純電動客車轉向系統噪聲的改善研究

秦 宬，盛 君，龔佳強

（比亞迪汽車工業有限公司商用車研究院，廣東 深圳 518118）

前言

純電動汽車轉向系統作為汽車噪聲的主要噪聲源之一，其噪聲值的降低能有效改善整車噪音水平，本文分析了電子液壓助力轉向系統（EHPS）噪音產生及傳播機理，并通過改善電動轉向油泵與轉向油管，以達到優化轉向系統噪音的目的。

1 轉向系統噪音介紹

1.1 轉向系統噪音分類

對于電子液壓助力轉向系統，有以下3 種噪音：（1）空氣傳播的噪音（ABN）：通過空氣傳播的噪音，人耳可以聽到；（2）結構傳播的噪音（SBN）：結構零件的機械振動，常常是ABN 的主要原因；（3）流體傳播的噪音（FBN）：液體中的壓力波動，它是SBN 的一個主要來源，從而也是ABN的主要原因[1]。

1.2 轉向系統噪音來源分析

轉向油泵在工作過程中輸出轉向高壓油液，在轉向油管內進行輸送引起震動，從而產生FBN，轉向油液波動引起轉向油管、轉向油管安裝零件的振動，產生SBN[2]。故可通過改善噪聲產生的根本來源，即轉向油泵、油液傳遞載體油管，以達到降低轉向系統噪音的目的。

2 轉向油泵降噪

2.1 轉向油泵控制策略優化

2.1.1 轉向電機停機策略

汽車在城市道路行駛時，不可避免會出現堵車及長時間等紅綠燈情況。當車輛在較長時間怠速時，轉向電機基本無須工作，針對此種使用情景，制定轉向電機停機策略，同時滿足以下條件時轉向電機延遲5～10 s 停機：（1）拉手剎且掛N 擋；（2）車速＜0.5 km/h；（3）測得三相電流值為0 A。松手剎或掛非N 擋，啟動。停機策略實施能有效改善車輛在拉手剎且掛N 擋時的轉向電機噪音，該策略啟動時，轉向電機停止工作，由轉向電機引起的噪音可直接變為0 dB。

2.1.2 轉向電機變轉速策略

當汽車以較快速度行駛且轉向盤轉角小的情況下，轉向系統負載小，需要轉向系統提供的助力?。蝗綦姍C以某一較高轉速持續運轉，則會出現“大牛拉小車”的情況。基于此，提出轉向電機變轉速的控制策略。具體策略如下：（1）轉向電機啟動后，電機以高轉速運轉一定時間，之后檢測判斷三相電流值；（2）若三相電流值存在有任一相電流值＞某閥值A，則電機維持高轉速運轉；（3）若檢測到三相電流值均＜某閥值A，且持續時間大于5 s，則電機降低為較低的轉速區間內運轉。同車型選用電機型號有所區別，電機轉速的確定需兼顧考慮噪音值與轉向力，避免出現噪音值降低，但轉向變沉重的情況。

2.2 轉向油泵結構優化

對于原地轉向時的噪音，嘗試從油泵本身結構出發，降低聲源噪音，可從下面兩點進行：（1）帶有流量控制閥，以限制動力轉向泵向動力轉向器輸送的最大流量，從而降低泵的功率消耗，減小振動和噪聲，降低壓力。（2）在轉速一定時流量波動要小，有利于噪聲降低。目前國內客車行業常用的轉向電機均帶有流量控制閥，故主要從第二點改善油泵噪音。

2.2.1 雙作用葉片泵工作原理介紹

我司電機雙作用葉片泵，其工作原理示意如下圖1 所示：

當轉子由軸帶動按圖示方向旋轉時，葉片在自身離心力和由壓油腔引至葉片根部的高壓油作用下緊貼定子內表面，并在轉子槽內往復滑動。

葉片泵理論流量計算公式如下：

式中Q為泵的流量，L/min；n為轉子轉速，r/min；D為定子輪廓的大圓弧直徑，mm；d為轉子直徑，（即定子輪廓的小圓弧直徑），mm；B為定子寬度，mm；m為葉片數；t為葉片的厚度，mm。

由圖1 及式（1）可知，當轉速一定時，在單位時間內，影響流量波動的，主要是定子內曲線；同一區段內定子曲線范圍內各葉片徑向運動速度之和是否有變化決定泵的輸出流量的均勻性。

2.2.2 定子內曲線改善降噪

油泵定子內曲線為等加速等減速曲線，其速度特性曲線有不光滑的折點，會出現加速度的突變，產生較大沖擊如圖2 所示。

圖2 等加速等減速曲線

通過將轉向電機定子內曲線改進為高次曲線，如圖3 所示：

圖3 改進后定子內曲線示意圖

噪音檢測值結果對比如表1 所示：

表1 定子內曲線改善前后電機噪音值對比

明顯看到，改善后的樣件加載噪音值平均可降低3 dB～5 dB 的噪聲值。這證明改變定子內曲線的策略是有效的，在一定程度上減少了不光滑折點，減少了油液產生較大振動沖擊的次數，原地轉向時噪音得到明顯改善。

3 轉向油管降噪

轉向油管作為轉向油液傳送載體，也是轉向系統產生SBN 的重要零件。本文主要研究調諧器管對轉向系統噪音的改善。

3.1 調諧器管結構

調諧器管相比普通油管，在油管總成內加了一條可彎曲的螺旋金屬管（也就是1/4 波長衰減器），如圖4 所示。

圖4 1/4 波長衰減器

3.2 調諧器管降噪原理

調諧器管內部的1/4 波長管可以擾亂轉向油泵所輸出的周期性脈動流體，避免油管內的流體諧振，從而衰減系統噪聲。聲波在油管中傳播，當遇到邊界時發生反射，調諧器管就是利用反射聲波與原入射聲波的相互干涉，達到消聲目的。如下圖5 所示。

圖5 幅值、頻率相同，相位相反的聲波疊加

3.3 調諧器管應用

3.3.1 1/4 波長管長度確定

確定了使用調諧器管的方案，還需要明確調諧器管內部螺旋金屬管理論長度是噪音波長的1/4，表達式如下：

式中L為調諧器內部金屬管長度，c為聲速，取344 m/s，為噪音頻率。由于不同車型轉向系統噪聲曲線不同，導致出現噪聲峰值的頻率也各不相同[3]。在實際的測試應用時，應先根據仿真或實測的噪聲曲線，找到噪聲峰值，確定峰值處對應噪聲頻率，從而確定1/4 波長管長度。

3.3.2 調諧器管實車應用

我司某車型轉向電機前置，駕駛區主觀感受噪音大，不可接受。對轉向噪聲實測曲線如下圖6 所示：

圖6 駕駛員右耳位置轉向系統噪聲實測

該車型轉向電機轉速為1 000 rpm，葉片數為12，電機噪聲基頻計算如下：

計算得電機噪聲基頻為200 Hz，400 Hz 和600 Hz 為2階和3 階，噪聲最大峰值出現在2 階，根據公式（2），可計算得出L=212.5 mm。

更換調諧器管后，2 階400 Hz 和3 階600 Hz 噪聲值下降明顯，噪聲峰值處最大下降了33 dB，且噪聲曲線走向相比原狀態更為平緩。實測噪聲值，對比如表2 所示。

表2 各工況噪聲對比實測

更換調諧器管后，車外轉向泵油管端源頭噪聲在向左、向右打方向工況分別降低了7.1 dB、11.6 dB；駕駛員右耳在向左、向右打方向工況分別降低了8.3 dB、10.07 dB。由以上數據，可知在轉向油管加裝調諧器管的確能有效改善純電動客車轉向系統噪音水平。

4 結論

本文通過分析電子液壓助力轉向系統（EHPS）噪音產生及傳播機理，提出以下幾點改善轉向系統噪音值的措施：（1）實行轉向油泵停機、變轉速策略；（2）將轉向油泵定子內曲線由等加速等減速曲線改為高次曲線；（3）在轉向高壓油管內增加1/4 波長管。以上幾種措施可有效降低轉向系統噪音，明顯提高整車NVH 水平，提升整車檔次與品質，給予客戶更好的駕乘體驗。