(tái)電機(jī)打磨換向器轉(zhuǎn)子圓度，進(jìn)行圓度對(duì)噪聲的影響的研究，編號(hào)30-40。40臺(tái)測(cè)試電機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)Table3　Original test data

為便于觀察分析對(duì)比，對(duì)表3數(shù)據(jù)以電機(jī)編號(hào)為橫坐標(biāo)，評(píng)價(jià)等級(jí)、噪聲、圓度、粗糙度為縱坐標(biāo)繪制折線圖如圖4所示。

先對(duì)粗糙度和圓度進(jìn)行回歸分析，回歸方程為：

粗糙度=-0.1884+0.4990圓度-0.0582

圓度**2+0.002022圓度**3

S=0.103297，R-Sq=75.4%，R-Sq（調(diào)整）=73.2%

粗糙度與圓度的擬合曲線如圖5所示。從回歸分析看，圓度和粗糙度沒有得到具有明顯統(tǒng)計(jì)可信度的回歸方程，但從30-40號(hào)電機(jī)對(duì)應(yīng)的噪聲和主觀評(píng)價(jià)情況看，圓度對(duì)噪聲分貝值的影響不大。

30-40號(hào)電機(jī)主要研究圓度對(duì)噪聲影響的試驗(yàn)樣件，在分析噪聲與粗糙度關(guān)系時(shí)給予剔除，取1-30號(hào)電機(jī)進(jìn)行噪聲與粗糙度的相關(guān)和回歸分析。噪聲與粗糙度的相關(guān)性分析結(jié)果見表4。

表4　噪聲與粗糙度的相關(guān)性分析Table4　Correlation analysisi of noise and roughness

從相關(guān)性分析結(jié)果看，P值都小于0.05，電機(jī)的噪聲分貝值與換向器的表面粗糙度呈負(fù)相關(guān)，且具有統(tǒng)計(jì)意義的明顯性。

噪聲值與粗糙度的回歸分析：回歸方程及S，R-SQ，R-SQ（調(diào)整）值如表5所示，對(duì)應(yīng)的擬合曲線見圖6-圖9。

表5　噪聲與粗糙度的回歸方程Fig.5　Regression equation of noise and roughness

從噪聲值與粗糙度的回歸分析看，未得到具有統(tǒng)計(jì)可信度的回歸方程，但結(jié)合相關(guān)性分析、回歸分析、主觀評(píng)價(jià)分析可知，噪聲值與換向器粗糙度在粗糙度0.5-1.2區(qū)間內(nèi)成負(fù)相關(guān)的關(guān)系，粗糙度越大，電機(jī)聽感的噪音等級(jí)較好。基于以上的試驗(yàn)情況和數(shù)據(jù)分析，最終確定換向器表面粗糙度優(yōu)選為0.9-1.2進(jìn)行控制。

換向器表面粗糙度增大后主要的變化是與碳刷的摩擦?xí)龃螅妓⑹褂昧藷Y(jié)面碳刷后，光潔度增加，且碳刷的燒結(jié)面硬度較碳刷內(nèi)部硬，耐磨程度增加。經(jīng)電機(jī)耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，碳刷磨損情況變化不大。

3.3換向器表面車削刀紋的控制

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)換向器車削時(shí)的刀紋會(huì)對(duì)噪聲也有影響，需要對(duì)車削刀紋進(jìn)行精細(xì)控制。實(shí)際車削時(shí)車削刀紋并非標(biāo)準(zhǔn)的理想波形，非理想化的波形僅使用粗糙度Ra無(wú)法完全說明波形的特征，同樣范圍的粗糙度情況下，可以有不同的刀紋，因此，粗糙度Ra作為車削刀紋的主要評(píng)定參數(shù)同時(shí)還需要通過其他的粗糙度評(píng)定參數(shù)Rq，Rz，Ry來(lái)對(duì)車削，刀紋進(jìn)行評(píng)定和控制。其中，Ra為輪廓算術(shù)平均偏差，Rq為輪廓偏矩的均方根，Rz為微觀不平度十點(diǎn)高度，Ry為輪廓的最大高度。

電摳換向器的車削受到機(jī)床一工具一工件這一系統(tǒng)中各種因素的影響［8］。要獲得滿意的換向器車削精度和表面粗糙度，必須有效地控制各項(xiàng)影響因素，除了換向器車床一刀具本身的調(diào)整外，還需要加強(qiáng)電樞制造工序的質(zhì)量控制。否則，就有可能導(dǎo)致?lián)Q向器車削的精度和表面粗糙度超差。

3.4增加換向器鋸齒狀毛刺打磨工序

換向器車削時(shí)，總是沿著固定的順時(shí)針或者逆時(shí)針的轉(zhuǎn)向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的，由于換向器是由若干個(gè)換向片和換向槽組成的，這樣換向器在車削后就必然會(huì)在槽的一邊出現(xiàn)鋸齒狀毛刺。驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，由于車削方向不同引起的棘輪效應(yīng)也會(huì)影響正反轉(zhuǎn)噪聲。需要增加換向器打磨工序，來(lái)磨掉換向器槽表面的毛刺。

4、結(jié)論

針對(duì)某型電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向電機(jī)噪聲問題，分析了電機(jī)噪聲組成和機(jī)理，以碳刷和換向器的接觸條件為突破口，進(jìn)行試驗(yàn)研究和驗(yàn)證，探尋噪聲優(yōu)化的方案。通過研究分析可知，對(duì)該款電機(jī)而言，碳刷接觸面的設(shè)計(jì)和成型工藝對(duì)噪聲的聽感影響較大；換向器圓度對(duì)噪聲值的影響不大；換向器表面粗糙度在0.5-1.2區(qū)間與噪聲值存在負(fù)相關(guān)，也說明了并非換向器表面粗糙度越小越好，換向器和電刷材料的匹配應(yīng)該有一個(gè)粗糙度的最佳值。最終通過碳刷結(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)化，粗糙度的優(yōu)選，車削刀紋控制、打磨毛刺等方案的實(shí)施，取得了較理想的實(shí)際應(yīng)用效果。

[1]李傳兵,閆兵,雷應(yīng)鋒,等.EPS電機(jī)摩擦噪聲特性分析與控制[J].噪聲與振動(dòng)控制，2012,32（4）：83-87.

[2]桑帥軍，董大偉，閆兵，等.某型電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)噪聲測(cè)試分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2011,4:131-133.

[3]何鵠環(huán).永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)與噪聲的分析[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[4]李寶庫(kù).永磁直流微型電機(jī)噪聲及防治-4永磁直流微型電機(jī)端蓋組件對(duì)噪聲的影響[J].微特電機(jī)，1996,5:37-38.

[5]李寶庫(kù).永磁直流微型電機(jī)噪聲及防治-3永磁直流微型電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)噪聲的影響[J].微特電機(jī)1996,4:38-39.

[6]伍先俊,李志明.汽車電機(jī)噪聲機(jī)理和降噪方法[J].微特電機(jī)，2003,14-16.

[7]李寶庫(kù).永磁直流微型電機(jī)噪聲及防治-1永磁直流微型電機(jī)噪聲的成因[J].微特電機(jī)，1996,2:36-37.

[8]李慶平.微電機(jī)電樞換向器的車削[J].微電機(jī)，1992,25(4)：39-42.

Research on noise optimization of an EPS motor

Zhu Lianbang,Shao Wenbin,Liu Hailiang
(Anhui Jianghuai Automobile Co.,LTD,Anhui Hefei 230601; Guangdong Powerful Motor Co.LTD,Guangdong Foshan 528311）

Aiming at the problem of large noise and poor sense of hearing of an EPS motor.The composition and mechanism of motor noise are analyzed in this paper.The contact condition of a carbon brush and a commutator is focused on.The influence on noise is tested and verified,which is structure and forming process of carbon brush contact surface,roughness,roundness,turning knife,grinding process of commutator.By combining the objective data and subjective evaluation method,and using the correlation and regression analysis to find the optimal solution of the motor noise.Finally,through the implementation of the program,which is optimization of carbon brush contact surface structure and roughness of commutator,the ideal practical application effect is achieved.

EPS; motor; noise; roughness; carbon brush

U463.4

A

1671-7988（2016）08-161-05

朱聯(lián)邦（1985-），男，底盤設(shè)計(jì)工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，主要從事轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。