面向顛簸路面工況下轉向器振動噪聲優化的新型阻尼式壓塊設計

漆勝 劉金軒 周良藝 劉雨萱 周鑫

（博世華域轉向系統（武漢）有限公司，武漢 430207）

1 前言

電動助力轉向（Electric Power Steering，EPS）系統齒輪齒條式轉向器的傳動件在長期使用過程中會出現磨損，導致NVH 性能下降[1]，影響整車駕乘舒適性。純電動汽車采用電機替代傳統汽車的發動機，車內更為安靜的空間對整車NVH 性能的要求更加嚴格，因此，提高EPS系統的NVH性能極為重要。

針對乘用車EPS 系統的NVH 性能提升，學者開展了大量研究。Wrobel 等[2]建立了轉向系統有限元分析模型，詳細描述了影響EPS 系統NVH 性能的關鍵元件和關鍵點。Kim 等[3]的研究表明，采用鋼和纖維增強聚合物復合材料的齒輪能夠減少汽車傳動系統中噪聲和振動的傳遞，但僅開展了有限元分析，未進行試驗驗證。Aggarwal 等[4]分析了3 種不同材料的齒輪，發現采用阻尼系數較小的材料的齒輪NVH 性能較好，并建立了阻尼性能與轉向器齒輪噪聲的關系，但未進行疲勞試驗驗證。

汽車EPS 系統的壓塊作為彈性支撐與齒條接觸，可以在齒輪齒條嚙合傳力過程中消除嚙合間隙[5]，但是壓塊間隙增大后會產生異響。對于由轉向器壓塊引起的噪聲問題，目前常見的解決方式主要為調整其膜片彈簧的規格參數或者收嚴壓塊間隙的標準等。在壓塊結構設計中，阻尼能夠降低結構噪聲，減少結構失穩并降低構件疲勞[6]。壓塊與調整螺母的接觸為硬接觸，在壓塊和調整螺母間增加阻尼，可以降低顛簸路面工況下EPS系統的噪聲[7]。

目前，成熟的壓塊結構設計方案包括螺旋彈簧加壓塊的結構、膜片彈簧加壓塊的結構和螺旋彈簧加膜片彈簧加壓塊的結構。本文提出一種新型帶O型圈結構的壓塊，并保留現有的螺旋彈簧和膜片彈簧，O 型圈的材料為丁腈橡膠（Nitrile Butadiene Rubber，NBR）[8]，位于壓塊和調整螺母之間，從而形成阻尼，實現噪聲優化。最后，設計耐久試驗和優化效果對比試驗，驗證提出的設計方案對顛簸路面工況下EPS系統噪聲的優化效果。

2 阻尼式壓塊設計

2.1 結構設計優化

O 型圈具有阻尼作用，可使壓塊在運動過程中受到阻力影響，本文在壓塊與調整螺母間增加O 型圈，如圖1所示，從而使運動副中的能量逐漸衰減[9]。

本文采用的O 型圈為符合GB/T 3452.1 的G 系列標準O 型圈，內徑為27.3 mm，線徑為1.8 mm。丁腈橡膠O 型圈具有耐磨耐壓、使用溫度范圍廣等性能優勢，且制造簡單、安裝方便、應用場景廣[10]，因此，本文在阻尼式壓塊結構設計中選擇該類O型圈。同時，根據GB/T 3452.1 設計O 型圈槽，如圖2 所示。O 型圈及其安裝槽尺寸表1 所示，對應的溫度為23 ℃，線性熱膨脹系數為175×10-6K-1。

表1 O型圈及其安裝槽尺寸 mm

圖2 O型圈安裝槽

根據O 型圈及安裝槽尺寸計算壓縮率和填充率，結果如表2 所示。國家標準對填充率的要求為80%~85%，對壓縮率的要求為13%~36%，由表2 可知，填充率和壓縮率均滿足標準要求。

表2 O型圈的壓縮率及填充率

2.2 阻尼式壓塊降噪原理

對于具有黏性阻尼且無外部負載的單自由度系統，通過對數衰減δ計算阻尼系數ξ：

其中，δ的計算公式為：

式中，N為循環次數；X1為首次循環的幅值；XN為第N次循環的幅值。

阻尼式壓塊在轉向器中起到阻尼器的作用[11]，本文設計的阻尼式壓塊結構如圖3所示。

圖3 阻尼式壓塊結構模型

設計調諧質量阻尼器時，一般只考慮單自由度，故本文所設計的阻尼式壓塊主要考慮阻尼器的壓縮模態，其模態形狀如圖4 所示。當O 型圈被壓縮時，其固有頻率、剛度、阻尼損耗系數均會發生改變[12]。

圖4 阻尼器工作模態

不同靜態壓縮量條件下O型圈的固有頻率如表3 所示，從表3 中可以看出，隨著靜態壓縮量增大，O型圈固有頻率明顯提高，有利于避免與整車產生共振，進一步優化NVH性能。

表3 阻尼固有頻率

靜態壓縮量與剛度、阻尼損耗系數的關系如圖5所示[13]，可以看出，O型圈最大壓縮量為0.5 mm時，不同頻率下剛度差異不大，且擁有相似的阻尼損耗系數，可認為該壓縮量下的O 型圈能夠達到優化NVH 性能的效果。同時，該壓縮量可滿足轉向器對壓塊的預緊力要求。

圖5 O型圈與靜態壓縮量相關的阻尼和剛度

3 EPS系統臺架耐久試驗

EPS系統臺架耐久試驗的目的是獲得壓塊間隙與耐久試驗循環數之間的關系，并研究壓塊間隙的變化對顛簸路面條件下NVH性能的影響規律。

3.1 耐久試驗設計

針對傳統壓塊結構的轉向器開展耐久試驗，先測量轉向器的壓塊間隙和顛簸路條件下的噪聲水平，然后對樣件進行疲勞試驗，50%和100%循環后復測壓塊間隙和顛簸路噪聲[14]。

模擬實際車輛彎道行駛、水泥地面上制動停車、波紋路段和清洗路面上的行駛路譜，耐久試驗設計如表4所示，其中SC1、SC4子循環為跑和程序，SC2、SC3 子循環分別為彎道和駐車試驗，SC5 子循環為轉向盤抖動試驗，共循環500次，每個循環包含上述5個子循環。

表4 耐久試驗

試驗臺架如圖6 所示，按照整車實際最大前軸載荷位置安裝，載荷施加在拉桿兩端，輸入軸連接電機，通過電機驅動輸入軸轉動。

圖6 疲勞耐久試驗臺架

實際臺架疲勞耐久程序曲線如圖7 所示。EPS系統安裝完成后，按照企業標準設計程序對電機和左、右施力缸進行驅動，帶動轉向器進行耐久試驗。

圖7 疲勞耐久試驗程序

3.2 壓塊間隙與耐久狀態

不同耐久程度下的壓塊間隙測量結果如圖8所示，隨著耐久循環數的增加，EPS系統壓塊的間隙明顯增大，3 種耐久狀態下測量得到的壓塊間隙變化量如表5所示。

表5 壓塊間隙變化情況

圖8 不同耐久程度下的轉向器壓塊間隙測量結果

分析試驗結果可知，壓塊間隙隨著疲勞循環次數的增大而增大。對不同耐久程度下的EPS系統進行NVH 測試，分別將三向加速度傳感器貼在壓塊處和殼體末端襯套處，并以局部柱坐標系區分方向。分別在0%、50%和100%耐久狀態下測量樣件在顛簸路面下的NVH 性能，結果如圖9所示，從圖9中可以看出，隨著耐久程度的提高，EPS系統振動加速度增大，NVH性能下降。

圖9 EPS系統不同耐久狀態下振動加速度變化情況

4 顛簸路振動噪聲抑制效果驗證

為量化分析帶O型圈結構的壓塊對顛簸路振動噪聲的抑制效果，設計相關試驗進行分析。

4.1 試驗設置

傳感器布置如圖10 所示，2 個傳感器均為三向振動加速度傳感器，采集切向（Tan）、軸向（Axial）、徑向（Radial）3 個方向的振動加速度信號，傳感器參數如表6所示。測試帶寬為24 kHz，譜線數為8 198，對測試數據施加22 Hz高通及5 000 Hz低通濾波。

表6 傳感器參數 mV/(m·s-2)

圖10 傳感器布置

4.2 試驗測試工況

分別測試裝有傳統壓塊和新型壓塊的EPS系統在不同壓塊間隙下的振動加速度，測試工況如表7所示。

表7 顛簸路噪聲測試內容

4.3 臺架測試方法

將EPS系統以剛性固定方式安裝在試驗臺架上，兩側拉桿連接數控液壓裝置提供載荷，輸入軸連接慣量盤給予一定的整車慣量模擬（慣量約0.04 kg/m2）；振動加速度傳感器貼放位置為輸入端壓塊及非驅動端襯套處。輸入載荷為5~20 Hz的正弦曲線，如圖11所示，其兩側拉桿合力為4 kN，程序運行時間為60 s。

圖11 5~20 Hz正弦曲線

4.4 試驗結果分析

對每組測試振動加速度求均方根值并繪制曲線，得到不同壓塊間隙下的壓塊及襯套的振動加速度結果如圖12所示。

不同壓塊間隙下的試驗分析結果如下：

a.壓塊間隙為0.05 mm 時，在極小壓塊間隙下，裝有傳統壓塊和新型壓塊的轉向器在顛簸路條件下的振動區別不大。

b.壓塊間隙為0.10 mm 時，裝有新型壓塊的轉向器振動加速度明顯較裝有傳統壓塊的轉向器小，且在襯套端表現更為明顯。

c.壓塊間隙為0.20 mm 時，裝有傳統壓塊的轉向器壓塊端振動加速度顯著增大，而裝有新型壓塊的轉向器振動加速度增大不明顯，總體上，所有測試位置下，后者振動加速度均較前者振動加速度小。

d.壓塊間隙為0.30 mm 時，裝有新型壓塊的轉向器襯套端振動加速度遠低于裝有傳統壓塊的轉向器襯套端振動加速度；壓塊處的振動加速度兩者較為接近，但總體上裝有新型壓塊的轉向器的振動加速度更小。

e.壓塊間隙為0.40 mm 或0.50 mm 時，由于裝有2 種壓塊的轉向器的失效間隙不同，將裝有新型壓塊的轉向器在壓塊間隙為0.40 mm 時的振動加速度與裝有傳統壓塊的轉向器在壓塊間隙為0.50 mm 時的振動加速度進行對比：二者振動加速度均出現大幅提升；在襯套端，裝有不同壓塊的轉向器振動加速度總體接近，其中裝有新型壓塊的轉向器軸向振動加速度偏大；壓塊端軸向振動加速度同樣偏大。

f.與裝有傳統壓塊的轉向器相比，裝有新型壓塊的轉向器在襯套端的振動加速度最大降低9.0 m/s2，在壓塊端的振動加速度最大降低6.2 m/s2。

結合試驗數據，在間隙失效前，裝有新型壓塊的轉向器能夠起到良好的振動抑制效果，特別是在經過疲勞試驗后壓塊間隙在0.10 mm 以上時，噪聲振動改善效果更為顯著。

5 結束語

本文在EPS 系統轉向器壓塊中增加O 型圈，設計了新型阻尼式壓塊結構，通過耐久試驗驗證了壓塊間隙隨著耐久循環數的增大而增大，這與EPS 系統在實際道路上的行駛狀態相符，并基于耐久試驗前、后的壓塊間隙和振動加速度表現，評估了新型壓塊對轉向器在顛簸路噪聲的優化效果，通過量化分析裝有新型壓塊和傳統壓塊的EPS系統在不同壓塊間隙下的噪聲表現，驗證了新型壓塊對轉向器在顛簸路條件下噪聲的優化效果。

致謝

感謝博世華域轉向系統（武漢）有限公司的汪家林、許亮、李楷、孫倩對本文研究的支持。