EPS電機(jī)摩擦噪聲特性分析與控制

李傳兵,閆兵,雷應(yīng)鋒,李淑靜

（1.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401120；2.長(zhǎng)安汽車工程研究院，重慶 401120；3.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031）

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS，Electric Power Steering）代替液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車節(jié)能減排的重要措施之一，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。EPS系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點(diǎn)[1]：僅在需要轉(zhuǎn)向時(shí)才啟動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生助力，能減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗；能在各種行駛工況下提供最佳助力，即根據(jù)車速的高低和行駛條件的變化，提供合適的轉(zhuǎn)向助力，提高汽車行駛的安全性、操縱性和穩(wěn)定性。沒有液壓回路，調(diào)整和檢測(cè)更容易，裝配自動(dòng)化程度更高，且可通過設(shè)置不同的程序，快速與不同車型匹配，縮短生產(chǎn)和開發(fā)周期；不存在漏油問題，減小對(duì)環(huán)境的污染。正是有了這些優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種新的轉(zhuǎn)向技術(shù)，正逐步挑戰(zhàn)已具有50多年歷史的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

但EPS與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，可能存在噪聲相對(duì)較大的缺點(diǎn)，駕駛員在轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，可能產(chǎn)生令人不適的異響。根據(jù)研究，這些異響主要由電磁噪聲、連接件間隙撞擊噪聲、摩擦噪聲等組成[2]。電磁噪聲可通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和工藝控制加以解決[3]，連接件間隙也可采取結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)加以消除或減小。當(dāng)電磁噪聲和撞擊噪聲降低后，摩擦噪聲往往成為令人不適的主要異響。

某型EPS在轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯間斷性異響，影響駕乘人員的乘坐舒適性。需要在對(duì)該助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行噪聲、振動(dòng)測(cè)試基礎(chǔ)上，掌握異響產(chǎn)生原因，并采取針對(duì)性的降噪措施，以消除異響。

1 噪聲源的識(shí)別

確定噪聲源，是噪聲控制的基礎(chǔ)。為準(zhǔn)確判斷該型EPS產(chǎn)生異響的原因，采用了主觀評(píng)價(jià)與客觀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)手段與信號(hào)處理相結(jié)合的研究方法。

1.1 EPS噪聲的時(shí)頻特性

駕駛員操作轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種非穩(wěn)定的時(shí)變過程。因此，要掌握EPS噪聲的基本特性，不能單純采用時(shí)域或頻域分析方法，必須采用小波分析等時(shí)頻域分析方法，才能揭示噪聲信號(hào)在時(shí)變過程中的頻率特性，清晰反映出可能與異響相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。

圖1為EPS噪聲時(shí)域信號(hào)和頻譜圖，圖2為EPS噪聲的時(shí)頻域信號(hào)（小波變換色譜圖）。時(shí)域信號(hào)由于各種頻率信號(hào)的疊加，難以看出規(guī)律；頻域信號(hào)則是整個(gè)采樣周期內(nèi)的頻域能量分布，也不能直觀反映間斷性異響所對(duì)應(yīng)局部時(shí)段的頻率特性。而在小波變換所得到的色譜圖中，各局部時(shí)段的頻率特性可清晰地表現(xiàn)出來。例如，在色譜圖的0.3 s附近時(shí)段，可清晰觀察到900 Hz左右的頻率成分很突出；在色譜圖的1.2 s附近時(shí)段，可清晰觀察到1 700 Hz左右的頻率成分明顯，這種在局部時(shí)段凸現(xiàn)的頻率成分，在主觀聽覺上，可能感覺為間斷性的異響。

1.2 異響的主觀評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步判明在轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)異響的時(shí)頻特性，即確定異響的頻率范圍和時(shí)間延續(xù)特性。利用西南交通大學(xué)汽車工程研究所開發(fā)的“噪聲主觀評(píng)價(jià)軟件”，將噪聲測(cè)試結(jié)果還原為音頻信號(hào)，并根據(jù)色譜圖反映的信號(hào)時(shí)頻特性，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了時(shí)域局部取樣和頻域低通、高通、帶通、帶阻處理，與合作企業(yè)專業(yè)聽音師共同確定了EPS所產(chǎn)生的明顯間斷性異響，主要對(duì)應(yīng)于色譜圖中的900 Hz和1 700 Hz附近頻段。

電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)所產(chǎn)生的異響之所以使人感到煩惱，在于某一（些）特定單調(diào)頻率的聲級(jí)較大且持續(xù)一定時(shí)間。下圖為轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤持續(xù)產(chǎn)生的頻率在900 Hz、1 700 Hz附近的異響

圖1 EPS噪聲的時(shí)域信號(hào)和頻譜圖

圖2 EPS噪聲的小波變換色譜圖

1.3 噪聲源的確定

在電磁噪聲和連接件撞擊噪聲降低后，仍存在的異響很可能是換向器與電刷接觸表面上的摩擦作用而產(chǎn)生的摩擦噪聲。即由電刷與換向器接觸表面產(chǎn)生的寬頻摩擦力，作用在電機(jī)外殼及附近部件上，激起部件結(jié)構(gòu)振動(dòng)所輻射的噪聲。特別是當(dāng)寬頻摩擦力的某些激勵(lì)頻率與部件固有頻率接近時(shí)，由于共振作用，振動(dòng)和噪聲明顯放大，產(chǎn)生被人主觀感覺到的異響。下圖為與圖3和圖4同步采集的電機(jī)外殼振動(dòng)信號(hào)頻譜圖，從中可見與噪聲頻率完全對(duì)應(yīng)的900 Hz和1 700 Hz成分，說明所謂“異響”可能是電機(jī)外殼及附近部件振動(dòng)所輻射的噪聲。

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)在0.3s附近時(shí)段產(chǎn)生的異響頻率成分，900 Hz和1 700 Hz

為進(jìn)一步確定噪聲激勵(lì)源和輻射源，分別進(jìn)行了消除電機(jī)電刷摩擦力和去除電機(jī)外殼等情況下的噪聲測(cè)試。

首先去除電刷彈簧，電刷與換向器脫離接觸，這時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，主觀感覺也已無異響。分析噪聲、振動(dòng)信號(hào)，所產(chǎn)生的噪聲成分中已沒有900 Hz和1 700 Hz等明顯峰值。去除電刷彈簧后，電刷與換向器的摩擦力不復(fù)存在，所引起的電機(jī)外殼等部件振動(dòng)所輻射摩擦噪聲自然消除。這時(shí)異響消失，說明異響的激勵(lì)源主要是電刷與換向器的摩擦力。

圖5 同步采集的電機(jī)外殼振動(dòng)信號(hào)頻譜圖

然后對(duì)電機(jī)去除外殼，轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，主觀感覺到原有的單頻異響也不存在，但能聽到更尖銳（頻率更高）的聲音。分析噪聲信號(hào)，圖7所示頻譜圖呈明顯的寬頻特征，圖2中的900 Hz和1 700 Hz等異響成分在圖7中已基本不存在，說明900 Hz和1 700 Hz等異響成分與外殼結(jié)構(gòu)共振所輻射噪聲有關(guān)。圖7中頻率成分主要在2 000～8 000 Hz頻率范圍內(nèi)，這種噪聲可能與持續(xù)變動(dòng)的寬頻載荷（如摩擦或沖擊）激勵(lì)電機(jī)轉(zhuǎn)子等部件有關(guān)。在裝上電機(jī)外殼后，由于外殼的隔聲作用，故此時(shí)頻率在2 000～8 000 Hz范圍內(nèi)的噪聲已不明顯。

圖6 消除電機(jī)電刷摩擦力后的噪聲小波變換色譜圖

綜上所述，該型電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機(jī)產(chǎn)生噪聲的原因，主要是電刷與換向器的摩擦力傳遞到電機(jī)外殼及附近部件上，激起部件振動(dòng)所輻射的噪聲。當(dāng)寬頻的激勵(lì)頻率與部件固有頻率接近時(shí)，由于共振作用，振動(dòng)和噪聲明顯放大，產(chǎn)生異響。

2 影響摩擦噪聲的因素及降噪措施

根據(jù)以上分析，要控制該型電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機(jī)產(chǎn)生的異響，應(yīng)從噪聲激勵(lì)源和輻射源兩方面著手，即一方面設(shè)法減小電刷與換向器的摩擦力，另一方面在提高電機(jī)外殼剛度等方面采取措施。

根據(jù)摩擦力產(chǎn)生的一般理論，滑動(dòng)接觸的兩個(gè)面上實(shí)際是很多個(gè)別點(diǎn)的接觸，在這些點(diǎn)上接觸應(yīng)力是相當(dāng)高的，一般都超過材料的屈服點(diǎn)，從而發(fā)生材料的局部“膠合”，隨著相對(duì)運(yùn)動(dòng)它又被“撕開”，在摩擦面上始終存在著這種“動(dòng)平衡”的過程，就是它形成了摩擦振動(dòng)與噪聲的激勵(lì)源。研究表明[4]，與電刷摩擦力有關(guān)的主要因素是：

圖7 去除電機(jī)外殼后的噪聲小波變換色譜圖

(1)換向器表面的加工粗糙度與硬度。換向片宜用鎘銅制造，電刷要適當(dāng)軟一些，這樣噪聲較低。換向器表面用金剛鉆刀具最后加工可顯著降低粗糙度，切忌用金剛砂拋光表面，以免砂粒殘留在表面，加速電刷摩損，使噪聲增大。換向器表面切忌油污，影響換向器表面形成的正常氧化膜，使噪聲加大；

(2)電刷的質(zhì)量。電刷伸出刷握的部分相當(dāng)于一個(gè)懸臂，因此刷架離換向器表面距離大，電刷擺動(dòng)也大，一般控制在1.5 mm左右。刷握固定在刷握板上，刷握板的動(dòng)剛度不能太差，更要避免共振。電刷和刷握的配合間隙，尤其是切向的。一般要求控制在0.05～0.1 mm，最多0.2 mm；

(3)換向器表面的徑向跳動(dòng)量與溝槽寬度；

(4)電刷的壓力，一般以400～450 g/cm2為宜。

針對(duì)上述與電刷摩擦力有關(guān)的主要因素，結(jié)合生產(chǎn)工藝性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)該型電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機(jī)，采用了改善換向器表面的加工粗糙度和潤(rùn)滑條件、調(diào)整電刷壓力、降低接觸元件表面硬度等減小摩擦激振力的措施。

另外，為提高電機(jī)外殼剛度，采取了提高電機(jī)外殼與磁鋼粘合強(qiáng)度、增加電機(jī)外殼厚度等措施。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

電機(jī)采取上述措施改進(jìn)后，對(duì)改進(jìn)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)時(shí)主觀基本感覺不到單調(diào)的異響聲，甚至已明顯優(yōu)于國外同類進(jìn)口樣機(jī)。圖8所示改進(jìn)后EPS噪聲的小波變換色譜圖中，噪聲異響成分幅值和頻率集中程度較改進(jìn)前明顯減少，900 Hz和1 700 Hz附近的異響成分幅值已很小，最大單頻成分幅值僅為改進(jìn)前的1/8。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了噪聲源分析的正確性和降噪措施的有效性。

4 結(jié)語

(1)該型EPS電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)所產(chǎn)生的異響之所以使人感到煩惱，在于900 Hz、1 700 Hz單調(diào)頻率的聲級(jí)較大且持續(xù)一定時(shí)間；

(2)該型電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機(jī)產(chǎn)生噪聲的原因，主要是電刷與換向器的摩擦力傳遞到電機(jī)外殼及附近部件上，激起部件振動(dòng)所輻射的噪聲。當(dāng)寬頻的激勵(lì)頻率與部件固有頻率接近時(shí)，由于共振作用，振動(dòng)和噪聲明顯放大，產(chǎn)生異響；

圖8 電機(jī)改進(jìn)后EPS噪聲的小波變換色譜圖

圖9 使用進(jìn)口電機(jī)的EPS噪聲的小波變換色譜圖

(3)對(duì)該型電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機(jī)，采用減小摩擦激振力和提高電機(jī)外殼剛度的措施后，900 Hz和1 700 Hz附近的異響成分幅值明顯減小，主觀感覺明顯改善。

[1]馬葳，過學(xué)迅，楊勝兵.基于轉(zhuǎn)向盤角速度的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正控制[J].湖北汽車工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，03.

[2]桑帥軍，董大偉，閆兵，涂啟養(yǎng).某型電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)噪聲測(cè)試分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011.

[3]劉敏.汽車交流發(fā)電機(jī)噪聲振動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

[4]陳永校，諸自強(qiáng)，應(yīng)善成.電機(jī)的噪聲和振動(dòng)[M].浙江：浙江大學(xué)出版，1987.