純電動(dòng)客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲的改善研究

秦 宬，盛 君，龔佳強(qiáng)

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司商用車研究院，廣東 深圳 518118）

前言

純電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車噪聲的主要噪聲源之一，其噪聲值的降低能有效改善整車噪音水平，本文分析了電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）噪音產(chǎn)生及傳播機(jī)理，并通過(guò)改善電動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵與轉(zhuǎn)向油管，以達(dá)到優(yōu)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪音的目的。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪音介紹

1.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪音分類

對(duì)于電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，有以下3 種噪音：（1）空氣傳播的噪音（ABN）：通過(guò)空氣傳播的噪音，人耳可以聽到；（2）結(jié)構(gòu)傳播的噪音（SBN）：結(jié)構(gòu)零件的機(jī)械振動(dòng)，常常是ABN 的主要原因；（3）流體傳播的噪音（FBN）：液體中的壓力波動(dòng)，它是SBN 的一個(gè)主要來(lái)源，從而也是ABN的主要原因[1]。

1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪音來(lái)源分析

轉(zhuǎn)向油泵在工作過(guò)程中輸出轉(zhuǎn)向高壓油液，在轉(zhuǎn)向油管內(nèi)進(jìn)行輸送引起震動(dòng)，從而產(chǎn)生FBN，轉(zhuǎn)向油液波動(dòng)引起轉(zhuǎn)向油管、轉(zhuǎn)向油管安裝零件的振動(dòng)，產(chǎn)生SBN[2]。故可通過(guò)改善噪聲產(chǎn)生的根本來(lái)源，即轉(zhuǎn)向油泵、油液傳遞載體油管，以達(dá)到降低轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪音的目的。

2 轉(zhuǎn)向油泵降噪

2.1 轉(zhuǎn)向油泵控制策略優(yōu)化

2.1.1 轉(zhuǎn)向電機(jī)停機(jī)策略

汽車在城市道路行駛時(shí)，不可避免會(huì)出現(xiàn)堵車及長(zhǎng)時(shí)間等紅綠燈情況。當(dāng)車輛在較長(zhǎng)時(shí)間怠速時(shí)，轉(zhuǎn)向電機(jī)基本無(wú)須工作，針對(duì)此種使用情景，制定轉(zhuǎn)向電機(jī)停機(jī)策略，同時(shí)滿足以下條件時(shí)轉(zhuǎn)向電機(jī)延遲5～10 s 停機(jī)：（1）拉手剎且掛N 擋；（2）車速＜0.5 km/h；（3）測(cè)得三相電流值為0 A。松手剎或掛非N 擋，啟動(dòng)。停機(jī)策略實(shí)施能有效改善車輛在拉手剎且掛N 擋時(shí)的轉(zhuǎn)向電機(jī)噪音，該策略啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向電機(jī)停止工作，由轉(zhuǎn)向電機(jī)引起的噪音可直接變?yōu)? dB。

2.1.2 轉(zhuǎn)向電機(jī)變轉(zhuǎn)速策略

當(dāng)汽車以較快速度行駛且轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角小的情況下，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)負(fù)載小，需要轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的助力??；若電機(jī)以某一較高轉(zhuǎn)速持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，則會(huì)出現(xiàn)“大牛拉小車”的情況?；诖?，提出轉(zhuǎn)向電機(jī)變轉(zhuǎn)速的控制策略。具體策略如下：（1）轉(zhuǎn)向電機(jī)啟動(dòng)后，電機(jī)以高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間，之后檢測(cè)判斷三相電流值；（2）若三相電流值存在有任一相電流值＞某閥值A(chǔ)，則電機(jī)維持高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)；（3）若檢測(cè)到三相電流值均＜某閥值A(chǔ)，且持續(xù)時(shí)間大于5 s，則電機(jī)降低為較低的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。同車型選用電機(jī)型號(hào)有所區(qū)別，電機(jī)轉(zhuǎn)速的確定需兼顧考慮噪音值與轉(zhuǎn)向力，避免出現(xiàn)噪音值降低，但轉(zhuǎn)向變沉重的情況。

2.2 轉(zhuǎn)向油泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)于原地轉(zhuǎn)向時(shí)的噪音，嘗試從油泵本身結(jié)構(gòu)出發(fā)，降低聲源噪音，可從下面兩點(diǎn)進(jìn)行：（1）帶有流量控制閥，以限制動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵向動(dòng)力轉(zhuǎn)向器輸送的最大流量，從而降低泵的功率消耗，減小振動(dòng)和噪聲，降低壓力。（2）在轉(zhuǎn)速一定時(shí)流量波動(dòng)要小，有利于噪聲降低。目前國(guó)內(nèi)客車行業(yè)常用的轉(zhuǎn)向電機(jī)均帶有流量控制閥，故主要從第二點(diǎn)改善油泵噪音。

2.2.1 雙作用葉片泵工作原理介紹

我司電機(jī)雙作用葉片泵，其工作原理示意如下圖1 所示：

當(dāng)轉(zhuǎn)子由軸帶動(dòng)按圖示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片在自身離心力和由壓油腔引至葉片根部的高壓油作用下緊貼定子內(nèi)表面，并在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)往復(fù)滑動(dòng)。

葉片泵理論流量計(jì)算公式如下：

式中Q為泵的流量，L/min；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；D為定子輪廓的大圓弧直徑，mm；d為轉(zhuǎn)子直徑，（即定子輪廓的小圓弧直徑），mm；B為定子寬度，mm；m為葉片數(shù)；t為葉片的厚度，mm。

由圖1 及式（1）可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)，影響流量波動(dòng)的，主要是定子內(nèi)曲線；同一區(qū)段內(nèi)定子曲線范圍內(nèi)各葉片徑向運(yùn)動(dòng)速度之和是否有變化決定泵的輸出流量的均勻性。

2.2.2 定子內(nèi)曲線改善降噪

油泵定子內(nèi)曲線為等加速等減速曲線，其速度特性曲線有不光滑的折點(diǎn)，會(huì)出現(xiàn)加速度的突變，產(chǎn)生較大沖擊如圖2 所示。

圖2 等加速等減速曲線

通過(guò)將轉(zhuǎn)向電機(jī)定子內(nèi)曲線改進(jìn)為高次曲線，如圖3 所示：

圖3 改進(jìn)后定子內(nèi)曲線示意圖

噪音檢測(cè)值結(jié)果對(duì)比如表1 所示：

表1 定子內(nèi)曲線改善前后電機(jī)噪音值對(duì)比

明顯看到，改善后的樣件加載噪音值平均可降低3 dB～5 dB 的噪聲值。這證明改變定子內(nèi)曲線的策略是有效的，在一定程度上減少了不光滑折點(diǎn)，減少了油液產(chǎn)生較大振動(dòng)沖擊的次數(shù)，原地轉(zhuǎn)向時(shí)噪音得到明顯改善。

3 轉(zhuǎn)向油管降噪

轉(zhuǎn)向油管作為轉(zhuǎn)向油液傳送載體，也是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生SBN 的重要零件。本文主要研究調(diào)諧器管對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪音的改善。

3.1 調(diào)諧器管結(jié)構(gòu)

調(diào)諧器管相比普通油管，在油管總成內(nèi)加了一條可彎曲的螺旋金屬管（也就是1/4 波長(zhǎng)衰減器），如圖4 所示。

圖4 1/4 波長(zhǎng)衰減器

3.2 調(diào)諧器管降噪原理

調(diào)諧器管內(nèi)部的1/4 波長(zhǎng)管可以擾亂轉(zhuǎn)向油泵所輸出的周期性脈動(dòng)流體，避免油管內(nèi)的流體諧振，從而衰減系統(tǒng)噪聲。聲波在油管中傳播，當(dāng)遇到邊界時(shí)發(fā)生反射，調(diào)諧器管就是利用反射聲波與原入射聲波的相互干涉，達(dá)到消聲目的。如下圖5 所示。

圖5 幅值、頻率相同，相位相反的聲波疊加

3.3 調(diào)諧器管應(yīng)用

3.3.1 1/4 波長(zhǎng)管長(zhǎng)度確定

確定了使用調(diào)諧器管的方案，還需要明確調(diào)諧器管內(nèi)部螺旋金屬管理論長(zhǎng)度是噪音波長(zhǎng)的1/4，表達(dá)式如下：

式中L為調(diào)諧器內(nèi)部金屬管長(zhǎng)度，c為聲速，取344 m/s，為噪音頻率。由于不同車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲曲線不同，導(dǎo)致出現(xiàn)噪聲峰值的頻率也各不相同[3]。在實(shí)際的測(cè)試應(yīng)用時(shí)，應(yīng)先根據(jù)仿真或?qū)崪y(cè)的噪聲曲線，找到噪聲峰值，確定峰值處對(duì)應(yīng)噪聲頻率，從而確定1/4 波長(zhǎng)管長(zhǎng)度。

3.3.2 調(diào)諧器管實(shí)車應(yīng)用

我司某車型轉(zhuǎn)向電機(jī)前置，駕駛區(qū)主觀感受噪音大，不可接受。對(duì)轉(zhuǎn)向噪聲實(shí)測(cè)曲線如下圖6 所示：

圖6 駕駛員右耳位置轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲實(shí)測(cè)

該車型轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 rpm，葉片數(shù)為12，電機(jī)噪聲基頻計(jì)算如下：

計(jì)算得電機(jī)噪聲基頻為200 Hz，400 Hz 和600 Hz 為2階和3 階，噪聲最大峰值出現(xiàn)在2 階，根據(jù)公式（2），可計(jì)算得出L=212.5 mm。

更換調(diào)諧器管后，2 階400 Hz 和3 階600 Hz 噪聲值下降明顯，噪聲峰值處最大下降了33 dB，且噪聲曲線走向相比原狀態(tài)更為平緩。實(shí)測(cè)噪聲值，對(duì)比如表2 所示。

表2 各工況噪聲對(duì)比實(shí)測(cè)

更換調(diào)諧器管后，車外轉(zhuǎn)向泵油管端源頭噪聲在向左、向右打方向工況分別降低了7.1 dB、11.6 dB；駕駛員右耳在向左、向右打方向工況分別降低了8.3 dB、10.07 dB。由以上數(shù)據(jù)，可知在轉(zhuǎn)向油管加裝調(diào)諧器管的確能有效改善純電動(dòng)客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪音水平。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）噪音產(chǎn)生及傳播機(jī)理，提出以下幾點(diǎn)改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪音值的措施：（1）實(shí)行轉(zhuǎn)向油泵停機(jī)、變轉(zhuǎn)速策略；（2）將轉(zhuǎn)向油泵定子內(nèi)曲線由等加速等減速曲線改為高次曲線；（3）在轉(zhuǎn)向高壓油管內(nèi)增加1/4 波長(zhǎng)管。以上幾種措施可有效降低轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪音，明顯提高整車NVH 水平，提升整車檔次與品質(zhì)，給予客戶更好的駕乘體驗(yàn)。