某型號轉向器液壓共振分析與改進

劉健，張鵬

(1.航空工業新航豫北轉向系統(新鄉)有限公司，河南新鄉 453003；2. 中汽檢測技術有限公司，廣東廣州 510000)

0 引言

汽車轉向系統的NVH問題，非常容易被駕駛員感知，引起不悅。傳統的汽車動力轉向器由液壓系統提供助力，涉及的液壓系統NVH問題，要求對轉向器內部結構、液壓系統、流體力學等方面均有一定的了解，方能從機理上對NVH問題進行分析及改進。

文中所述某車型在原地轉向或者低速(<10 km/h)行駛轉向時，輪胎甚至整車會出現抖動現象，并有時伴隨“engeng”聲，針對此問題展開分析研究工作。

1 轉向系統工作原理

1.1 液壓轉向系統介紹

乘用車中常見的液壓轉向系統由液壓齒輪齒條式轉向器和液壓系統組成，液壓系統包含油泵、高壓油管、低壓油管、油壺、吸油管等。汽車轉向時，駕駛員直接轉動方向盤提供一部分轉動力矩，通過管柱和中間軸驅動動力轉向器輸入軸，引起轉閥旋轉，進而使液壓系統開始工作，對汽車轉向提供助力，幫助駕駛員完成轉向操作。簡而言之，液壓轉向系統是在機械轉向系統的基礎上架設一套動力轉向裝置而形成的。

油泵吸油口通過吸油管從油壺中吸油，再經過油泵出油口將帶有一定壓力的油液輸送給轉向器進油口，轉向器回油口的油液直接回到油壺中，這樣形成一個工作循環。圖1所示為齒輪齒條動力轉向系統示意圖。

圖1 齒輪齒條動力轉向系統示意圖

1.2 油泵結構工作原理

轉向系統普遍使用雙作用葉片泵，雙作用葉片泵由兩段長半徑圓弧、兩段短半徑圓弧和4段過渡曲線組成，且定子和轉子是同心的，當轉子順時針方向旋轉時，密封工作腔的容積在左上角和右下角逐漸增大，為吸油區；在左下角和右上角逐漸減小，為壓油區。吸油區和壓油區之間有一段封油區將吸、壓油區隔開。這種泵的轉子每轉一周，每個密封工作腔完成吸油和壓油動作各兩次，所以稱為雙作用葉片泵。圖2所示為雙作用葉片泵工作原理。

圖2 雙作用葉片泵工作原理

2 液壓共振產生的機制及改進方案

2.1 液壓共振產生的機制

從上面已經得知，油泵每旋轉一圈吸油兩次，壓油兩次，導致旋轉一圈對外產生兩個壓力脈沖，從而引起油液波動，并經過出油口向整個轉向系統傳播；當這個激勵頻率與轉向器閥組件頻率相吻合，并且能量達到一定值時液壓共振便會發生，因為油液周期性波動，導致輸出力也存在周期性波動，從而通過轉向器拉桿傳遞到輪胎和懸架，導致出現NVH問題。

2.2 改進方案

解決共振異響常見的思路：改變振動源(油泵)的振動頻率、降低振動源的能量，改變響應(轉向器閥組件)的固有頻率。從成本和周期方面考慮，改變閥組件的固有頻率更便捷成本更低，但是從操縱穩定性方面看，閥組件是不允許輕易變更的，而振動源的頻率是由轉速決定的。綜合考慮，只有降低振動源的能量才是最合適的方案。

如圖3所示，在高壓油管軟管部分增加降噪管是一種降低振動能量常用的方法。其原理是運用1/4波長理論，讓轉向液在高壓油管中產生的壓力波動在出口截面產生反作用波動，其相位與原始波動有相位差，原始波與反作用波疊加，由于有相位差，振幅發生抵消，當轉向液進入轉向器之前，振動振幅降低，壓力波動能量降低，不足以引起共振。降噪管工作示意圖如圖4所示。

圖3 降噪芯圖片

圖4 降噪管工作示意圖

3 實車測試案例

3.1 數采系統設備信息

此次實車NVH試驗使用了LMS數采設備(8通道)，表1所列為測試的主要設備。

表1 振動噪聲測試主要設備

3.2 實車測點布置及測試過程

根據異響現象，三軸加速度傳感器粘貼在轉向器的左拉桿上，油壓變送器通過三通接頭連接在轉向器的進油口處，其中三軸加速度傳感器的方向和整車方向定義一致。

按照實車異響現象產生條件，確定了測試工況為車輛怠速狀態下原地慢速轉動方向盤。測試對象分為原始狀態和改進狀態，測試內容為轉向器進油油壓波動和左拉桿振動。

4 測試結果分析

實車的測點布置位置如圖5所示。通過加速度信號和油壓信號的時域信號比對(如圖6所示)，發現兩者存在周期性波動，并且波動相吻合，說明拉桿加速度振動和油壓波動相關；并且拉桿加速度振動主要集中在Y方向，即拉桿的軸向方向，也是轉向器輸出力的方向，說明輪胎抖動和加速度振動相吻合。油壓波動達到2.7 MPa，振幅異常。

圖5 實車的測點布置位置

圖6 時域信號分析-原始狀態

通過兩者的頻域信號比對(如圖7所示)，油壓波動頻率為25 Hz，與油泵的周期性壓油頻率一致。

圖7 頻域信號分析

通過改進高壓油管，增加降噪芯后，再次測試評價(如圖8所示)，油壓波動依然存在0.8 MPa，但是主觀上感覺不到。

圖8 時域信號分析-改進狀態

5 結論

從以上可以看出，當出現液壓共振故障時，高壓油管通過采用降噪芯可以有效降低油壓波動，降低振動能量從而消除液壓共振現象，此改進方案具有改進周期短、成本增加少、不影響操穩性能等優點。