面向顛簸路面工況下轉(zhuǎn)向器振動(dòng)噪聲優(yōu)化的新型阻尼式壓塊設(shè)計(jì)

漆勝 劉金軒 周良藝 劉雨萱 周鑫

（博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（武漢）有限公司，武漢 430207）

1 前言

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering，EPS）系統(tǒng)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)件在長期使用過程中會(huì)出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致NVH 性能下降[1]，影響整車駕乘舒適性。純電動(dòng)汽車采用電機(jī)替代傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，車內(nèi)更為安靜的空間對整車NVH 性能的要求更加嚴(yán)格，因此，提高EPS系統(tǒng)的NVH性能極為重要。

針對乘用車EPS 系統(tǒng)的NVH 性能提升，學(xué)者開展了大量研究。Wrobel 等[2]建立了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限元分析模型，詳細(xì)描述了影響EPS 系統(tǒng)NVH 性能的關(guān)鍵元件和關(guān)鍵點(diǎn)。Kim 等[3]的研究表明，采用鋼和纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的齒輪能夠減少汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中噪聲和振動(dòng)的傳遞，但僅開展了有限元分析，未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。Aggarwal 等[4]分析了3 種不同材料的齒輪，發(fā)現(xiàn)采用阻尼系數(shù)較小的材料的齒輪NVH 性能較好，并建立了阻尼性能與轉(zhuǎn)向器齒輪噪聲的關(guān)系，但未進(jìn)行疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。

汽車EPS 系統(tǒng)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(huì)產(chǎn)生異響。對于由轉(zhuǎn)向器壓塊引起的噪聲問題，目前常見的解決方式主要為調(diào)整其膜片彈簧的規(guī)格參數(shù)或者收嚴(yán)壓塊間隙的標(biāo)準(zhǔn)等。在壓塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，阻尼能夠降低結(jié)構(gòu)噪聲，減少結(jié)構(gòu)失穩(wěn)并降低構(gòu)件疲勞[6]。壓塊與調(diào)整螺母的接觸為硬接觸，在壓塊和調(diào)整螺母間增加阻尼，可以降低顛簸路面工況下EPS系統(tǒng)的噪聲[7]。

目前，成熟的壓塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案包括螺旋彈簧加壓塊的結(jié)構(gòu)、膜片彈簧加壓塊的結(jié)構(gòu)和螺旋彈簧加膜片彈簧加壓塊的結(jié)構(gòu)。本文提出一種新型帶O型圈結(jié)構(gòu)的壓塊，并保留現(xiàn)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(diào)整螺母之間，從而形成阻尼，實(shí)現(xiàn)噪聲優(yōu)化。最后，設(shè)計(jì)耐久試驗(yàn)和優(yōu)化效果對比試驗(yàn)，驗(yàn)證提出的設(shè)計(jì)方案對顛簸路面工況下EPS系統(tǒng)噪聲的優(yōu)化效果。

2 阻尼式壓塊設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

O 型圈具有阻尼作用，可使壓塊在運(yùn)動(dòng)過程中受到阻力影響，本文在壓塊與調(diào)整螺母間增加O 型圈，如圖1所示，從而使運(yùn)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)O 型圈，內(nèi)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(yōu)勢，且制造簡單、安裝方便、應(yīng)用場景廣[10]，因此，本文在阻尼式壓塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選擇該類O型圈。同時(shí)，根據(jù)GB/T 3452.1 設(shè)計(jì)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(yīng)的溫度為23 ℃，線性熱膨脹系數(shù)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(jù)O 型圈及安裝槽尺寸計(jì)算壓縮率和填充率，結(jié)果如表2 所示。國家標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)載的單自由度系統(tǒng)，通過對數(shù)衰減δ計(jì)算阻尼系數(shù)ξ：

其中，δ的計(jì)算公式為：

式中，N為循環(huán)次數(shù)；X1為首次循環(huán)的幅值；XN為第N次循環(huán)的幅值。

阻尼式壓塊在轉(zhuǎn)向器中起到阻尼器的作用[11]，本文設(shè)計(jì)的阻尼式壓塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 阻尼式壓塊結(jié)構(gòu)模型

設(shè)計(jì)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器時(shí)，一般只考慮單自由度，故本文所設(shè)計(jì)的阻尼式壓塊主要考慮阻尼器的壓縮模態(tài)，其模態(tài)形狀如圖4 所示。當(dāng)O 型圈被壓縮時(shí)，其固有頻率、剛度、阻尼損耗系數(shù)均會(huì)發(fā)生改變[12]。

圖4 阻尼器工作模態(tài)

不同靜態(tài)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(tài)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(chǎn)生共振，進(jìn)一步優(yōu)化NVH性能。

表3 阻尼固有頻率

靜態(tài)壓縮量與剛度、阻尼損耗系數(shù)的關(guān)系如圖5所示[13]，可以看出，O型圈最大壓縮量為0.5 mm時(shí)，不同頻率下剛度差異不大，且擁有相似的阻尼損耗系數(shù)，可認(rèn)為該壓縮量下的O 型圈能夠達(dá)到優(yōu)化NVH 性能的效果。同時(shí)，該壓縮量可滿足轉(zhuǎn)向器對壓塊的預(yù)緊力要求。

圖5 O型圈與靜態(tài)壓縮量相關(guān)的阻尼和剛度

3 EPS系統(tǒng)臺(tái)架耐久試驗(yàn)

EPS系統(tǒng)臺(tái)架耐久試驗(yàn)的目的是獲得壓塊間隙與耐久試驗(yàn)循環(huán)數(shù)之間的關(guān)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(guī)律。

3.1 耐久試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對傳統(tǒng)壓塊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器開展耐久試驗(yàn)，先測量轉(zhuǎn)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(jìn)行疲勞試驗(yàn)，50%和100%循環(huán)后復(fù)測壓塊間隙和顛簸路噪聲[14]。

模擬實(shí)際車輛彎道行駛、水泥地面上制動(dòng)停車、波紋路段和清洗路面上的行駛路譜，耐久試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表4所示，其中SC1、SC4子循環(huán)為跑和程序，SC2、SC3 子循環(huán)分別為彎道和駐車試驗(yàn)，SC5 子循環(huán)為轉(zhuǎn)向盤抖動(dòng)試驗(yàn)，共循環(huán)500次，每個(gè)循環(huán)包含上述5個(gè)子循環(huán)。

表4 耐久試驗(yàn)

試驗(yàn)臺(tái)架如圖6 所示，按照整車實(shí)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(jī)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6 疲勞耐久試驗(yàn)臺(tái)架

實(shí)際臺(tái)架疲勞耐久程序曲線如圖7 所示。EPS系統(tǒng)安裝完成后，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)程序?qū)﹄姍C(jī)和左、右施力缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行耐久試驗(yàn)。

圖7 疲勞耐久試驗(yàn)程序

3.2 壓塊間隙與耐久狀態(tài)

不同耐久程度下的壓塊間隙測量結(jié)果如圖8所示，隨著耐久循環(huán)數(shù)的增加，EPS系統(tǒng)壓塊的間隙明顯增大，3 種耐久狀態(tài)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(zhuǎn)向器壓塊間隙測量結(jié)果

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，壓塊間隙隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增大而增大。對不同耐久程度下的EPS系統(tǒng)進(jìn)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(biāo)系區(qū)分方向。分別在0%、50%和100%耐久狀態(tài)下測量樣件在顛簸路面下的NVH 性能，結(jié)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(tǒng)振動(dòng)加速度增大，NVH性能下降。

圖9 EPS系統(tǒng)不同耐久狀態(tài)下振動(dòng)加速度變化情況

4 顛簸路振動(dòng)噪聲抑制效果驗(yàn)證

為量化分析帶O型圈結(jié)構(gòu)的壓塊對顛簸路振動(dòng)噪聲的抑制效果，設(shè)計(jì)相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行分析。

4.1 試驗(yàn)設(shè)置

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

表6 傳感器參數(shù) mV/(m·s-2)

圖10 傳感器布置

4.2 試驗(yàn)測試工況

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

表7 顛簸路噪聲測試內(nèi)容

4.3 臺(tái)架測試方法

將EPS系統(tǒng)以剛性固定方式安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，兩側(cè)拉桿連接數(shù)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(dòng)加速度傳感器貼放位置為輸入端壓塊及非驅(qū)動(dòng)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(cè)拉桿合力為4 kN，程序運(yùn)行時(shí)間為60 s。

圖11 5~20 Hz正弦曲線

4.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

對每組測試振動(dòng)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(dòng)加速度結(jié)果如圖12所示。

不同壓塊間隙下的試驗(yàn)分析結(jié)果如下：

a.壓塊間隙為0.05 mm 時(shí)，在極小壓塊間隙下，裝有傳統(tǒng)壓塊和新型壓塊的轉(zhuǎn)向器在顛簸路條件下的振動(dòng)區(qū)別不大。

b.壓塊間隙為0.10 mm 時(shí)，裝有新型壓塊的轉(zhuǎn)向器振動(dòng)加速度明顯較裝有傳統(tǒng)壓塊的轉(zhuǎn)向器小，且在襯套端表現(xiàn)更為明顯。

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

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

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

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

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在間隙失效前，裝有新型壓塊的轉(zhuǎn)向器能夠起到良好的振動(dòng)抑制效果，特別是在經(jīng)過疲勞試驗(yàn)后壓塊間隙在0.10 mm 以上時(shí)，噪聲振動(dòng)改善效果更為顯著。

5 結(jié)束語

本文在EPS 系統(tǒng)轉(zhuǎn)向器壓塊中增加O 型圈，設(shè)計(jì)了新型阻尼式壓塊結(jié)構(gòu)，通過耐久試驗(yàn)驗(yàn)證了壓塊間隙隨著耐久循環(huán)數(shù)的增大而增大，這與EPS 系統(tǒng)在實(shí)際道路上的行駛狀態(tài)相符，并基于耐久試驗(yàn)前、后的壓塊間隙和振動(dòng)加速度表現(xiàn)，評(píng)估了新型壓塊對轉(zhuǎn)向器在顛簸路噪聲的優(yōu)化效果，通過量化分析裝有新型壓塊和傳統(tǒng)壓塊的EPS系統(tǒng)在不同壓塊間隙下的噪聲表現(xiàn)，驗(yàn)證了新型壓塊對轉(zhuǎn)向器在顛簸路條件下噪聲的優(yōu)化效果。

致謝

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