汽车电动助力转向系统噪音源分析
2017年12月26日 09:01 作者:凌新朋【内容摘要】汽车电动助力转向系统（EPS）是直接依靠电机系统提供辅助转矩的汽车动力转向系统，其不仅能够达到节能环保，同时其准确的转向助力控制系统和控制机构，对提高车辆的安全性也尤为显著。但是此种系统在使用中也经常发生振动现象，造成噪声产生，妨碍车辆安全行驶。基于此，本研究就针对汽车电动助力转向系统振动噪声产生的原因，通过采用Matlab软件进行分析，以期为今后汽车电动助力转向系统的设计提供理论依据。
【关键词】汽车工程；电动助力转向系统；振动；噪声
一、引言
随着经济社会的发展，人们对生活品质的要求越来越高，对汽车的舒适度的要求也越来越高。汽车的噪声是影响汽车舒适度的一个重要因素，因此，如何减低噪音是汽车研究的一项重要课题。电动助力转向系统（Electric Power Steering），简称EPS,是当今汽车的主流配置之一，正逐渐取代传统的液压助力转向系统。然而，电动助力转向系统也有噪音产生，如何降低电动转向系统的噪音也是当前汽车技术改进的一个重要课题。
电动转向助力系统，是在传统液压机械转向系统的基础上，多增加了传感器设备、电子控制设备和转向助力机构等。电子控制设备依据各种传感器传回的信号，精确控制转向过程中的转向、回正、中间位置等各项环节，使的汽车在行驶中从低速度到高速度的整个范围内都能够得到最优化的转向回正，可以大大提升汽车在行驶过程中的操控稳定性。简单的来说，电动助力转向系统由控制器和控制对象两部分组成，根据控制对象的性能特征，控制器进行相应的校正，是系统达到最优的状态，满足车辆稳定需求。与传统的液压机械动力转向系统相比，电动助力转向系统有一下优点：①只有在需要转向的情况下，电动转向系统才会启动电机开始是工作，可以减少发动机的燃油消耗；②无论何种形式工况下，电动棒转向助力系统都能够提供最佳助力，也就是说，无论是高速行驶还是低速行驶，还是其他形式条件发生了变化，电动助力转向系统都能够提供最佳的转向助力，提高了车辆行驶中的安全性、操控性和稳定性。③电动助力转向系统没有液压回路，在调整和检测的时候更加简便容易，装配的自动化程度更高，并且可以通过设置不同的程序，快速匹配不同的车型，大大缩短了生产和开发周期。④电动助力转向系统不存在漏油问题，能够减少对环境的污染。因此，采用电动助力转向系统也是汽车节能减排的一个重要环节。但他也有缺点，与传统的液压机械动力转向系统相比，电动助力转向系统的缺点就是噪音比较大。不过，电动助力转向系统拥有的种种优点，仍然使得其成为大多数家用汽车的标配，越来越多的走进千家万户[1]1-2+5。
三、汽车电动助力转向系统振动噪声分析
1、振动造成产生原因测试分析
电动助力转型系统的噪声大致有这个几种：电磁噪声、连接件间隙撞击产生的噪声以及摩擦噪声等。这些都是因为振动[l1] 所造成的噪音。确定噪声来源，是控制噪声的基础。为了准确找出电动助力转向系统产生噪声的原因，我们采用主观评测与客观实测数据分析相互结合，实验验证和信息处理相结合的研究方法。一般驾驶员操作转向系统是随时性的操作，因此，如果想要了解电动助力转向系统的噪声基本特征，就不能只在某一时段去分析，必须要使用小波分析等时频域分析的方法，才能了解噪声信号在时变过程中的频率特性，清晰显示出可能与异响相对应的信号[2]314-317。时域信号因为各种频率信号的重叠，很难看出规律。频域信号是完整采样周期内的的频域能量分布，同样不能直观反映出间断性异响所对应的局部时段的频率特性。然后在小波变换所反映出的色谱图当中，各个局部时段的频率特性能够清晰的显现出来。例如，在色谱图中的0.3秒左右时段，能够清晰观察到900Hz上下的频率波段很突出；在色谱图的1.2秒左右时段，能够清晰观测到1700Hz上下的频率成分很明显，这种在某一时间段特别突出的频率波段，在人们的耳朵中听来，感觉就是间断性异响。
为了能够进一步判断驾驶员在转动方向盘的时候噪声的时频特性，也就是确定噪声的频率和时间的延续性。我们使用MATLAB软件”，将噪声的测试结果还原成声音信号，并且根据色谱图显现出的信号时频的特性，对此信号进行时域局部取样和频域低通、高通、带通、带阻等多项处理，同专业的听音师共同确定了EPS所产生的明显的间断性噪声，其中，主要对应的就是色谱图中的900Hz和1700Hz左右的频段。转动方向盘时电机所产生的噪音之所以让人感到烦恼，是因为某些特定的单调的频率的声级较大并且持续的时间很长。下图就是司机在转动方向盘的时候所持续产生的频率在900Hz与1700Hz附近的噪音情况[3]114-116。
2、数据处理方法分析
使用电动助力转向系统时所产生的噪音是来源于各种激振力所造成的振动发声，当中的结构共振是其主要的组成部分。为了准确判断电动助力转向系统工作时所发出噪音频段所对应的部件，使用快速小角度重复转动方向盘产生冲击力的方式，得到了主要部件的其中一部分固有频率特性。随后，我们对同步测量的噪声振动信号进行了时频特征分析，得到的时域曲线与频谱分析结果。其中，对噪声明显的电动助力转向系统，在发动机怠速和不工作的两种工况下，快速大幅度的转动方向盘，进行振动噪声测试的得出的数据，对噪声不太明显的电动助力转向系统，同样在发动机怠速和不工作的两种不同的工况下快速大幅度转动方向盘，进行震动噪声的测试数据，因为使用小电机时系统噪音不明显，所以其数据仅仅作为使用大电机系统时候的参照数据[4]14-19。
四、振动噪声产生因素分析
1、在使用大电动机的电动助力转向系统，当发动机怠速和不运行的两种不同工况下快速大幅度转动方向盘，所产生的噪音听起来使人感觉不快，原因是某些特定频率的声音较大且持续的[l2] 时间较长，因此人听了之后会感觉烦躁。
2、使用该电动助力转向系统，在发动机不工作的情况下快速大幅度转动方向盘，所产生的噪音频率在1300Hz左右。和有阻尼自由振动信号有相对应的衰减信号特征，并且具有持续性。这种震动噪声一般与持续变动的载荷激励有关。而在使用小电机的电动助力转向系统时，则噪音不明显。其原因为，在电动助力转向系统的传动链中，电机的转子和丝杆[l3] 的转速是其他运动部件的16倍多。而根据动力学基本原理，传动系统存在速比时，当量转动惯量是常规转动惯量乘以速比的平方。所以，如果以涡轮轴转速为标准，电机的转子和蜗杆的当量转动量是其常规转动量乘以16.52，而其他运动件的当量转动惯量就是其常规转动的惯量。因此，当使用大电机的电动助力转向系统的时候，就容易会持续性的激励起某些状态的有阻尼自由振动，所引发的结构升表现出来就是噪声[5]482。
3、对于使用这种电动助力转向系统，分别在正常情况下和去除电机机刷的情况下，快速小角度重复转动方向盘进行振动噪音测试分析，其中，电机在正常情况下快速[l4] 小角度重复转动方向盘所引起的冲击性振动噪音带有宽频带的特征，高、中、低的成分都有。在摘掉电机机刷之后，快速小角度重复转动方向盘所引发的冲击性振动噪音中，3000Hz以上的波段基本消失，说明3000Hz以上的频率波段主要是因为电机机刷和其他零部件碰撞所引起的噪音[6]1-6。
经过使用MATLAB软件对电动助力转向系统工作时所发出的的噪音进行测试数据分析，我们找出了电动助力转向系统工作时所发出噪音的主要原因以及发出噪音的主要部位。这些噪音的主要由电机的电磁摩擦噪音、连接件间隙之间撞击的噪音以及摩擦音等构成的。解决的办法是，电机的电磁噪音可以通过优化结构设计、精选部件材料、严格控制加工工艺和进一步改善装配[l5] 工艺解决。连接件之间的间隙也同样可以用改进结构和装配工艺[l6] 来减小或消除。对于降低摩擦噪音，可以改善转向机的小齿轮，丝杆和丝杆螺母的表面粗糙度，并涂上适当的润滑脂[l7] 。电刷的质量也要提高，电刷的压力要合适，一般400-500g/cm2 为合适的压力值。当然，随着无刷电机的日益广泛应用，电磁摩擦音带来的噪音也会大幅度降低，我们将主要着眼于改善连接件间的撞击和摩擦带来的噪音。[l8] 当我们逐步解决这些噪音问题之后，电动助力转向系统将变得更加完善，装载到汽车当中，将会对汽车的舒适度有更大的提高，让人们轻松享受驾驶的乐趣！
【参考文献】
[1]晋兵营,宁广庆,施国标.汽车电动助力转向系统发展综述.[J].拖拉机与农用运输车, 2010, (01):1-2+5
[2]程寿国,陈小龙.汽车电动助力转向系统改装技术研究.[J].机电工程, 2013, (03):314-317
[3]徐春华.汽车电动助力转向系统测试和分析.[J].制造业自动化, 2011, (08):114-116
[4]何融,韩琦,顾彦.电动助力转向系统永磁同步电机噪声分析及改进[J].上海汽车, 2015, (03):14-19
[5]段燕,张明宇.汽车电动助力转向系统.[J].现代企业教育, 2014, (12):482
[6]崔晓利,杨岳,毛建伟.汽车电动助力转向系统的匹配分析及优化设计.[J].机械科学与技术, 2010, (01):1-6
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