某車型液壓轉(zhuǎn)向泵嘯叫優(yōu)化研究

方宜學(xué)，鐘秤平，徐高新，段龍楊，繆明學(xué)

（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(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

隨著生活水平提高和汽車制造技術(shù)的日新月異，客戶對NVH 問題關(guān)注度越來越高。數(shù)據(jù)表明，售后的抱怨問題有40%與振動(dòng)噪聲相關(guān)，所以衡量一臺(tái)車的好與壞，NVH 也成為一個(gè)重要性能指標(biāo)。在汽車行業(yè)NVH 工程師的努力下，汽車的主要噪聲（發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、進(jìn)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(guān)注度小的噪聲就凸顯出來。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(yán)重影響車輛聲品質(zhì)。

本文對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲分類及其產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了闡述分析，并且應(yīng)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(xiàn)轉(zhuǎn)向泵嘯叫問題進(jìn)行試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，鎖定嘯叫產(chǎn)生原因，并對轉(zhuǎn)向泵側(cè)板及泵蓋進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，解決該問題。

1 轉(zhuǎn)向泵噪聲分類及產(chǎn)生機(jī)理

國內(nèi)皮卡主機(jī)廠大多數(shù)采用葉片式轉(zhuǎn)向泵。葉片式轉(zhuǎn)向泵產(chǎn)生的噪聲主要分為4 類：困油噪聲、脈動(dòng)噪聲、氣蝕噪聲和碰撞噪聲[1]。液壓轉(zhuǎn)向泵兩葉片之間的工作腔進(jìn)入吸油腔或排油腔時(shí)，就會(huì)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(huì)受到較大沖擊，從而產(chǎn)生困油噪聲；脈動(dòng)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(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；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，底部受力過大，造成葉片頂部與定子表面接觸比壓過大，從而產(chǎn)生噪聲；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形成氣泡。氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生氣蝕噪聲。

針對這些問題，劉巍、王世明[2]研究了阻尼槽結(jié)構(gòu)參數(shù)與預(yù)升壓力及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速、工作壓力、油液粘度、阻尼槽結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，對阻尼槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)卸荷槽，轉(zhuǎn)向泵噪聲降低了3 dBA；Erasmo F.Vergara[4]等人采用階次分析法對轉(zhuǎn)向泵臺(tái)架輻射噪聲進(jìn)行客觀評價(jià)，在轉(zhuǎn)向泵工作轉(zhuǎn)速內(nèi)，施加了2 種壓力載荷進(jìn)行測量，對轉(zhuǎn)向泵的脈動(dòng)壓力輸出振動(dòng)的影響進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2.1 轉(zhuǎn)向泵相關(guān)參數(shù)

該車型轉(zhuǎn)向泵相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 轉(zhuǎn)向泵相關(guān)參數(shù)Tab.1 Steering pump parameters

2.2 問題描述-主觀駕評

某皮卡車型在研發(fā)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(jìn)一步駕評確認(rèn)，該嘯叫與擋位、車速無關(guān)，只與轉(zhuǎn)速相關(guān)，問題轉(zhuǎn)速在1 800～3 000 r/min 范圍，所以初步懷疑發(fā)動(dòng)機(jī)輪系或者其旋轉(zhuǎn)附件有關(guān)。

2.3 問題識(shí)別-階次及頻譜分析

液壓助力轉(zhuǎn)向泵工作時(shí)的振動(dòng)與噪聲主要來源于葉片泵在助力油中的轉(zhuǎn)動(dòng)沖擊，其主要噪聲的頻率與葉片泵轉(zhuǎn)速相關(guān)，可對其進(jìn)行階次分析[5]。

頻譜分析法是對噪聲識(shí)別的一種重要分析手段，針對往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械件或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械件，通常都可以在它們的噪聲頻譜信號(hào)中找到與轉(zhuǎn)速及對應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性有關(guān)的峰值，本文通過對測量到的噪聲信號(hào)作頻譜分析來識(shí)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(yīng)”[7]，借助數(shù)據(jù)采集分析軟件LMS 及振動(dòng)傳感器，并在車內(nèi)主駕安裝麥克風(fēng)傳感器，如圖1 所示。對采集到的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，頻譜分析結(jié)果如圖2 所示。對采集到的數(shù)據(jù)通過聽音室進(jìn)行回放，確認(rèn)了主要抱怨為40.2 階、53.6 階及67 階噪聲。通過計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)及其旋轉(zhuǎn)附件（高壓油泵、空調(diào)壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)輪系等）階次、轉(zhuǎn)向泵本體階次與上述嘯叫階次存在非常好的對應(yīng)關(guān)系。

圖1 噪聲測點(diǎn)位置Fig.1 Noise acquisition location

圖2 車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)Fig.2 Interior noise data

轉(zhuǎn)向泵階次及其頻率計(jì)算公式如下：

階次計(jì)算公式

式中：D1——曲軸皮帶輪直徑；D2——轉(zhuǎn)向泵皮帶輪直徑；Z——轉(zhuǎn)向泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)葉片數(shù)。

頻率計(jì)算公式

式中：K——諧波次數(shù)；Z——轉(zhuǎn)向泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)葉片數(shù)；N——轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速。

該皮卡車型D1/D2=1.34，所以13.4 為該轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向泵產(chǎn)生。為了進(jìn)一步確認(rèn)產(chǎn)生部件，在轉(zhuǎn)向泵及其他附件增加振動(dòng)傳感器，如圖3 所示。

圖3 轉(zhuǎn)向泵及其他部件測點(diǎn)位置Fig.3 Steering pump and other components location

客觀數(shù)據(jù)顯示（如圖4 所示），轉(zhuǎn)向泵本體振動(dòng)與車內(nèi)噪聲形成非常好的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步確認(rèn)了嘯叫由轉(zhuǎn)向泵內(nèi)部產(chǎn)生。

圖4 車內(nèi)噪聲與振動(dòng)數(shù)據(jù)對比Fig.4 Comparison of interior noise and vibration data

通過整車上對轉(zhuǎn)向泵進(jìn)行聲學(xué)包裹，識(shí)別該嘯叫是通過結(jié)構(gòu)傳遞還是空氣傳遞?？陀^數(shù)據(jù)顯示（如圖5、圖6 所示），轉(zhuǎn)向泵聲包后嘯叫有一定優(yōu)化，但是主觀駕評依然明顯，可以確定結(jié)構(gòu)傳遞為主要路徑，空氣傳播為次要路徑。

圖5 轉(zhuǎn)向泵聲包后Fig.5 Sound package of steering pump

圖6 轉(zhuǎn)向泵聲包前后車內(nèi)數(shù)據(jù)對比Fig.6 Comparison of noise data before and after steering pump sound package

3 優(yōu)化方案及驗(yàn)證

根據(jù)以上客觀數(shù)據(jù)，可以得出該問題為上述的脈動(dòng)噪聲，并且是通過結(jié)構(gòu)傳遞至駕駛室而引起抱怨，解決該問題只能優(yōu)化側(cè)板消音槽及泵蓋設(shè)計(jì)。優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對比如圖7、圖8 所示。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)是將泵蓋與側(cè)板合成一體，并且側(cè)板的消音器也進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，減少轉(zhuǎn)向液在側(cè)板與泵蓋之間來回流動(dòng)，進(jìn)而起到降低噪聲的作用。

圖7 優(yōu)化前側(cè)板Fig.7 Baseline plate

圖8 優(yōu)化后側(cè)板及泵蓋Fig.8 Opt plate and pump cover

將優(yōu)化結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向泵裝車駕評及測試，主觀駕評完全可接受，客觀數(shù)據(jù)見圖9、圖10。數(shù)據(jù)顯示40.2 階，53.6 階，67 階優(yōu)化非常明顯，主觀可接受。

圖9 優(yōu)化轉(zhuǎn)向泵結(jié)構(gòu)前后車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)對比Fig.9 Comparison of noise data between baseline and opt of steering pump

圖10 優(yōu)化轉(zhuǎn)向泵結(jié)構(gòu)前后車內(nèi)噪聲頻譜數(shù)據(jù)對比Fig.10 Comparison of spectrum noise data between baseline and opt of steering pump

4 結(jié)論

本文對轉(zhuǎn)向泵噪聲及產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)合減速嘯叫工況，對比測試分析轉(zhuǎn)向泵及發(fā)動(dòng)機(jī)附件，鎖定問題產(chǎn)生原因，并且從轉(zhuǎn)向泵本體內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，提出優(yōu)化脈動(dòng)噪聲方案，即減少轉(zhuǎn)向液流通通道并且合理設(shè)計(jì)消音槽，有效解決該問題。