后窗雨刮電機(jī)噪聲分析及抑制措施

杜樹浩　李勇　李曉波　萬?！≈炫?/p>

摘 要：汽車后窗雨刮電機(jī)的噪聲可主要分為電磁噪聲和機(jī)械噪聲兩大部分，本文對后窗雨刮電機(jī)電磁噪聲和機(jī)械噪聲的來源和產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析研究，在已有成熟后窗雨刮電機(jī)平臺基礎(chǔ)上，采取一系列可行性措施。其中，較為有效的創(chuàng)新性措施概括如下：通過調(diào)整磁鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化表磁曲線分布，來抑制電樞反應(yīng)產(chǎn)生的電磁噪聲;通過理論分析并結(jié)合試驗(yàn)手段，優(yōu)化碳刷寬度尺寸，實(shí)現(xiàn)對電刷噪聲的抑制。而針對后窗雨刮電機(jī)承受交變負(fù)載，容易產(chǎn)生沖擊噪聲的問題，則重點(diǎn)介紹了以下措施：設(shè)計(jì)了緩沖裝置來抑制電樞軸的沖擊噪聲;設(shè)計(jì)了推力軸承來抑制輸出軸的沖擊噪聲。

關(guān)鍵詞：雨刮電機(jī) 電磁噪聲 機(jī)械噪聲 抑制噪聲

Noise Analysis and Suppression Measures of Rear Wiper Motor

Du Shuhao，Li Yong，Li Xiaobo，Wan Fu，Zhu Pan

Abstract：The noise of automotive rear wiper motor can be divided into electromagnetic noise and mechanical noise. This article analyzes and studies the source and generation mechanism of electromagnetic noise and mechanical noise of rear window wiper motor. Based on the motor platform， a series of feasible measures have been taken. Among them， the more effective innovative actions as below is summarized. In order to suppress the electromagnetic noise produced by the armature reaction. To adjust magnetic steel structure for optimize magnetic curve distribution， through theoretical analysis and combined with experimental， the study optimizes the width and size of carbon brush for realizing the suppression of brush noise. The problem is that the rear wiper motor is easy to produce impact noise under alternating load. The following action will be highlighted to design a buffer device for suppressing the impact noise on armature and thrust bearing for suppressing the impact noise on output shaft.

Key words：wiper motor， electromagnetic noise， mechanical noise， noise suppression

1 引言

噪聲特性是衡量汽車舒適性和質(zhì)量的重要指標(biāo)，低噪音是乘用車電機(jī)不斷追求改善的目標(biāo)。后窗雨刮電機(jī)由于承受交變式負(fù)載，工況較為復(fù)雜，更容易產(chǎn)生噪聲，而在一般的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，由于制造誤差，不可避免的在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中存在軸向間隙，而該間隙的存在，往往會造成傳動(dòng)的異響，影響機(jī)械壽命。因此，如何降低后窗雨刮電機(jī)的噪聲，提高整車的舒適性，對國內(nèi)外行業(yè)來說都是一大難題。

2 后窗雨刮電機(jī)噪聲分類及來源

噪聲的來源是振動(dòng)，電機(jī)的振動(dòng)和噪聲研究十分復(fù)雜，涉及電磁、機(jī)械振動(dòng)、能量轉(zhuǎn)換、特殊物理聲學(xué)等學(xué)科[1]，后窗雨刮電機(jī)的噪聲來源有很多方面，可以分為兩大類，即電磁噪聲和機(jī)械噪聲。

2.1 電磁噪聲

電磁力作用在定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙中，由氣隙諧波磁場引起的，定轉(zhuǎn)子齒諧波磁通相互作用而產(chǎn)生的徑向交變磁拉力，引起轉(zhuǎn)子鐵芯軛部產(chǎn)生周期性的動(dòng)態(tài)徑向振動(dòng)，激發(fā)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁噪聲[2]。

在抑制電磁噪聲方面比較成熟的措施主要有，選擇合適的定、轉(zhuǎn)子槽配合[3];采用斜槽鐵芯;適當(dāng)加大氣隙[4]等，本文重點(diǎn)研究如何抑制電樞反應(yīng)的影響。

2.2 機(jī)械噪聲

機(jī)械噪聲與零部件的加工精度、裝配工藝、材料等因素有關(guān)[1]，后窗雨刮電機(jī)機(jī)械噪聲的主要來源有：轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)噪聲、電刷噪聲、滾動(dòng)軸承噪聲、渦輪蝸桿的嚙合噪聲、電樞軸的沖擊噪聲、輸出軸的沖擊噪聲等。

本文重點(diǎn)研究如何抑制電刷噪聲、電樞軸和輸出軸沖擊噪聲等三個(gè)方面。

3 抑制電磁噪聲

3.1 電樞反應(yīng)機(jī)理簡述

當(dāng)電樞繞組沒有電流通過時(shí)，由定子磁鋼產(chǎn)生的磁場稱為主極磁場，近似的按正弦波分布，當(dāng)電樞繞組中有電流通過時(shí)，繞組本身產(chǎn)生電樞磁場，電樞磁場對主極磁場的作用使主極磁場發(fā)生畸變，產(chǎn)生電樞反應(yīng)，半邊磁極增磁，另半邊磁極去磁，從而使氣隙磁場分布不均勻，轉(zhuǎn)子所受徑向力不均勻，扭矩波紋變大產(chǎn)生振動(dòng)，電磁噪聲增大[5]。如圖1所示為電樞反應(yīng)對表磁曲線影響示意圖。因此，電樞反應(yīng)對直流電機(jī)的影響很大，負(fù)載越大，電樞反應(yīng)引起的磁場畸變越強(qiáng)烈[6]。

3.2 抑制電樞反應(yīng)的措施

為了抑制電樞反應(yīng)的影響，可以將磁鋼設(shè)計(jì)成中間厚兩端薄的不等厚結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高磁鋼的內(nèi)稟矯頑力HCJ，從而削弱對主極磁場的畸變影響，使磁通量分布曲線盡量接近理想曲線，可以減小扭矩波紋，降低電磁噪聲。但是磁鋼變成不等厚結(jié)構(gòu)，有效磁通量會有所降低，必要時(shí)需要提高剩磁Br，以確保電機(jī)性能。圖2為等厚和不等厚兩種磁鋼尺寸對比情況。

3.3 改善效果

如圖3所示為等厚磁鋼表磁測試曲線，如圖4所示為不等厚磁鋼表磁測試曲線，從兩種測試曲線結(jié)果來看采用不等厚方案，有效地削弱了主極磁場的畸變，進(jìn)而達(dá)到抑制電磁噪聲的目的。表1為兩種方案電機(jī)實(shí)測結(jié)果，不等厚磁鋼保持電機(jī)力矩不變的前提下，電機(jī)噪聲下降2.2dB，約4.3%。

4 抑制電刷噪聲

4.1 電刷噪聲產(chǎn)生機(jī)理

電刷噪聲是后窗雨刮電機(jī)的主要噪聲來源之一，按噪聲產(chǎn)生的機(jī)理分為電刷的振動(dòng)噪聲、電刷的摩擦噪聲和電刷的火花噪聲三部分，本文重點(diǎn)研究如何抑制電刷的火花噪聲。

如圖5所示，當(dāng)換向時(shí)，后刷邊離開一個(gè)換向片轉(zhuǎn)向相鄰換向片時(shí)，電刷和相鄰兩片換向片行成閉合回路，產(chǎn)生回路電流，有電磁能量儲存在換向元件內(nèi)。當(dāng)電刷離開前一換向片時(shí)，換向回路被突然切斷，換向元件中的電磁能量就只有擊穿空氣而釋放，從而產(chǎn)生火花[6]。

4.2 抑制電刷噪聲的措施

根據(jù)電刷火花噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，可以適當(dāng)減小電刷的寬度，可以有效減小換向電流的峰值和持續(xù)時(shí)間，從而減小火花噪聲。通過實(shí)驗(yàn)手段對比測試寬度分別為4.5mm和3.5mm的兩種碳刷，換向時(shí)的整流波形結(jié)果分別如圖6和圖7所示，表2是兩種寬度碳刷的測試結(jié)果對比情況。

5 抑制電樞軸的沖擊噪聲

由于刮臂刮刷在刮拭雨水的過程中是往復(fù)式擺動(dòng)，轉(zhuǎn)子的電樞軸承受沖擊力，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為了消除轉(zhuǎn)子電樞軸的沖擊，采用尾孔注塑結(jié)構(gòu)，如圖8所示，在使用過程中，隨著磨損間隙的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)子電樞軸發(fā)生竄動(dòng)，不可避免的出現(xiàn)沖擊噪聲，該噪聲會隨著使用時(shí)間的加長而急劇增大。

為了抑制電樞軸的沖擊噪聲，開發(fā)了新結(jié)構(gòu)支撐架緩沖裝置，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的注塑結(jié)構(gòu)。該緩沖裝置結(jié)構(gòu)如圖9所示，由橡膠墊、支撐架和金屬墊片組成。橡膠墊選用耐高溫和耐老化的材料，裝配后處于壓縮狀態(tài);支撐架，起裝配導(dǎo)向作用;金屬墊片材料則為不銹鋼，接觸轉(zhuǎn)子尾部。

橡膠墊的處于一定的壓縮狀態(tài)，既可以消除裝配制造誤差，同時(shí)起緩沖作用降低轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊噪聲。而且在使用過程中運(yùn)動(dòng)部件出現(xiàn)磨損時(shí)，處于壓縮狀態(tài)的橡膠墊能夠回彈自動(dòng)的補(bǔ)償該磨損量，避免轉(zhuǎn)子竄動(dòng)產(chǎn)生沖擊噪聲，也提高了電機(jī)的使用壽命。

6 抑制輸出軸沖擊噪聲

6.1 輸出軸沖擊噪聲的來源

刮臂刮刷在刮拭雨水的過程中往復(fù)式擺動(dòng)，同樣對輸出軸帶來沖擊，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)輸出軸部位的結(jié)構(gòu)如圖10所示，采用卡圈固定的方式，輸出軸一端用安裝板壓住，另一端用卡圈、平墊圈軸向固定在減速器箱上。在使用過程中，隨著磨損間隙的出現(xiàn)，輸出軸發(fā)生竄動(dòng)，不可避免的出現(xiàn)沖擊噪聲，該噪聲會隨著使用時(shí)間的加長而越變越差，當(dāng)噪聲超過要求值，則判定為壽命失效。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，50萬次耐久使用后，磨損間隙約為0.22mm，電機(jī)總成噪聲55.3dB（A計(jì)）。

6.2 輸出軸沖擊噪聲的抑制措施

為了抑制輸出軸的沖擊噪聲，同材料供應(yīng)商合作開發(fā)了新結(jié)構(gòu)塑料推力軸承，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的卡圈固定的結(jié)構(gòu)，如圖11所示。推力軸承材料為POM，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具備一定的彈性，壓縮量設(shè)計(jì)值為0.5mm，可以消除零件加工誤差帶來的間隙，從而減小沖擊噪聲，達(dá)到50dB（A計(jì)）以下。在使用過程中出現(xiàn)磨損時(shí)，處于壓縮狀態(tài)的推力軸承能夠自動(dòng)的補(bǔ)償該磨損量，避免輸出軸竄動(dòng)產(chǎn)生沖擊噪聲，提高電機(jī)總成壽命，可以達(dá)到75萬次耐久。新老兩種結(jié)構(gòu)的噪聲對比結(jié)果如表3所示。

6.3 推力軸承的設(shè)計(jì)

由于推力軸承是對稱結(jié)構(gòu)，為了簡化模型，只取一半用于分析計(jì)算，推力軸承壓縮量為0.5mm，材料為POM，計(jì)算模型和邊界條件如圖12所示。分析結(jié)果如圖14所示，最大的應(yīng)變量為7.4%。蠕變壽命曲線如圖13所示，對應(yīng)40℃壽命只有1000h，還未滿足要求。因此進(jìn)一步對推力軸承尺寸優(yōu)化后，最大應(yīng)變減小為6.3%，如圖15所示，從圖13壽命曲線表中可以看出，對應(yīng)40℃使用壽命為5000h。表4為優(yōu)化前、后最大應(yīng)變和蠕變壽命對比情況。

為了盡量提高壽命，材料廠家推薦使用壽命更長的另一牌號材料，但由于材料庫不完整，所以未再次進(jìn)行理論分析，而是通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，75萬次耐久使用后，推力軸承仍保持一定的壓縮量，證明材料和結(jié)構(gòu)是可靠的。

7 結(jié)語

本文以后窗雨刮電機(jī)噪聲為研究對象，在現(xiàn)有電機(jī)平臺基礎(chǔ)上，通過調(diào)整磁鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化表磁曲線分布，來抑制電樞反應(yīng)產(chǎn)生的電磁噪聲;通過理論分析并結(jié)合試驗(yàn)手段，優(yōu)化碳刷寬度尺寸，實(shí)現(xiàn)對電刷噪聲的抑制。特別是創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了緩沖裝置，有效解決了電樞軸的沖擊噪聲;創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了塑料推力軸承結(jié)構(gòu)，有效地解決了輸出軸的沖擊噪聲問題，從表5的對比數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過一些列改進(jìn)后，后窗雨刮電機(jī)的噪聲達(dá)到先進(jìn)同行企業(yè)的水平，已廣泛應(yīng)用于多家主機(jī)廠，具有廣闊的市場前景。

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