某車型液壓助力轉(zhuǎn)向泵噪聲的測試與分析

吳煒加，黃啟涌，陳文波

（廣汽本田汽車有限公司，廣東 廣州 510700）

某車型液壓助力轉(zhuǎn)向泵噪聲的測試與分析

吳煒加，黃啟涌，陳文波

（廣汽本田汽車有限公司，廣東 廣州 510700）

文章介紹了對某車型液壓助力轉(zhuǎn)向泵工作噪聲進(jìn)行試驗測試和階次分析的方法與結(jié)果。通過對量產(chǎn)件與市場返回件的噪聲對比測試，分析其噪聲階次、噪聲峰值及對應(yīng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，逐步找出影響助力轉(zhuǎn)向泵噪聲最為關(guān)鍵的因素與性能水平，并最終得到峰值噪聲對應(yīng)的特征頻率，為尋求改善方案提供了試驗數(shù)據(jù)支持。

液壓助力轉(zhuǎn)向泵；階次分析；噪聲測試；特征頻率

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.038

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-116-04

引言

某車型全新改款上市以來銷量良好，但隨后陸續(xù)收到一些市場反饋，認(rèn)為在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時能聽到有別于發(fā)動機(jī)噪聲的“嗡嗡嗡”響聲，轉(zhuǎn)動方向盤時尤其明顯。經(jīng)初步分析，響聲來源于該車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中裝備的液壓助力轉(zhuǎn)向泵，如圖1、圖2所示。特約店對有關(guān)車輛助力轉(zhuǎn)向泵進(jìn)行了全面檢查，包括對助力轉(zhuǎn)向油的油量、油質(zhì)、油管，以及皮帶輪、安裝手法、螺栓扭力等進(jìn)行確認(rèn)或調(diào)整，該響聲無明顯改善。對部分車輛更換新的助力轉(zhuǎn)向泵，響聲仍無明顯改善。

隨后對該車型的助力轉(zhuǎn)向泵展開進(jìn)一步調(diào)查。在該車型的全新改款中，軸距、車重有所增加，但同時卻要求車輛的轉(zhuǎn)向操控更加精準(zhǔn)有力。要滿足這對矛盾的要求，就必須大力提升助力轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)向性能指標(biāo)。于是全新開發(fā)的助力轉(zhuǎn)向泵中的容積、油壓和流量都有所提高，泵中的葉片數(shù)量減少，轉(zhuǎn)子厚度減小，高壓流出口位置變更等，如圖3所示。因此，轉(zhuǎn)向性能的提升帶來了噪聲舒適性方面的一些損失，但其噪聲水平完全滿足國標(biāo)及歐美相關(guān)法規(guī)對于車內(nèi)噪聲的要求。

不過，進(jìn)一步提高顧客滿意度，決定對助力轉(zhuǎn)向泵噪聲進(jìn)行試驗測試，深入分析并努力改善其噪聲水平。

1、階次理論分析

發(fā)動機(jī)啟動之后，通過皮帶帶動液壓助力轉(zhuǎn)向泵的皮帶輪，再由皮帶輪帶動泵體中的轉(zhuǎn)子，最后由轉(zhuǎn)子葉片泵在助力油中的轉(zhuǎn)動提供液壓動力，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。在正常情況下，液壓助力轉(zhuǎn)向泵工作時的振動與噪聲主要來源于葉片泵在助力油中的轉(zhuǎn)動沖擊，其主要噪聲的頻率與葉片泵的轉(zhuǎn)速相關(guān)，可以對其進(jìn)行階次分析。

在實際測試中，取發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速為外部信號。該車使用L4發(fā)動機(jī)，曲軸每轉(zhuǎn)動一圈，發(fā)動機(jī)4個缸總共點火兩次，產(chǎn)生兩次燃燒噪聲，因此發(fā)動機(jī)點火基頻噪聲認(rèn)定為 2階。據(jù)此計算出助力轉(zhuǎn)向泵的理論基頻階次O1t為：

O1t=DE/DP*N

其中，DE為發(fā)動機(jī)皮帶輪直徑；DP為助力轉(zhuǎn)向泵皮帶輪直徑；N為助力泵中葉片數(shù)目。將相應(yīng)參數(shù)值DE=161mm、DP=120mm、n=9代入公式計算，得到：O1t=12.075（階）。其高階諧音階次：二階O2t=2×O1t=24.150（階）；三階O3t=3×O1t=36.225（階）；以此類推。

2、試驗測試與分析

2.1 量產(chǎn)件的噪聲測試

為了把握助力轉(zhuǎn)向泵量產(chǎn)件的噪聲水平，先從供應(yīng)商提供的量產(chǎn)助力轉(zhuǎn)向泵中隨機(jī)抽取20個件，先后換裝到同一臺試驗車上進(jìn)行對比測試。

在半消聲室里使用噪聲與振動采集分析儀器進(jìn)行噪聲采集，將聲壓傳感器懸掛在前排座椅中間耳朵位置，距內(nèi)后視鏡500mm，距離頂棚220mm，如圖4、圖5所示。

雖然方向盤轉(zhuǎn)動時噪聲相對較大，但轉(zhuǎn)動的角度及角速度難以保持一致。又因為方向盤居中不動時與轉(zhuǎn)動方向盤時的助力泵噪聲值有著明顯的正向關(guān)系，因此在對比測試時，統(tǒng)一保持方向盤居中不動，以利于采集相同工況的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號為外部信號，采集1000RPM～4000RPM范圍內(nèi)的噪聲，得到其三維階次瀑布圖，如圖6所示。

由圖中可以看到，噪聲較大的階次（彩色豎線）與前面計算的理論階次并不完全吻合，而是在其旁邊比之略小。這是由于助力轉(zhuǎn)向泵是由皮帶驅(qū)動，而皮帶有一定的滑移率，導(dǎo)致實際轉(zhuǎn)速略低于理論轉(zhuǎn)速，從而實際階次也就略低于理論階次。以O(shè)2t為例，其對應(yīng)的實際階次O2r=23.875階，其皮帶傳動滑移率ε為：

將各參數(shù)值代入計算，得到ε=1.14%，與真實情況相符。因此，在數(shù)據(jù)分析中，用實際階次代替理論階次，本文以下內(nèi)容所提到的助力轉(zhuǎn)向泵階次均使用實際階次。

取PS泵各階次噪聲及總聲壓級噪聲隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，如圖7所示。

從曲線中可以看到：1.在轉(zhuǎn)速超過2000RPM后，各階次噪聲與總聲壓級噪聲差距很大（≧10dB），對總聲壓級噪聲貢獻(xiàn)很??；2.O1r、O2r、O3r各階次中主要是O2r=23.875階（綠線）在低轉(zhuǎn)速時出現(xiàn)靠近總聲壓級的噪聲，與市場所反饋的噪聲信息相一致。

根據(jù)以上分析結(jié)果，在進(jìn)行新的試驗測試時，可以有針對性地將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍縮小為1000RPM～2000RPM，主要關(guān)注O2r的曲線。

首先對20個量產(chǎn)件進(jìn)行整車測試，圖8給出了前5個的曲線用以示意。

將全部20個泵在1000RPM～2000RPM范圍內(nèi)的噪聲峰值及對應(yīng)轉(zhuǎn)速提取出來，得到表1，其對應(yīng)的散點分布如圖9所示。

表1 量產(chǎn)件的O2r峰值及對應(yīng)轉(zhuǎn)速

由圖表可以看到量產(chǎn)車助力轉(zhuǎn)向泵的最大噪聲水平，其峰值（dB(A)）全部分布在區(qū)間：（37，43）之內(nèi)，平均值為40.0dB(A)；峰值對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（RPM）則主要分布在區(qū)間1：（1250，1350）與區(qū)間2：（1500，1560）之內(nèi)。

2.2市場返回件的噪聲測試

隨機(jī)挑選10個市場返回件換裝到同一臺試驗車上，按照相同的工況進(jìn)行測試。得到其O2r隨轉(zhuǎn)速的變化曲線、O2r峰值及對應(yīng)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)表與散點分布圖分布如圖9、表2與圖10所示。

表2 市場返回件的O2r峰值及對應(yīng)轉(zhuǎn)速

由圖表可以看到市場返回助力轉(zhuǎn)向泵的最大噪聲水平，其峰值（dB(A)）全部分布在區(qū)間：（38，44）之內(nèi)，平均值為 41.7dB(A)；峰值對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（RPM）則主要分布在區(qū)間：（1250，1350）之內(nèi)，及與量產(chǎn)件轉(zhuǎn)速區(qū)間1相同。

2.3測試結(jié)果的比較與分析

將20個量產(chǎn)件與10個市場返回件的峰值分布放到一起，如圖12所示，可以清楚看到二者的異同。

之所以量產(chǎn)件 O2r峰值噪聲出現(xiàn)在兩個轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，而市場返回件卻只出現(xiàn)在其中一個區(qū)間內(nèi)，是因為區(qū)間 2：（1500，1560）對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速比區(qū)間1：（1250，1350）要高，在區(qū)間2出現(xiàn)的O2r峰值噪聲更容易被包括發(fā)動機(jī)噪聲在內(nèi)的總聲壓級所掩蔽，相對而言不容易對顧客造成困擾，所以在市場返回件中沒有出現(xiàn)峰值噪聲分布在區(qū)間 2：（1500，1560）這種情況。因此，我們只需要關(guān)注 O2r峰值轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在區(qū)間1的情況就可以了。

接下來進(jìn)一步關(guān)注轉(zhuǎn)速區(qū)間 1內(nèi)的分布狀況。由圖 12可以看到，在轉(zhuǎn)速區(qū)間1內(nèi)挑選轉(zhuǎn)速分布最集中的狹小區(qū)間3：（1330，1345）進(jìn)行分析，區(qū)間1中有22個數(shù)據(jù)，而在非常狹小的區(qū)間3內(nèi)就包含了其中8個，這8個數(shù)據(jù)對應(yīng)轉(zhuǎn)速的平均值為nave=1339RPM，該轉(zhuǎn)速下所對應(yīng)的O2r噪聲的頻率為：

其中，n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，將nave=1339RPM，O2r=23.875帶入計算，得到f=533Hz，即助力轉(zhuǎn)向泵上導(dǎo)致O2r峰值噪聲的某個部件的特征頻率在533Hz附近。根據(jù)這個特征頻率，可以進(jìn)一步找出共振部件加以改善以降低噪聲峰值。

3、結(jié)論

由于市場反饋某車型液壓助力轉(zhuǎn)向然后在整車上對20個助力轉(zhuǎn)向泵量產(chǎn)新件進(jìn)行噪聲測試，從其結(jié)果中提取出各階實際階次O1r、O2r與O3r等，并進(jìn)一步分析出影響感官舒適性最主要的因素是在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速處于1000RPM～2000RPM區(qū)間內(nèi)的O2r峰值噪聲水平，做出其峰值噪聲與其對應(yīng)轉(zhuǎn)速的散點分布圖。對10個市場返回件也做相應(yīng)的測試與數(shù)據(jù)處理，并得到相應(yīng)的峰值分布圖。比較二者之間的異同，從中分析提取出峰值分布最為集中的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。最后使用O2r與轉(zhuǎn)速計算出峰值噪聲所對應(yīng)的特征頻率。

泵工作噪聲明顯，因此需要對其進(jìn)行測試分析。本文首先從助力泵結(jié)構(gòu)入手計算出其各階理論階次O1r、O2r與O3r等，為在測試分析中應(yīng)用階次分析做準(zhǔn)備。

在下一步的工作中，可以以此為基礎(chǔ)，從助力轉(zhuǎn)向泵中找出特征頻率對應(yīng)的部件，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、剛度等參數(shù)變更，從而避開共振，降低峰值噪聲。

后續(xù)根據(jù)測試分析得到的特征頻率找到了產(chǎn)生峰值噪聲的部件是助力轉(zhuǎn)向泵的皮帶輪。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的對策變更：通過改變了其輪輻形狀、降低剛度、增加質(zhì)量，更改葉片泵設(shè)計參數(shù)等設(shè)計變更。從而降低特征頻率，錯開了共振的峰值噪聲。此外還結(jié)合品質(zhì)制造，提高工程制造精度等綜合措施。初步測結(jié)果顯示其變更能將噪聲控制在40dB(A)的目標(biāo)之內(nèi)，但仍需要進(jìn)一步嚴(yán)格驗證，并在安裝到實車上之后接受最終的用戶檢驗。

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Measurement and Analysis of the Noise of A Type of Hydraulic Power Steering Pump

Wu Weijia, Huang Qiyong, Chen Wenbo
( Guangqi Honda Automobile Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510700 )

Describe the test methods and data results of the working noise of the hydraulic power steering pump running on a type of vehicle. Analyze the noise order, peak noise and the corresponding engine speed through the comparison of the noise level between the mass production pumps and market-returned ones. Then gradually find out the most critical factors affecting the noise level. And eventually calculate the peak-noise-corresponding eigen frequency, which is useful to improve the design.

Hydraulic power steering pump; Order analysis; Noise test; Eigen frequency

U463.2

A

1671-7988（2015）09-116-04

吳煒加，就職于廣汽本田汽車有限公司。