汽車轉向系統換向噪聲分析與優化

吳林濤

(天合汽車科技(上海)有限公司亞太技術中心，上海 201800)

0 引言

進入21世紀以來，汽車工業日新月異，發展迅速。人們對購買汽車的需求不僅局限于安全、價格實惠和穩定性能好，還越發注重乘坐質量。NVH就是汽車乘坐質量評價中一項重要的指標，其中N代表噪聲(Noise)，V代表振動(Vibration)，H代表聲粗糙度(Harshness)，又稱為不平順性或沖擊特性。有數據顯示，汽車的NVH問題導致了約30%的整車故障，而各汽車主機廠和各大子系統零部件公司針對此問題的研究經費超過全部經費的20%[1]。而且現在消費者不僅要求購買的汽車安靜，還要聲音好聽，即聲品質要好。聲品質是一種主觀的概念，常常指一種聲音并沒有讓人覺得煩躁，好的聲品質應該是能讓人感覺到愉悅的。現在各大汽車制造商除了關注噪聲級別，還特別注重聲品質，因為這將影響到一個汽車品牌在市場上的競爭力。

在機械運動中，噪聲與振動通常是緊密相連的，而聲粗糙度是指人通過各類感官對車輛噪聲振動的綜合評價。因此，噪聲、振動與聲粗糙度三者之間是相輔相成的關系[1]。汽車噪聲與振動的評價指標有以下三個方面[2]：(1)車內噪聲評價；(2)系統和零部件的評價；(3)“通過噪聲”。

在評價噪聲時，又可分為主觀評價和客觀分析。兩者互補評價，在具體研究過程中很難用定量的方法來描述兩者的關系。在主觀評價指標中，又包括主觀定級和聲品質，表1列出了主觀定級中的10個級別和相應的噪聲大小以及舒適度之間的關系[2]。

表1 主觀定級級別關系表

汽車轉向系統的噪聲與振動主要表現為方向盤的振動，它是影響整車NVH的重要因素之一。另外，隨著技術的發展，現在全球轉向系統的發展趨勢已經由原先的液壓動力轉向系統(Hydraulic Power Steering, HPS)向電動助力轉向系統(Electric Power Steering, EPS)轉變。對于日本、歐洲和北美這些成熟的汽車市場來說，在20年前這一轉變就已發生。而在亞太和南美等地區，雖然遲了幾年，但也發展迅速，對這些地區的各大汽車制造商來說，成本是決定采用一項技術最重要的驅動之一，而管柱式電動助力轉向系統(Column Drive Electric Power Steering, CD-EPS)正好是在能滿足這個要求下的最好選擇[3]，并且CD-EPS比傳統的HPS具有更好的NVH性能。

1 管柱式電動助力轉向系統常見噪聲介紹

轉向系統的噪聲問題是系統性的問題，各子零部件之間相互影響，若要改善這些問題，必須從系統的角度出發進行分析考慮。下面根據發動機在不同工況和方向盤在不同狀態下，把管柱式電動助力轉向系統的噪聲分為如下3個類別:

(1)運行噪聲(Running noise)：在駐車情況下，以不同的轉速轉動方向盤到極限位置所激發出來的噪聲，一般與電機或軸承有關。比如：隆隆聲(Rumble noise，一種持續的低沉而洪亮的噪聲，頻率為100～300 Hz),顫動聲(Dither/Shudder noise, 頻率為10～30 Hz), 還有類似點擊鼠標發出的喀噠聲(Click noise)。這類噪聲是電動轉向系統中最基本也是最常見的噪聲，因為電機和軸承是EPS最基本和最容易產生噪聲的部件，通過這兩個部件噪聲階次分析，可以迅速找出EPS絕大部分噪聲來源[4]。

(2)瞬態噪聲(Transient noise): 以不同的速度在鵝卵石路面行駛所激發出的噪聲。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滑不充分所致[7]。

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

2 某型號乘用車換向噪聲分析與優化

某主機廠乘用車在原地來回打方向盤出現換向噪聲，經現場NVH專家分析，該噪聲的主觀評價為5分，需要改進。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，這就為調查指明了方向。所以后續選取了一臺有異響車(NVH主觀評價為5分)和一臺無異響車(NVH主觀評價為7分)做對比分析。用三軸加速度傳感器分別采集了兩臺車上4個位置的數據，分別在齒輪箱殼體(以下簡稱點H)、中間軸上節叉配合處(以下簡稱點B)、中間軸下節叉配合處(以下簡稱點C)、轉向機齒輪齒條擬合處(以下簡稱點D)(如圖1所示)，同時在車廂靠近方向盤位置固定安裝了麥克風用以采集噪聲數據。通過這5個傳感器采集到的噪聲和振動信號數據，運用時域分析進行對比。

對機械設備故障進行診斷，常用的信號處理方法有時域分析、頻域分析和時頻分析。每種算法都各有各的優缺點，不同設備和不同故障應有針對性地選擇不同的信號處理方法，方法的選擇對結果的分析和信號特征的提取有較大的影響。振動信號數據是時間波形的形式，它的時域波形直觀、便于理解。因此在不平衡、不對中及沖擊等故障信號波形具有明顯特征的情況下，多利用時域波形先做分析[8-9]。

圖1 振動傳感器采集位置示意圖

下面通過分析安裝在車廂內靠近方向盤的麥克風采集到的噪聲數據，得到如圖2所示的聲壓數據對比圖。

從圖2的對比結果可以看出，有異響車的噪聲水平比無異響車要高一些。

下面通過兩種數據處理結果分析該異響問題，圖3—圖6所呈現的是在單獨一輛車上4個觀測點的振動數據對比圖，圖7和圖8所呈現的是把兩輛車點B和點C處的振動數據分別放在一起的對比圖。因為傳感器是三軸的，所以測得的振動數據有3個方向，分析時提取振動幅值最大的那個數據。

圖3 無異響車的振動數據

對圖3的振動數據選取一小段進行局部放大比較，如圖4所示。

從圖3和圖4的數據對比結果可以看出： 無異響車上點B在X方向上的最大振幅約為5 m/s2，點C在X方向上的最大振幅約為2 m/s2。相對來說，無異響車上的點B和點C處的振動幅值比其他觀測點的振動幅值只大了一點，整體振動不明顯。

對圖5的振動數據選取一小段進行局部放大比較(如圖6所示)。

圖5 有異響車的振動數據

圖6 有異響車某時段振動數據放大圖

從圖5和圖6的數據對比結果可以看出：異響車上點B在X方向上的最大振幅約為4 m/s2，點C在X方向上的最大振幅約為12 m/s2。很明顯，異響車上點C處的振動明顯比其他點大很多。通過對比圖4和圖6的數據可知，異響車上點B在X方向上的振動幅值和無異響車上的數據差不多；而在點C上差異很明顯，異響車的振動幅值大約是無異響車的6倍。為了更直觀地看出兩輛車上的數據差異，下面把兩輛車上點B和點C在X方向上的振動數據分別放在一起做對比分析，如圖7和圖8所示。

圖7 兩輛車點B處振動數據對比結果

圖8 兩輛車點C處振動數據對比結果

從圖7的數據對比結果可以看出：兩車在點B處的振動幅值差異不大。

從圖8的數據對比結果可以看出：兩輛車在點C處X方向上的振動幅值差異很大。

通過以上分析可得出如下結論：該乘用車上出現的原地換向噪聲問題與點C處有關，即問題出現在中間軸下節叉和機械轉向機輸入軸配合的地方，而且是因為該處的配合間隙過大所致。

通過排查整套轉向系統和機械轉向機各零部件的批次差異，發現異響車和無異響車上的機械轉向機輸入軸分別由兩家不同的供應商提供。應用統計學方法，對比兩家供應商的過程能力，發現無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)，也就是說異響件的輸入軸花鍵跨棒距比無異響件小。

圖9 正常批次的輸入軸跨棒距統計數據

圖10 異響件批次的輸入軸跨棒距統計數據

由此可知，兩批機械轉向器輸入軸的差異就是產生該乘用車原地換向噪聲的根本原因。后續通過試制200件輸入軸，保證它的花鍵跨棒距往公差帶中值提升，并通過后續裝車跟蹤，不再出現和之前一樣的換向噪聲問題。因此，只需把機械轉向機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C處的配合間隙，就可妥善解決該換向噪聲問題。

3 結束語

為了更快更準確地分析噪聲問題，找出根本原因，幫助客戶解決問題，首先指派一名NVH專家去現場做主觀評價和客觀分析。如果子系統已經從噪聲車上被拆除，那么必須向有關人員詢問并記錄盡可能多的信息以便于后續復現和調查噪聲問題，包括但不局限于以下信息：(1)測試車輛類型；(2)測試車輛的公里數；(3)測試路況；(4)測試速度；(5)噪聲是連續的還是離散的；(6)噪聲的水平；(7)方向盤轉速；(8)出現噪聲時方向盤的位置；(9)出現的次數；(10)不同發動機工況下的表現。

以上所列的這些信息并不是唯一的，其他任何一個被認為可能跟噪聲問題有關的信息都應該被記錄下來，比如各子零部件的供應商是否變更過。

通過具體分析某乘用車換向噪聲問題，證明了該噪聲問題確實和零部件之間的配合間隙有關，控制好配合部位的配合間隙就能預防該類噪聲的出現。從而也驗證了前面提到的問題所描述方法的有效性，即在記錄噪聲問題時，應盡全面地記錄相關信息，以便后續調查研究。文中的研究結果和提出的方法對研究汽車轉向系統的噪聲問題具有實際意義。