汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)換向噪聲分析與優(yōu)化

吳林濤

(天合汽車科技(上海)有限公司亞太技術(shù)中心，上海 201800)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，汽車工業(yè)日新月異，發(fā)展迅速。人們對(duì)購(gòu)買汽車的需求不僅局限于安全、價(jià)格實(shí)惠和穩(wěn)定性能好，還越發(fā)注重乘坐質(zhì)量。NVH就是汽車乘坐質(zhì)量評(píng)價(jià)中一項(xiàng)重要的指標(biāo)，其中N代表噪聲(Noise)，V代表振動(dòng)(Vibration)，H代表聲粗糙度(Harshness)，又稱為不平順性或沖擊特性。有數(shù)據(jù)顯示，汽車的NVH問(wèn)題導(dǎo)致了約30%的整車故障，而各汽車主機(jī)廠和各大子系統(tǒng)零部件公司針對(duì)此問(wèn)題的研究經(jīng)費(fèi)超過(guò)全部經(jīng)費(fèi)的20%[1]。而且現(xiàn)在消費(fèi)者不僅要求購(gòu)買的汽車安靜，還要聲音好聽(tīng)，即聲品質(zhì)要好。聲品質(zhì)是一種主觀的概念，常常指一種聲音并沒(méi)有讓人覺(jué)得煩躁，好的聲品質(zhì)應(yīng)該是能讓人感覺(jué)到愉悅的?，F(xiàn)在各大汽車制造商除了關(guān)注噪聲級(jí)別，還特別注重聲品質(zhì)，因?yàn)檫@將影響到一個(gè)汽車品牌在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，噪聲與振動(dòng)通常是緊密相連的，而聲粗糙度是指人通過(guò)各類感官對(duì)車輛噪聲振動(dòng)的綜合評(píng)價(jià)。因此，噪聲、振動(dòng)與聲粗糙度三者之間是相輔相成的關(guān)系[1]。汽車噪聲與振動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)有以下三個(gè)方面[2]：(1)車內(nèi)噪聲評(píng)價(jià)；(2)系統(tǒng)和零部件的評(píng)價(jià)；(3)“通過(guò)噪聲”。

在評(píng)價(jià)噪聲時(shí)，又可分為主觀評(píng)價(jià)和客觀分析。兩者互補(bǔ)評(píng)價(jià)，在具體研究過(guò)程中很難用定量的方法來(lái)描述兩者的關(guān)系。在主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)中，又包括主觀定級(jí)和聲品質(zhì)，表1列出了主觀定級(jí)中的10個(gè)級(jí)別和相應(yīng)的噪聲大小以及舒適度之間的關(guān)系[2]。

表1 主觀定級(jí)級(jí)別關(guān)系表

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng)主要表現(xiàn)為方向盤的振動(dòng)，它是影響整車NVH的重要因素之一。另外，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在全球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)由原先的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Hydraulic Power Steering, HPS)向電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering, EPS)轉(zhuǎn)變。對(duì)于日本、歐洲和北美這些成熟的汽車市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，在20年前這一轉(zhuǎn)變就已發(fā)生。而在亞太和南美等地區(qū)，雖然遲了幾年，但也發(fā)展迅速，對(duì)這些地區(qū)的各大汽車制造商來(lái)說(shuō)，成本是決定采用一項(xiàng)技術(shù)最重要的驅(qū)動(dòng)之一，而管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Column Drive Electric Power Steering, CD-EPS)正好是在能滿足這個(gè)要求下的最好選擇[3]，并且CD-EPS比傳統(tǒng)的HPS具有更好的NVH性能。

1 管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)常見(jiàn)噪聲介紹

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的噪聲問(wèn)題是系統(tǒng)性的問(wèn)題，各子零部件之間相互影響，若要改善這些問(wèn)題，必須從系統(tǒng)的角度出發(fā)進(jìn)行分析考慮。下面根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況和方向盤在不同狀態(tài)下，把管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的噪聲分為如下3個(gè)類別:

(1)運(yùn)行噪聲(Running noise)：在駐車情況下，以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤到極限位置所激發(fā)出來(lái)的噪聲，一般與電機(jī)或軸承有關(guān)。比如：隆隆聲(Rumble noise，一種持續(xù)的低沉而洪亮的噪聲，頻率為100～300 Hz),顫動(dòng)聲(Dither/Shudder noise, 頻率為10～30 Hz), 還有類似點(diǎn)擊鼠標(biāo)發(fā)出的喀噠聲(Click noise)。這類噪聲是電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中最基本也是最常見(jiàn)的噪聲，因?yàn)殡姍C(jī)和軸承是EPS最基本和最容易產(chǎn)生噪聲的部件，通過(guò)這兩個(gè)部件噪聲階次分析，可以迅速找出EPS絕大部分噪聲來(lái)源[4]。

(2)瞬態(tài)噪聲(Transient noise): 以不同的速度在鵝卵石路面行駛所激發(fā)出的噪聲。類似于清脆的金屬撞擊聲，通常是相鄰零部件之間的碰撞敲擊所致，比如：嗒嗒的碰擊聲(Rattle noise)，嗡嗡聲(Buzz noise)，還有刺耳的嘎吱聲，類似于老式木頭門的開(kāi)門聲(Stick-slip noise，又稱Groaning、Creaking、Grinding、Cracking、Squeaking noise)[5-7]。這種噪聲是由相鄰配合件之間干摩擦或潤(rùn)滑不充分所致[7]。

(3)換向噪聲(Reversal noise): 在駐車情況下，勻速來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(頻率大約為1 Hz)，在換向的時(shí)候發(fā)出咯咯的寬頻帶噪聲(Knocking/Clunk noise)，類似沉悶的金屬關(guān)門聲，是由振動(dòng)沖擊引起的，主要是配合間隙所產(chǎn)生的聲音。

2 某型號(hào)乘用車換向噪聲分析與優(yōu)化

某主機(jī)廠乘用車在原地來(lái)回打方向盤出現(xiàn)換向噪聲，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)NVH專家分析，該噪聲的主觀評(píng)價(jià)為5分，需要改進(jìn)。如上所述，駐車情況下的換向噪聲與零部件之間的配合有關(guān)，這就為調(diào)查指明了方向。所以后續(xù)選取了一臺(tái)有異響車(NVH主觀評(píng)價(jià)為5分)和一臺(tái)無(wú)異響車(NVH主觀評(píng)價(jià)為7分)做對(duì)比分析。用三軸加速度傳感器分別采集了兩臺(tái)車上4個(gè)位置的數(shù)據(jù)，分別在齒輪箱殼體(以下簡(jiǎn)稱點(diǎn)H)、中間軸上節(jié)叉配合處(以下簡(jiǎn)稱點(diǎn)B)、中間軸下節(jié)叉配合處(以下簡(jiǎn)稱點(diǎn)C)、轉(zhuǎn)向機(jī)齒輪齒條擬合處(以下簡(jiǎn)稱點(diǎn)D)(如圖1所示)，同時(shí)在車廂靠近方向盤位置固定安裝了麥克風(fēng)用以采集噪聲數(shù)據(jù)。通過(guò)這5個(gè)傳感器采集到的噪聲和振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，運(yùn)用時(shí)域分析進(jìn)行對(duì)比。

對(duì)機(jī)械設(shè)備故障進(jìn)行診斷，常用的信號(hào)處理方法有時(shí)域分析、頻域分析和時(shí)頻分析。每種算法都各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，不同設(shè)備和不同故障應(yīng)有針對(duì)性地選擇不同的信號(hào)處理方法，方法的選擇對(duì)結(jié)果的分析和信號(hào)特征的提取有較大的影響。振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)是時(shí)間波形的形式，它的時(shí)域波形直觀、便于理解。因此在不平衡、不對(duì)中及沖擊等故障信號(hào)波形具有明顯特征的情況下，多利用時(shí)域波形先做分析[8-9]。

圖1 振動(dòng)傳感器采集位置示意圖

下面通過(guò)分析安裝在車廂內(nèi)靠近方向盤的麥克風(fēng)采集到的噪聲數(shù)據(jù)，得到如圖2所示的聲壓數(shù)據(jù)對(duì)比圖。

從圖2的對(duì)比結(jié)果可以看出，有異響車的噪聲水平比無(wú)異響車要高一些。

下面通過(guò)兩種數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析該異響問(wèn)題，圖3—圖6所呈現(xiàn)的是在單獨(dú)一輛車上4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比圖，圖7和圖8所呈現(xiàn)的是把兩輛車點(diǎn)B和點(diǎn)C處的振動(dòng)數(shù)據(jù)分別放在一起的對(duì)比圖。因?yàn)閭鞲衅魇侨S的，所以測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)有3個(gè)方向，分析時(shí)提取振動(dòng)幅值最大的那個(gè)數(shù)據(jù)。

圖3 無(wú)異響車的振動(dòng)數(shù)據(jù)

對(duì)圖3的振動(dòng)數(shù)據(jù)選取一小段進(jìn)行局部放大比較，如圖4所示。

從圖3和圖4的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果可以看出： 無(wú)異響車上點(diǎn)B在X方向上的最大振幅約為5 m/s2，點(diǎn)C在X方向上的最大振幅約為2 m/s2。相對(duì)來(lái)說(shuō)，無(wú)異響車上的點(diǎn)B和點(diǎn)C處的振動(dòng)幅值比其他觀測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)幅值只大了一點(diǎn)，整體振動(dòng)不明顯。

對(duì)圖5的振動(dòng)數(shù)據(jù)選取一小段進(jìn)行局部放大比較(如圖6所示)。

圖5 有異響車的振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖6 有異響車某時(shí)段振動(dòng)數(shù)據(jù)放大圖

從圖5和圖6的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果可以看出：異響車上點(diǎn)B在X方向上的最大振幅約為4 m/s2，點(diǎn)C在X方向上的最大振幅約為12 m/s2。很明顯，異響車上點(diǎn)C處的振動(dòng)明顯比其他點(diǎn)大很多。通過(guò)對(duì)比圖4和圖6的數(shù)據(jù)可知，異響車上點(diǎn)B在X方向上的振動(dòng)幅值和無(wú)異響車上的數(shù)據(jù)差不多；而在點(diǎn)C上差異很明顯，異響車的振動(dòng)幅值大約是無(wú)異響車的6倍。為了更直觀地看出兩輛車上的數(shù)據(jù)差異，下面把兩輛車上點(diǎn)B和點(diǎn)C在X方向上的振動(dòng)數(shù)據(jù)分別放在一起做對(duì)比分析，如圖7和圖8所示。

圖7 兩輛車點(diǎn)B處振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

圖8 兩輛車點(diǎn)C處振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

從圖7的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果可以看出：兩車在點(diǎn)B處的振動(dòng)幅值差異不大。

從圖8的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果可以看出：兩輛車在點(diǎn)C處X方向上的振動(dòng)幅值差異很大。

通過(guò)以上分析可得出如下結(jié)論：該乘用車上出現(xiàn)的原地?fù)Q向噪聲問(wèn)題與點(diǎn)C處有關(guān)，即問(wèn)題出現(xiàn)在中間軸下節(jié)叉和機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸配合的地方，而且是因?yàn)樵撎幍呐浜祥g隙過(guò)大所致。

通過(guò)排查整套轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)各零部件的批次差異，發(fā)現(xiàn)異響車和無(wú)異響車上的機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸分別由兩家不同的供應(yīng)商提供。應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)比兩家供應(yīng)商的過(guò)程能力，發(fā)現(xiàn)無(wú)異響件批次的輸入軸的花鍵跨棒距處在公差帶中值附近(如圖9所示)，而異響件批次的輸入軸的花鍵跨棒距處在公差帶偏下差附近(如圖10所示)，也就是說(shuō)異響件的輸入軸花鍵跨棒距比無(wú)異響件小。

圖9 正常批次的輸入軸跨棒距統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖10 異響件批次的輸入軸跨棒距統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

由此可知，兩批機(jī)械轉(zhuǎn)向器輸入軸的差異就是產(chǎn)生該乘用車原地?fù)Q向噪聲的根本原因。后續(xù)通過(guò)試制200件輸入軸，保證它的花鍵跨棒距往公差帶中值提升，并通過(guò)后續(xù)裝車跟蹤，不再出現(xiàn)和之前一樣的換向噪聲問(wèn)題。因此，只需把機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸花鍵的跨棒距直徑往公差帶中值及以上控制，從而控制點(diǎn)C處的配合間隙，就可妥善解決該換向噪聲問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了更快更準(zhǔn)確地分析噪聲問(wèn)題，找出根本原因，幫助客戶解決問(wèn)題，首先指派一名NVH專家去現(xiàn)場(chǎng)做主觀評(píng)價(jià)和客觀分析。如果子系統(tǒng)已經(jīng)從噪聲車上被拆除，那么必須向有關(guān)人員詢問(wèn)并記錄盡可能多的信息以便于后續(xù)復(fù)現(xiàn)和調(diào)查噪聲問(wèn)題，包括但不局限于以下信息：(1)測(cè)試車輛類型；(2)測(cè)試車輛的公里數(shù)；(3)測(cè)試路況；(4)測(cè)試速度；(5)噪聲是連續(xù)的還是離散的；(6)噪聲的水平；(7)方向盤轉(zhuǎn)速；(8)出現(xiàn)噪聲時(shí)方向盤的位置；(9)出現(xiàn)的次數(shù)；(10)不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況下的表現(xiàn)。

以上所列的這些信息并不是唯一的，其他任何一個(gè)被認(rèn)為可能跟噪聲問(wèn)題有關(guān)的信息都應(yīng)該被記錄下來(lái)，比如各子零部件的供應(yīng)商是否變更過(guò)。

通過(guò)具體分析某乘用車換向噪聲問(wèn)題，證明了該噪聲問(wèn)題確實(shí)和零部件之間的配合間隙有關(guān)，控制好配合部位的配合間隙就能預(yù)防該類噪聲的出現(xiàn)。從而也驗(yàn)證了前面提到的問(wèn)題所描述方法的有效性，即在記錄噪聲問(wèn)題時(shí)，應(yīng)盡全面地記錄相關(guān)信息，以便后續(xù)調(diào)查研究。文中的研究結(jié)果和提出的方法對(duì)研究汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的噪聲問(wèn)題具有實(shí)際意義。