張鵬，張維，丁景峰，鄧英奇

(1.株洲易力達機電有限公司EPS研究院，湖南株洲 412002；2.湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，湖南長沙 410128)

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P-EPS轉向系統(tǒng)噪聲分析及改進研究

張鵬1，張維2，丁景峰1，鄧英奇1

(1.株洲易力達機電有限公司EPS研究院，湖南株洲 412002；2.湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，湖南長沙 410128)

小齒輪助力式電動助力轉向器(P-EPS)因結構設計不合理而產(chǎn)生異響。通過建立機械系統(tǒng)分析模型，利用Artemis Head噪聲分析軟件對異響產(chǎn)生的原因進行分析，提出了優(yōu)化設計方案，并對優(yōu)化設計前后相關零件的結構進行對比。結果表明：優(yōu)化后的結構異響得到明顯改善，可以應用于同類產(chǎn)品結構設計。

P-EPS；噪聲；試驗分析；結構優(yōu)化

0 引言

小齒輪式電動助力轉向器(簡稱P-EPS)是汽車電動助力轉向器的一種，主要由殼體、齒輪軸、齒條軸、蝸輪蝸桿、電機、扭力桿、扭矩傳感器和ECU控制器組成。其作用是通過復雜的程序計算將機械力矩傳遞給車輪提供轉角助力，有效降低駕駛員的轉向手力，提高駕駛平穩(wěn)性。由于EPS自身結構復雜，在使用過程中，有時會產(chǎn)生異響、噪聲等故障。P-EPS是汽車的重要部件，能夠代替液壓助力轉向系統(tǒng)，是汽車節(jié)能減排的重要措施之一。結構較緊湊，且提高了系統(tǒng)的剛度，但存在噪聲相對較大的缺點。利用Artemis Head噪聲分析軟件對P-EPS的異響進行了分析，建立機械系統(tǒng)分析模型，提出了優(yōu)化設計方案，并對優(yōu)化前后相關零件的結構進行對比。該優(yōu)化設計經(jīng)過試驗驗證及批量生產(chǎn)驗證，可以應用于同類產(chǎn)品。

1 P-EPS總成模型建立和結構分析

由于聲音是由物體振動產(chǎn)生的，所以噪聲和振動往往不是單獨出現(xiàn)的。在汽車工程術語中簡稱“NVH”，即噪聲、振動與聲振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness)。其中通常所說的噪聲指的是人們所聽到的在20～10 000 Hz頻率范圍內(nèi)的聲音[1]。從NVH的觀點來看，P-EPS噪聲分析系統(tǒng)是一個由激勵源(產(chǎn)生噪聲與震動的源頭，如車輪、地面等)、振動傳遞器(由拉桿和連接軸等組成)和噪聲發(fā)射器(殼體)組成的系統(tǒng)。EPS的NVH特性的研究應該是以P-EPS及外設連接件組合作為研究對象的，但由于P-EPS系統(tǒng)極為復雜，因此常將它分解成幾個子系統(tǒng)進行研究，如齒輪齒條子系統(tǒng)(主要包括內(nèi)外拉桿、齒條軸、下殼體、齒輪軸和軸承等)、EPS減速機構子系統(tǒng)等，也可以研究某一個激勵源產(chǎn)生的或某一工況下的NVH特性。建立轉向系統(tǒng)模型(如圖1所示)及P-EPS總成模型[2](如圖2所示)。

圖1 轉向系統(tǒng)模型圖

圖2 P-EPS總成模型

2 P-EPS異響的評價方式和標準

通過在開發(fā)P-EPS產(chǎn)品過程中針對異響問題進行專題研究，可以將異響按產(chǎn)生機制分為外源激勵型、配合失效型和要求不合理型等3種。針對某型電動助力轉向系統(tǒng)在轉動方向盤時產(chǎn)生明顯異響的問題,采用主觀評價與客觀數(shù)據(jù)相結合、實驗手段與信號分析相結合的研究方法,識別出噪聲源以及異響信號的時頻特性。作為一個機械產(chǎn)品，運動無時無刻不在發(fā)生，振動自始至終不會停止。因此EPS異響不應該是去消滅它(也不可能消滅)，而是需要通過有效的手段將噪聲振動控制在合理的范圍之內(nèi)，以產(chǎn)品功能不被喪失、性能控制在理想范圍內(nèi)、不影響駕駛員的舒適性為第一要務。目前評價異響方式主要有兩種，分別為主觀評價和客觀評價。

2.1 主觀評價

聽覺，人們對所聽到的在20～10 000 Hz頻率范圍內(nèi)的聲音進行判斷；觸覺，通過手或其他觸覺接觸物體，感受其振動；視覺，目視或動態(tài)拍攝，判斷物體的振動。

2.2 客觀評價

2.2.1 臺架噪聲測試

試驗方法：

(1)手動操作力矩方向盤，轉速分別為90、180、360、540、720(°)/s附近；

(2)在360(°)/s時，在齒條極限位、不到極限位操作兩種狀態(tài)下分別檢測噪聲；

(3)如圖3所示，在X、Y、Z方向，距轉向機中心點1 m距離上，按照圖示位置安裝5個麥克風測量噪聲；

圖3 噪聲測試麥克風安裝位置

(4)在整個操作過程中測量記錄電動轉向機噪聲；

(5)對1/3倍頻聲譜dB值以及噪聲頻帶寬，需要在20～10 000 Hz范圍內(nèi)記錄分貝值(單位dB(A))。

試驗要求：

(1)測定實際噪聲值，整體噪聲水平必須不大于65 dB(A)。

(2)在一定近距離范圍內(nèi)，系統(tǒng)噪聲輻射的1/3倍頻聲譜(單位dB(A))需要滿足圖4所示的條件。

圖4 聲譜

2.2.2 整車噪聲測試

試驗方法：采用加速度計對測點進行布置，分別選擇為EPS殼體、EPS轉向橫拉桿和安裝支架，布置如圖5所示，通過聲音分析儀器對檢測到的信號進行跟車實時跟蹤采集。

3 P-EPS特殊工況異響診斷

根據(jù)故障反饋，P-EPS產(chǎn)品裝車后，在35 km/h車速、柏油粗糙路面行駛時，發(fā)出噠噠噠的異響聲，影響乘客舒適性。

3.1 探測方法

由于異響只在特定車況下產(chǎn)生，在進行實地故障排查后，通過采用Artemis Head噪聲分析軟件進行檢測，初步判斷異響源頭為EPS。對EPS零部件進行逐步排查，找到產(chǎn)生異響的根本原因是輸入軸小端與齒輪軸中的滾針軸承內(nèi)孔之間配合間隙不當引起。測點布置如表1所示。

表1 P-EPS工況噪聲測點布置圖

具體分析過程如下：

(1)異響源確認——勻速35 km/h工況噪聲測試數(shù)據(jù)

勻速35 km/h 工況噪聲測試數(shù)據(jù)測試數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 勻速35 km/h工況副駕噪聲左耳位置測試結果圖

通過回放確認橢圓標記處信號為異響發(fā)生時產(chǎn)生的特征信號，聲音頻帶分布在200 Hz～5 kHz 之間。而人耳主觀感覺到的異響主要頻率帶為500 Hz～5 kHz范圍聲音。

(2)異響源確認——勻速35 km/h工況EPS本體振動測試數(shù)據(jù)

勻速35 km/h工況P-EPS本體振動測試數(shù)據(jù)見圖7。通過對EPS本體振動進行采集分析，可以發(fā)現(xiàn)與噪聲相對應的振動特征信號。同時，對轉向系統(tǒng)其他測點，如轉向管柱、左右轉向拉桿、懸架下擺臂，同樣進行振動測試，通過數(shù)據(jù)對比，EPS本體的振動特征信號最強，確認故障源為EPS本體在該駕駛工況下發(fā)出異響。

圖7 勻速35 km/h工況EPS本體振動測試結果圖

(3)EPS異響源排查

通過初步排查，用手擺動輸入軸，發(fā)現(xiàn)輸入軸晃動較大，手感很明顯。為了進一步分析故障原因，運用逐步排除法，如圖8所示，逐一去除組件再進行路試。

圖8 逐步排除法

通過初步排查，前期異響仍然存在，只有在焊接輸入軸齒輪軸后，輸入軸感覺不到擺動，異響完全消除，因此可以確定異響是由輸入軸小端與齒輪軸中的滾針軸承之間配合不當引起。

3.2 改進設計及驗證

通過現(xiàn)象，提出了兩套整改方案進行整改并進行裝車路試，具體方案如表2所示。

表2 結構改進方案

(1)改進驗證——勻速35 km/h工況噪聲測試數(shù)據(jù)對比

勻速35km/h工況噪聲測試數(shù)據(jù)對比如圖9所示，圖9(a)為改進后、圖9(b)為改進前。通過對換裝改進后EPS本體的車輛進行對比測試驗證分析可以看到：此前存在異響的特征頻率信號在2～5 kHz范圍已經(jīng)基本消失，500 Hz～1 kHz范圍已經(jīng)明顯減弱。在駕駛過程中，主觀聽覺感受已無異響感。

圖9 勻速35 km/h工況噪聲測試數(shù)據(jù)對比結果圖

(2)改進驗證——勻速35 km/h工況EPS本體振動測試數(shù)據(jù)對比

勻速 35 km/h 工況振動測試數(shù)據(jù)對比如圖10所示，圖10(a)為改進后、圖10(b)為改進前。對EPS本體振動進行對比分析可以看到與噪聲特征信號相同變化。EPS 本體特征振動依舊存在，但是已經(jīng)明顯減弱。

圖10 勻速35 km/h工況EPS本體振動測試數(shù)據(jù)對比結果圖

4 結論

異響是由輸入軸小端與齒輪軸中的滾針軸承之間配合間隙大和滾針軸承自身的游隙大引起，造成輸入軸與齒輪軸的配合剛度差。當遇到特殊工況產(chǎn)生了共振異響。

通過對異響車輛進行噪聲振動測試判定車輛發(fā)生異響的根源為車輛轉向EPS。

通過對EPS進行工程優(yōu)化，并對改進后的EPS進行換裝測試，從EPS本體振動信號分析可以得到振動特征信號明顯減弱，振動得到很好的控制。從噪聲信號分析可得EPS本體異響聲音在500 Hz以上頻率范圍已經(jīng)消失，200～500 Hz范圍也明顯減弱 ，在該工況下由于車輛胎噪及路噪的疊加已無明顯特征信號,在駕駛過程中，主觀聽覺感受上異響聲音已經(jīng)消失。

通過EPS改進前后對比分析，此次改進效果明顯，異響狀況消失，該優(yōu)化改進可以進行工程化實施。

【1】龐劍．汽車振動與噪聲[M].北京:北京理工大學出版社，2006.

【2】NISHIMURA S.Development of Rattle Noise Analysis Technology for Column Type Electric Power Steering Systems[R].JTEKT Technical Report,No.1009E,2012.

艾仕得在華慶祝150周年創(chuàng)新歷程

全球領先的液體和粉末涂料供應商艾仕得涂料系統(tǒng)在大中華區(qū)總部所在地上海舉行系列活動，慶祝其在涂料行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的150年歷程。來自客戶、商業(yè)伙伴、政府、行業(yè)協(xié)會的代表受邀參加慶典活動，艾仕得以此感謝各方在它進入中國市場30多年間所給予的支持和信任。作為艾仕得發(fā)展的基石，艾仕得員工也通過特別的慶賀活動得到激勵和表彰。在慶典現(xiàn)場布置的“艾仕得150周年創(chuàng)新展”，展示了艾仕得跨越一個半世紀的創(chuàng)新歷程和創(chuàng)新成果，呈現(xiàn)了艾仕得廣泛應用于車輛制造及維修、工業(yè)、石油天然氣、建筑設計以及能源行業(yè)的領先創(chuàng)新涂料解決方案。

艾仕得董事長兼首席執(zhí)行官謝睿思親臨慶典現(xiàn)場，他表示：“今天，在中國，我們愿意向所有始終如一、熱切支持我們的員工、客戶、合作伙伴、政府機構以及其他行業(yè)人士表達敬意和感激。艾仕得能夠不斷壯大并為當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展盡綿薄之力都源于眾多機構和個人的支持。我們希望通過此次慶典，重申我們持續(xù)創(chuàng)新和開發(fā)耐用性涂料來保護材料并提高生產(chǎn)率這一承諾，以此引領市場，促進可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展。我非常高興地看到中國在艾仕得的創(chuàng)新歷史中所起的關鍵作用，并對我們在中國的長期持續(xù)發(fā)展充滿期待?！?/p>

(來源：艾仕得)

Research on Noise Analysis and Improvement of P-EPS Steering System

ZHANG Peng1，ZHANG Wei2，DING Jingfeng1，DENG Yingqi1

(1.Zhuzhou Elite Electro Mechanical Co., Ltd.,Zhuzhou Hunan 412002,China；2.College of Engineering,Hunan Agricultural University, Changsha Hunan 410128,China)

Pinion electric power steering (P-EPS) abnormal noise is generated due to unreasonable structure design. Through the establishment of the mechanical system analysis model, Artemis Head sound analysis software was used to analyze the reasons of the generated abnormal noise.A optimization design was proposed. The related structures of the parts before and after optimization were compared. The results show that abnormal sound is significantly improved and the optimized structure can be applied to similar products.

P-EPS；Noise；Experiment analysis；Structural optimization

2016-07-10

張 鵬(1989—)，男，本科，助理工程師，研究方向為汽車電動助力轉向。E-mail:zhangpeng.lanyu@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.017

U463.41

A

1674-1986(2016)10-068-05