某型號轉(zhuǎn)向器液壓共振分析與改進(jìn)

劉健，張鵬

(1.航空工業(yè)新航豫北轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(新鄉(xiāng))有限公司，河南新鄉(xiāng) 453003；2. 中汽檢測技術(shù)有限公司，廣東廣州 510000)

0 引言

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的NVH問題，非常容易被駕駛員感知，引起不悅。傳統(tǒng)的汽車動力轉(zhuǎn)向器由液壓系統(tǒng)提供助力，涉及的液壓系統(tǒng)NVH問題，要求對轉(zhuǎn)向器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、流體力學(xué)等方面均有一定的了解，方能從機(jī)理上對NVH問題進(jìn)行分析及改進(jìn)。

文中所述某車型在原地轉(zhuǎn)向或者低速(<10 km/h)行駛轉(zhuǎn)向時(shí)，輪胎甚至整車會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，并有時(shí)伴隨“engeng”聲，針對此問題展開分析研究工作。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理

1.1 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹

乘用車中常見的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由液壓齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和液壓系統(tǒng)組成，液壓系統(tǒng)包含油泵、高壓油管、低壓油管、油壺、吸油管等。汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員直接轉(zhuǎn)動方向盤提供一部分轉(zhuǎn)動力矩，通過管柱和中間軸驅(qū)動動力轉(zhuǎn)向器輸入軸，引起轉(zhuǎn)閥旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使液壓系統(tǒng)開始工作，對汽車轉(zhuǎn)向提供助力，幫助駕駛員完成轉(zhuǎn)向操作。簡而言之，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上架設(shè)一套動力轉(zhuǎn)向裝置而形成的。

油泵吸油口通過吸油管從油壺中吸油，再經(jīng)過油泵出油口將帶有一定壓力的油液輸送給轉(zhuǎn)向器進(jìn)油口，轉(zhuǎn)向器回油口的油液直接回到油壺中，這樣形成一個工作循環(huán)。圖1所示為齒輪齒條動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖。

圖1 齒輪齒條動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖

1.2 油泵結(jié)構(gòu)工作原理

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍使用雙作用葉片泵，雙作用葉片泵由兩段長半徑圓弧、兩段短半徑圓弧和4段過渡曲線組成，且定子和轉(zhuǎn)子是同心的，當(dāng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，密封工作腔的容積在左上角和右下角逐漸增大，為吸油區(qū)；在左下角和右上角逐漸減小，為壓油區(qū)。吸油區(qū)和壓油區(qū)之間有一段封油區(qū)將吸、壓油區(qū)隔開。這種泵的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周，每個密封工作腔完成吸油和壓油動作各兩次，所以稱為雙作用葉片泵。圖2所示為雙作用葉片泵工作原理。

圖2 雙作用葉片泵工作原理

2 液壓共振產(chǎn)生的機(jī)制及改進(jìn)方案

2.1 液壓共振產(chǎn)生的機(jī)制

從上面已經(jīng)得知，油泵每旋轉(zhuǎn)一圈吸油兩次，壓油兩次，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)一圈對外產(chǎn)生兩個壓力脈沖，從而引起油液波動，并經(jīng)過出油口向整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳播；當(dāng)這個激勵頻率與轉(zhuǎn)向器閥組件頻率相吻合，并且能量達(dá)到一定值時(shí)液壓共振便會發(fā)生，因?yàn)橛鸵褐芷谛圆▌樱瑢?dǎo)致輸出力也存在周期性波動，從而通過轉(zhuǎn)向器拉桿傳遞到輪胎和懸架，導(dǎo)致出現(xiàn)NVH問題。

2.2 改進(jìn)方案

解決共振異響常見的思路：改變振動源(油泵)的振動頻率、降低振動源的能量，改變響應(yīng)(轉(zhuǎn)向器閥組件)的固有頻率。從成本和周期方面考慮，改變閥組件的固有頻率更便捷成本更低，但是從操縱穩(wěn)定性方面看，閥組件是不允許輕易變更的，而振動源的頻率是由轉(zhuǎn)速決定的。綜合考慮，只有降低振動源的能量才是最合適的方案。

如圖3所示，在高壓油管軟管部分增加降噪管是一種降低振動能量常用的方法。其原理是運(yùn)用1/4波長理論，讓轉(zhuǎn)向液在高壓油管中產(chǎn)生的壓力波動在出口截面產(chǎn)生反作用波動，其相位與原始波動有相位差，原始波與反作用波疊加，由于有相位差，振幅發(fā)生抵消，當(dāng)轉(zhuǎn)向液進(jìn)入轉(zhuǎn)向器之前，振動振幅降低，壓力波動能量降低，不足以引起共振。降噪管工作示意圖如圖4所示。

圖3 降噪芯圖片

圖4 降噪管工作示意圖

3 實(shí)車測試案例

3.1 數(shù)采系統(tǒng)設(shè)備信息

此次實(shí)車NVH試驗(yàn)使用了LMS數(shù)采設(shè)備(8通道)，表1所列為測試的主要設(shè)備。

表1 振動噪聲測試主要設(shè)備

3.2 實(shí)車測點(diǎn)布置及測試過程

根據(jù)異響現(xiàn)象，三軸加速度傳感器粘貼在轉(zhuǎn)向器的左拉桿上，油壓變送器通過三通接頭連接在轉(zhuǎn)向器的進(jìn)油口處，其中三軸加速度傳感器的方向和整車方向定義一致。

按照實(shí)車異響現(xiàn)象產(chǎn)生條件，確定了測試工況為車輛怠速狀態(tài)下原地慢速轉(zhuǎn)動方向盤。測試對象分為原始狀態(tài)和改進(jìn)狀態(tài)，測試內(nèi)容為轉(zhuǎn)向器進(jìn)油油壓波動和左拉桿振動。

4 測試結(jié)果分析

實(shí)車的測點(diǎn)布置位置如圖5所示。通過加速度信號和油壓信號的時(shí)域信號比對(如圖6所示)，發(fā)現(xiàn)兩者存在周期性波動，并且波動相吻合，說明拉桿加速度振動和油壓波動相關(guān)；并且拉桿加速度振動主要集中在Y方向，即拉桿的軸向方向，也是轉(zhuǎn)向器輸出力的方向，說明輪胎抖動和加速度振動相吻合。油壓波動達(dá)到2.7 MPa，振幅異常。

圖5 實(shí)車的測點(diǎn)布置位置

圖6 時(shí)域信號分析-原始狀態(tài)

通過兩者的頻域信號比對(如圖7所示)，油壓波動頻率為25 Hz，與油泵的周期性壓油頻率一致。

圖7 頻域信號分析

通過改進(jìn)高壓油管，增加降噪芯后，再次測試評價(jià)(如圖8所示)，油壓波動依然存在0.8 MPa，但是主觀上感覺不到。

圖8 時(shí)域信號分析-改進(jìn)狀態(tài)

5 結(jié)論

從以上可以看出，當(dāng)出現(xiàn)液壓共振故障時(shí)，高壓油管通過采用降噪芯可以有效降低油壓波動，降低振動能量從而消除液壓共振現(xiàn)象，此改進(jìn)方案具有改進(jìn)周期短、成本增加少、不影響操穩(wěn)性能等優(yōu)點(diǎn)。