劉艷豐，蘇金偉，王 帥，武偉光，趙 鵬

0 引 言

駕駛員通過汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制汽車行駛方向和獲得路感[1]。目前電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在乘用車上被廣泛應(yīng)用。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由傳感器、助力電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器、控制器等組成，其中減速機(jī)構(gòu)包括蝸輪箱、蝸輪、蝸桿等。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)行中涉及蝸輪蝸桿、齒輪齒條等多處配合，配合間隙過小會(huì)影響駕駛路感和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正性能，配合間隙過大會(huì)使汽車在顛簸路面行駛時(shí)產(chǎn)生撞擊，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。通常這種零部件之間異常配合產(chǎn)生的噪聲高于人耳接受范圍，這類噪聲被稱為異響。汽車常見異響包括轉(zhuǎn)向操作異響、顛簸路面異響、起步異響、轉(zhuǎn)向盤怠速抖動(dòng)異響，其中顛簸路面異響尤為明顯[2]。各異響振動(dòng)沿轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞至轉(zhuǎn)向盤，直接影響汽車駕駛舒適性、安全性。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研發(fā)中需注意避免轉(zhuǎn)向異響發(fā)生，本文結(jié)合實(shí)際工程問題的解決經(jīng)驗(yàn)對轉(zhuǎn)向異響評價(jià)試驗(yàn)方法進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)背景

某車型搭載的C-EPS （Column-Electric Power Steering，管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器）主要由電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向管柱、機(jī)械轉(zhuǎn)向器及橫拉桿總成組成。在試生產(chǎn)階段對該車型進(jìn)行顛簸路面測試，車速為15～20 km/h，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)“嘚嘚”異響，同時(shí)轉(zhuǎn)向盤振感明顯。為此，分別對轉(zhuǎn)向盤護(hù)罩、轉(zhuǎn)向中間軸、管柱與車身連接處、橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)連接處進(jìn)行檢查，均無松動(dòng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件與其他機(jī)構(gòu)均無干涉，初步確定轉(zhuǎn)向異響源于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部。為避免整車對查找轉(zhuǎn)向異響源的干擾，精確定位異響源，單獨(dú)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)異響工況，開展對標(biāo)測試，對比分析試驗(yàn)結(jié)果。

2 臺(tái)架試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

5通道轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)可以按照實(shí)車坐標(biāo)固定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，精確模擬實(shí)車轉(zhuǎn)向盤輸入扭矩及角度、左右側(cè)拉桿端橫向力及位移、左右側(cè)拉桿端垂向位移?；谠撛囼?yàn)臺(tái)采集產(chǎn)生轉(zhuǎn)向異響的顛簸路面的道路載荷譜作為目標(biāo)信號，進(jìn)行迭代計(jì)算，得到臺(tái)架驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)異響工況復(fù)現(xiàn)[3]。

受成本限制未搭建消聲室，通過臺(tái)架對比試驗(yàn)查找異響源。進(jìn)行臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)時(shí)，采集故障車型和多個(gè)對標(biāo)車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中易發(fā)生異響的部位的振動(dòng)加速度值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到加速度限值。

選取3 款不同廠家相同類型C-EPS 進(jìn)行對標(biāo)試驗(yàn)。試驗(yàn)前分別對試驗(yàn)樣件進(jìn)行齒輪齒條滑移力和正向空載試驗(yàn)，確認(rèn)樣件狀態(tài)符合試驗(yàn)要求，即對標(biāo)樣件的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)行無異響、無卡滯，同時(shí)對標(biāo)樣件與故障樣件本體均無開裂、無漏油，緊固件無松動(dòng)，通過實(shí)測確定各樣件均滿足試驗(yàn)要求。

2.2 測點(diǎn)選取

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中蝸輪蝸桿、齒輪齒條、轉(zhuǎn)向器襯套均存在用于配合的自由間隙，汽車在顛簸路面行駛時(shí)這些部件容易產(chǎn)生碰撞噪聲，并且這些部件配合過程中的沖擊也是常見異響源，需安裝加速度傳感器測試這些部件的振動(dòng)加速度，如圖1所示。

圖1 在不同測點(diǎn)安裝加速度傳感器

2.3 臺(tái)架試驗(yàn)的邊界條件

為使臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎媚M整車試驗(yàn)狀態(tài)，將轉(zhuǎn)向管柱、中間軸等部件按照實(shí)車安裝位置和要求進(jìn)行布置，確保螺栓擰緊力矩、轉(zhuǎn)向最大行程以及懸架上下跳動(dòng)的最大行程、主銷與轉(zhuǎn)向外球頭的相對位置與實(shí)車一致。

為很好模擬轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)齒輪與齒條、蝸輪與蝸桿以及轉(zhuǎn)向器襯套的相互作用，使用迭代后臺(tái)架驅(qū)動(dòng)程序?qū)D(zhuǎn)向器遠(yuǎn)端進(jìn)行激勵(lì)，轉(zhuǎn)向器近端采用聚氨酯墊片進(jìn)行彈性固定，轉(zhuǎn)向盤使用等效慣量盤進(jìn)行模擬，采用某試車場的卵石路載荷譜使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，所搭建的試驗(yàn)臺(tái)架如圖2所示。

圖2 5通道轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)架

2.4 激勵(lì)方式

為避免試車場道路載荷譜的局限性，將轉(zhuǎn)向盤左側(cè)橫拉桿彈性固定，對右側(cè)橫拉桿采用標(biāo)準(zhǔn)正弦波進(jìn)行激勵(lì)，加載模型如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)加載模型

2.5 數(shù)據(jù)處理方法

振動(dòng)加速度的信號預(yù)處理避免使用時(shí)間平均分析法，否則會(huì)將一些異響信號涂抹掉，可根據(jù)異響信號特征進(jìn)行濾波等處理，聚焦相關(guān)頻帶突出效果；對于異響問題，信號峰值相比平均值更有意義，同時(shí)需關(guān)注峰值頻次，頻次過少的單峰值不會(huì)產(chǎn)生過多異響。處理異響測試數(shù)據(jù)時(shí)，使用經(jīng)過濾波處理的時(shí)域信號，并使用常用的百分位數(shù)N1-Percentile（描述一組數(shù)據(jù)中每個(gè)值的大小與位置關(guān)系）對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以得到用于評價(jià)異響的加速度值。對所有測試信號中最大的10%位置（P10）數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，避免單個(gè)峰值的影響，同時(shí)避免平均值或者均方根值將最有價(jià)值信息覆蓋。采用x、y、z向加速度表示最終限值，即

式中：vsum為測點(diǎn)加速度；X為測點(diǎn)x向加速度；Y為測點(diǎn)y向加速度；Z為測點(diǎn)z向加速度。

將3套狀態(tài)良好的對標(biāo)樣件的最大振動(dòng)加速度作為加速度限值。

3 臺(tái)架試驗(yàn)過程

3.1 道路模擬

（1）載荷譜采集

采集試車場卵石路載荷譜信號，包括轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、右側(cè)橫拉桿力、懸架垂向跳躍、車速信號，并對這些信號進(jìn)行分析，去除毛刺，消除趨勢項(xiàng)，保證載荷譜數(shù)據(jù)信號真實(shí)完整[4]。

（2）迭代計(jì)算

將處理后的卵石路載荷譜作為目標(biāo)信號，通過白噪聲激勵(lì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)生成頻響函數(shù)，利用RPC（Remote Parameter Control，遠(yuǎn)程參數(shù)控制）軟件進(jìn)行迭代[2]，使臺(tái)架驅(qū)動(dòng)響應(yīng)與目標(biāo)信號的誤差低于3%，最終得到卵石路載荷譜驅(qū)動(dòng)程序。迭代過程如圖4所示。

圖4 卵石路載荷譜的迭代曲線

（3）加速度采集

為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的蝸輪、蝸桿、齒輪、齒條及轉(zhuǎn)向器支持襯套殼體分別安裝三向加速度傳感器，通過臺(tái)架驅(qū)動(dòng)程序激勵(lì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，采集轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中各測點(diǎn)的振動(dòng)加速度。

（4）數(shù)據(jù)處理

分別對4 套轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)加速度信號進(jìn)行處理，如圖5所示，數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表1。

表1 卵石路載荷譜激勵(lì)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果g

圖5 數(shù)據(jù)處理流程

3.2 標(biāo)準(zhǔn)正弦激勵(lì)

對右側(cè)橫拉桿分別采用頻率為20 Hz、2 800 N載荷的正弦波激勵(lì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，采集各測點(diǎn)的振動(dòng)加速度并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，結(jié)果見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)正弦波激勵(lì)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果g

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

將運(yùn)轉(zhuǎn)良好、無異響的3個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)樣件的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并繪制柱狀圖，如圖6、7所示。

圖6 卵石路載荷譜激勵(lì)臺(tái)架試驗(yàn)

圖7 標(biāo)準(zhǔn)正弦激勵(lì)臺(tái)架試驗(yàn)

從圖中可以看出，3個(gè)對標(biāo)樣件在兩種激勵(lì)方式的臺(tái)架試驗(yàn)中，從蝸輪到襯套的振動(dòng)加速度變化趨勢相似，同一樣件中，襯套的振動(dòng)加速度最大，蝸輪的振動(dòng)加速度偏小。臺(tái)架試驗(yàn)均采用激勵(lì)右側(cè)橫拉桿方式，激勵(lì)振動(dòng)會(huì)從襯套到蝸輪、蝸桿發(fā)生衰減，這與實(shí)際相符，說明試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確合理。

對比表1、2 中樣件4（故障）各測點(diǎn)的振動(dòng)加速度與樣件1～3 的加速度限值，表1 中故障件蝸輪、蝸桿處振動(dòng)加速度分別為0.053g、0.102g，相應(yīng)位置限值分別為0.011g、0.015g；表2 中故障件蝸輪、蝸桿處振動(dòng)加速度分別為0.318g、0.420g，相應(yīng)位置限值分別為0.174g、0.214g?？梢钥闯?，兩種試驗(yàn)中故障件蝸輪、蝸桿處振動(dòng)加速度均明顯超過樣件1～3的限值，其中蝸桿測點(diǎn)超限尤其明顯，故障件齒輪、襯套處振動(dòng)加速度均小于樣件1～3的限值。

為此，對比卵石路載荷譜臺(tái)架試驗(yàn)中4個(gè)樣件的蝸桿y向振動(dòng)加速度曲線，如圖8所示，y向?yàn)槲佪單仐U嚙合方向，其加速度變化相比其他位置更為明顯。

圖8 各樣件蝸桿y向振動(dòng)加速度曲線

對比圖8 各分圖發(fā)現(xiàn)，圖8（d）中加速度曲線在第18、34、53 s 附近出現(xiàn)明顯突變，加速度幅值甚至可達(dá)到0.20 m/s2，相比其他時(shí)刻加速度值具有顯著變化，圖8（a）～（c）中各對標(biāo)樣件的蝸桿y向加速度幅值無明顯突變，且變化趨勢較為平穩(wěn)。由此說明故障件異響是由蝸輪、蝸桿異常配合產(chǎn)生沖擊引起。將異響樣件拆解后發(fā)現(xiàn)，蝸輪盤有磨損痕跡，對比行駛里程小于300 km 的同型號同供應(yīng)商正常樣件，發(fā)現(xiàn)異響樣件的蝸輪蝸桿嚙合處潤滑脂偏少且間隙偏大。

綜上，故障車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)顛簸路異響的主要原因是蝸輪蝸桿間潤滑不良，磨損較嚴(yán)重，并且蝸輪蝸桿間隙較大。為此，將蝸輪蝸桿潤滑脂加注方式由手動(dòng)加注改為定量自動(dòng)加注，并采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)蝸輪蝸桿嚙合力，改進(jìn)后進(jìn)行樣件測試，未再出現(xiàn)異響。

5 結(jié) 論

針對某車型顛簸行駛中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問題進(jìn)行分析，采用5通道轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)對故障件和3套正常件開展臺(tái)架對比測試，其中轉(zhuǎn)向盤采用等效慣量的慣量盤代替，一側(cè)橫拉桿彈性固定，另一側(cè)橫拉桿通過路譜驅(qū)動(dòng)程序以及標(biāo)準(zhǔn)正弦波進(jìn)行激勵(lì)，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)顛簸路面的異響工況。采集4 套樣件的蝸輪、蝸桿、齒輪、襯套振動(dòng)加速度，對比驗(yàn)證試驗(yàn)安排合理有效。

對3套對標(biāo)樣件的試驗(yàn)加速度進(jìn)行計(jì)算，得到無異響正常件加速度限值，對比發(fā)現(xiàn)故障樣件的蝸輪、蝸桿加速度均超過限值，其中蝸桿y向振動(dòng)加速度曲線出現(xiàn)異常峰值，拆解故障件發(fā)現(xiàn)，蝸輪蝸桿的潤滑脂量不足，且配合間隙較大。由此可知，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響是由于蝸輪蝸桿異常配合導(dǎo)致。

綜上所述，通過臺(tái)架測試查找轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響故障原因的方法切實(shí)可行，相比搭建消聲室進(jìn)行噪聲測試更加節(jié)省成本，對于研發(fā)階段轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問題解決具有一定參考意義。