某車型液壓轉向泵嘯叫優化研究

方宜學，鐘秤平，徐高新，段龍楊，繆明學

（1.330001 江西省 南昌市 江鈴汽車股份有限公司；2.330001 江西省 南昌市 江西省汽車噪聲與振動重點實驗室）

0 引言

隨著生活水平提高和汽車制造技術的日新月異，客戶對NVH 問題關注度越來越高。數據表明，售后的抱怨問題有40%與振動噪聲相關，所以衡量一臺車的好與壞，NVH 也成為一個重要性能指標。在汽車行業NVH 工程師的努力下，汽車的主要噪聲（發動機噪聲、進排氣噪聲、輪胎噪聲、變速箱噪聲等）得到了有效的控制，但是主要噪聲降低后，以往關注度小的噪聲就凸顯出來。轉向系統噪聲屬于該類噪聲，該噪聲屬于中高頻，聲壓級不大，但是容易讓人煩躁不安，嚴重影響車輛聲品質。

本文對轉向系統噪聲分類及其產生機理進行了闡述分析，并且應用階次分析及頻譜分析，針對某皮卡車型減速3 000～1 800 r/min 工況出現轉向泵嘯叫問題進行試驗及數據分析，鎖定嘯叫產生原因，并對轉向泵側板及泵蓋進行設計優化，解決該問題。

1 轉向泵噪聲分類及產生機理

國內皮卡主機廠大多數采用葉片式轉向泵。葉片式轉向泵產生的噪聲主要分為4 類：困油噪聲、脈動噪聲、氣蝕噪聲和碰撞噪聲[1]。液壓轉向泵兩葉片之間的工作腔進入吸油腔或排油腔時，就會形成回沖（從排油腔到工作腔）和逆流（工作腔到吸油腔）。若排油壓力過高，葉片等部件就會受到較大沖擊，從而產生困油噪聲；脈動噪聲是流體噪聲的主要成分，液壓泵中液壓油的流量及壓力呈周期性變化，這種變化會引起油液產生周期性的脈動，繼而產生在流體中傳播的壓力波，壓力波會引起系統中元件及管路受迫振動產生噪聲；碰撞噪聲由葉片與定子曲線摩擦、碰撞引起，葉片與定子發生摩擦主要是由于葉片所受液壓力不平衡，底部受力過大，造成葉片頂部與定子表面接觸比壓過大，從而產生噪聲；油液被吸入時，若油液中溶解或混入了一定的氣體，當局部區域油液壓力下降至空氣分離壓時，一部分氣體就逐漸從液體中分離出來形成氣泡。氣泡破裂時產生氣蝕噪聲。

針對這些問題，劉巍、王世明[2]研究了阻尼槽結構參數與預升壓力及驅動轉速、工作壓力、油液粘度、阻尼槽結構參數之間的關系，對阻尼槽結構進行優化設計后，轉向泵噪聲降低了3.77 dBA；張同波[3]研究了在左右封閉容積吸、壓油腔初始端設計卸荷槽，轉向泵噪聲降低了3 dBA；Erasmo F.Vergara[4]等人采用階次分析法對轉向泵臺架輻射噪聲進行客觀評價，在轉向泵工作轉速內，施加了2 種壓力載荷進行測量，對轉向泵的脈動壓力輸出振動的影響進行了驗證。

2 試驗及數據分析

2.1 轉向泵相關參數

該車型轉向泵相關參數見表1。

表1 轉向泵相關參數Tab.1 Steering pump parameters

2.2 問題描述-主觀駕評

某皮卡車型在研發過程中，第1 批樣車下線，主觀駕評批量樣車在減速過程中存在明顯嘯叫，進一步駕評確認，該嘯叫與擋位、車速無關，只與轉速相關，問題轉速在1 800～3 000 r/min 范圍，所以初步懷疑發動機輪系或者其旋轉附件有關。

2.3 問題識別-階次及頻譜分析

液壓助力轉向泵工作時的振動與噪聲主要來源于葉片泵在助力油中的轉動沖擊，其主要噪聲的頻率與葉片泵轉速相關，可對其進行階次分析[5]。

頻譜分析法是對噪聲識別的一種重要分析手段，針對往復運動的機械件或者旋轉運動機械件，通常都可以在它們的噪聲頻譜信號中找到與轉速及對應系統結構特性有關的峰值，本文通過對測量到的噪聲信號作頻譜分析來識別主要噪聲源[6]。

本文采用了針對NVH 問題重要分析理論即“源頭-傳遞路徑-響應”[7]，借助數據采集分析軟件LMS 及振動傳感器，并在車內主駕安裝麥克風傳感器，如圖1 所示。對采集到的信號進行頻譜分析，頻譜分析結果如圖2 所示。對采集到的數據通過聽音室進行回放，確認了主要抱怨為40.2 階、53.6 階及67 階噪聲。通過計算，發動機及其旋轉附件（高壓油泵、空調壓縮機、發電機、發動機輪系等）階次、轉向泵本體階次與上述嘯叫階次存在非常好的對應關系。

圖1 噪聲測點位置Fig.1 Noise acquisition location

圖2 車內噪聲數據Fig.2 Interior noise data

轉向泵階次及其頻率計算公式如下：

階次計算公式

式中：D1——曲軸皮帶輪直徑；D2——轉向泵皮帶輪直徑；Z——轉向泵內部結構葉片數。

頻率計算公式

式中：K——諧波次數；Z——轉向泵內部結構葉片數；N——轉向泵轉速。

該皮卡車型D1/D2=1.34，所以13.4 為該轉向泵1 階，2 階為26.8，3 階為40.2，4 階為53.6，5 階為67。初步懷疑該嘯叫由轉向泵產生。為了進一步確認產生部件，在轉向泵及其他附件增加振動傳感器，如圖3 所示。

圖3 轉向泵及其他部件測點位置Fig.3 Steering pump and other components location

客觀數據顯示（如圖4 所示），轉向泵本體振動與車內噪聲形成非常好的對應關系，進一步確認了嘯叫由轉向泵內部產生。

圖4 車內噪聲與振動數據對比Fig.4 Comparison of interior noise and vibration data

通過整車上對轉向泵進行聲學包裹，識別該嘯叫是通過結構傳遞還是空氣傳遞。客觀數據顯示（如圖5、圖6 所示），轉向泵聲包后嘯叫有一定優化，但是主觀駕評依然明顯，可以確定結構傳遞為主要路徑，空氣傳播為次要路徑。

圖5 轉向泵聲包后Fig.5 Sound package of steering pump

圖6 轉向泵聲包前后車內數據對比Fig.6 Comparison of noise data before and after steering pump sound package

3 優化方案及驗證

根據以上客觀數據，可以得出該問題為上述的脈動噪聲，并且是通過結構傳遞至駕駛室而引起抱怨，解決該問題只能優化側板消音槽及泵蓋設計。優化前后結構對比如圖7、圖8 所示。優化后的結構是將泵蓋與側板合成一體，并且側板的消音器也進行了重新設計，減少轉向液在側板與泵蓋之間來回流動，進而起到降低噪聲的作用。

圖7 優化前側板Fig.7 Baseline plate

圖8 優化后側板及泵蓋Fig.8 Opt plate and pump cover

將優化結構的轉向泵裝車駕評及測試，主觀駕評完全可接受，客觀數據見圖9、圖10。數據顯示40.2 階，53.6 階，67 階優化非常明顯，主觀可接受。

圖9 優化轉向泵結構前后車內噪聲數據對比Fig.9 Comparison of noise data between baseline and opt of steering pump

圖10 優化轉向泵結構前后車內噪聲頻譜數據對比Fig.10 Comparison of spectrum noise data between baseline and opt of steering pump

4 結論

本文對轉向泵噪聲及產生機理進行了詳細分析，結合減速嘯叫工況，對比測試分析轉向泵及發動機附件，鎖定問題產生原因，并且從轉向泵本體內部結構分析，提出優化脈動噪聲方案，即減少轉向液流通通道并且合理設計消音槽，有效解決該問題。