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液压助力转向系统的噪声优化设计
逄增山;朱志文;蔺磊;顾彦
【期刊名称】《上海汽车》
【年(卷),期】2015(000)012
【摘要】结合某改款车型的液压助力转向系统噪声问题,分析了其噪声特点及传递路径,确定了其主要原因在于高压油路和转向液罐支架的隔振不足.通过优化隔振方案,有效改善了转向系统引起的车内噪声,提高整车的NVH性能.
【总页数】3页(P32-34)
【作者】逄增山;朱志文;蔺磊;顾彦
【作者单位】上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804;上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804;上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804;上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804
【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于AHP的液压助力转向系统整车匹配噪声性能评价量化方法研究 [J], 余义;王田修;鲁媛
2.某车型液压助力转向泵噪声的测试与分析 [J], 吴炜加;黄启涌;陈文波
3.阶次分析技术在电动助力转向系统噪声分析中的应用 [J], 钱结苗
4.基于路感的电动液压助力转向系统优化设计 [J], 解后循;高翔
5.液压助力转向故障排查试验台的液压系统设计 [J], 陈丽缓; 蔡毅
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解决车辆转向系统异响故障的建议转向系统异响问题是反映整个转向系统的综合匹配问题，有可能涉及转向器、转向泵、转向油罐和转向管路中的任一节点，以下分别从上述几个方面加以阐述。
一、关于转向器。
1、转向器作为转向系统的主要总成件，在设计环节须考虑与整车的匹配，用大了不经济，用小了，如“小马拉大车”，会带来一系列问题，因此主机厂应根据车型及转向器厂提供的功能图合理匹配；2、转向器控制阀阀开隙优化设计；3、调节转向器的固有频率。
出现异响有可能是转向器固有频率与液压系统频率共振，可改变转向器固有频率解决；4、转向器总成的清洁度要求；5、转向器的各零部件机加和装配精度要求。
二、关于油泵。
1、转向油泵与转向器性能参数的匹配，如油压、流量；2、转向油泵与发动机的匹配，如排量及转速范围、旋向等；3、转向油泵的安全阀和流量控制阀的特性要求及工作的可靠性要求；4、油泵总成的清洁度要求；5、油泵总成的制造精度要求。
三、关于油罐。
油罐兼起散热、排气、过滤和储油等功能，过滤精度为25um，排气不畅或液面低于最低刻线而使油泵吸入空气是导致异响的主要原因，带旁通功能的油罐（油泵有相应的旁通油口）使用效果更好。
四、关于转向管路。
1、高压油管、回油管和油泵吸油管的内径依次变粗，一般为φ9、φ12、φ19；2、油泵（固定于发动机）与油罐（固定于驾驶室或车架）间、回油管连接油罐段存在相对运动，故吸油管和回油管连油罐段须为软管，以消除运动干涉，防止接头松动而吸入空气；3、管路走向尽可能避免急弯或90º弯（软管因自由度大，局部处理多用软管），并且能短则短，以减小行程阻力和节流，避免油温过高；4、管路需固定良好；5、管接头用卡套式，装配及整车调试工艺须保证接头处完全密封，绝对杜绝吸入空气；6、液压系统也可能因系统共振导致异响，通常通过调整管路的走向、管径大小及管路中软硬管的构成比例，甚至在系统中的某段软管增加或减少阻尼环以达到消除共振的目的；五、关于工作介质。
汽车转向系统噪声分析及优化汽车转向系统是汽车运行中最关键的系统之一，直接关系到汽车的行驶安全和静音性能。
然而，在实际应用中，汽车转向系统会产生各种噪声，如响声、刺耳声、咔嚓声等，严重干扰到驾驶者的正常驾驶，甚至降低乘客的乘坐质量和舒适度。
因此，针对汽车转向系统噪声的分析和优化，对于提高汽车的行驶安全和驾乘舒适度具有重要的意义。
本文将从汽车转向系统噪声的产生机理入手，结合实际案例，对汽车转向系统噪声分析及优化进行探讨。
一、汽车转向系统噪声的产生机理汽车转向系统噪声的产生与转向系统的结构和工作原理密切相关。
常见的汽车转向系统包括机械式转向、液压式转向和电子式转向等。
其中，机械式转向主要由转向机和传动机构组成，转向机通过传动机构将方向盘的转动转化为前轮的转向；液压式转向通过油泵将压力油送到液压缸，推动转向杆产生转向作用；电子式转向则通过电动机驱动转向角度传感器和转向助力机构实现。
不同类型的转向系统在工作原理上存在着一些共性和差异，因此噪声的产生机理也各有不同。
1.机械式转向系统噪声的产生机理机械式转向系统噪声的产生主要与齿轮、齿轮传动组和转向地位垫板等部件的摩擦和冲击有关。
机械式转向系统通常使用齿轮传动实现力的传递，齿轮间的接触会产生噪声，特别是在负载较大时更为明显。
此外，转向地位垫板的设计不合理也会引起噪声，常见的问题包括地位垫板尺寸过小、垫板与机壳松动、硬度不足等。
2.液压式转向系统噪声的产生机理液压式转向系统噪声的产生主要与油泵、油箱和液压缸等部件的振动和冲击有关。
液压式转向系统通常具有较高的工作压力和较大的流量，因此油泵的振动和油路内部的压力变化都会产生噪声。
此外，油箱和液压缸的固定方式和防震措施也会影响噪声的产生。
3.电子式转向系统噪声的产生机理电子式转向系统噪声的产生主要与电机、传感器和齿轮箱等组件的振动和电磁干扰有关。
电机在工作过程中会产生较大的振动，因此在传动中也会产生噪声。
此外，传感器和齿轮箱等组件的电磁干扰也会影响电子式转向系统的工作稳定性和噪声特性。
AUTO AFTERMARKET | 汽车后市场时代汽车 汽车转向系统换向噪声问题优化探讨杨志萍江铃重型汽车有限公司 山西省太原市 030000摘 要： 汽车转向系统在运转过程中，一旦出现问题，就会增加汽车运行的噪音污染，所以需要加大对汽车转向系统的研究力度，对存在的噪音问题，提出合理的解决方案，以促进系统的正常运转。
关键词：汽车转向系统；噪音问题；解决方案如今，汽车成为人们生活及出行的必备工具，市场对汽车的性能要求也在不断提升。
不过一些汽车在运转过程中会产生较大的噪音，降低汽车乘坐的舒适性，为此，就需要对转向系统进行合理研究，并针对存在的噪音问题，提出合理的解决措施，以降低噪音影响，加强汽车的实用性。
1 汽车转向系统换向噪声问题概述机械运动中，噪音的产生与振动及声粗糙度之间有着紧密联系，振动是机械运动的必然形式，而声粗糙度则是车辆运转过程中，人们对噪声感官印象的综合评价。
若想控制汽车的噪音，就需要对这三者之间关系实行合理控制。
在评价汽车噪音与振动关系中，主要是通过车内噪音、系统及零部件运转噪音和噪声这三部分综合判断的。
而声粗糙度则是通过主客观评价，运用合理的定量标准，对其予以等级划分，从而了解人们对噪声的接受程度，明确噪声污染等级。
现阶段，声粗糙度被划分为10个不同等级，9、10级的影响最为微弱，基本不会被人们察觉，而7、8等级的噪声对于接受过训练的人来说是可以接受的等级；5、6等级的噪声属于一个过渡阶段，对于未接受过训练的人员会造成一定影响，再往上的噪声等级已经属于人们无法接受的范围，且会对身体带来严重影响。
汽车转向系统中的噪音，主要是方向盘振动引起的，该现象会给NVH系统带来不良影响。
在科学技术水平快速发展的当下，转向系统已经从原有的液压动力转向系统逐渐向电动助力转向系统的方向发展。
对于一些发达国家来说，该系统的转变已经较为成熟，我国虽然在该方面技术的发展时间较短，但随着科学技术水平的提高，在管柱式电动助力转向系统得到大力研究和应用后，不仅解决了现存的噪音问题，也实现了汽车转向系统向电动助力转向系统方向发展的目标，为汽车行业及相关企业带来了较大的成本效益。
图2 轴承游隙40 μm图3 轴承游隙20 μm
经过反复的试验确认后，笔者得到的结论是，深沟球轴承游隙
（下转第122页）
图1 振动加速度数据
图4 振动加速度值对比
3.2 摆动量与转向噪声的关系
经过试验确认球轴承游隙值与摆动量的关系后，笔者进行了摆动量与转向噪声的关联试验。
试验方法是通过在同一个机械转向机上，换装不同摆动量的小齿轮进行振动加速度的试验（图4）。
根据再次进行的振动加速度试验结果可以看出，小齿轮上配有40 μm球轴承的振动加速度值，在啮合区域明显比配有更小游隙轴承的样件大，并且压块附近的振动值也会受到影响，呈现出一个变大的趋势。
汽车转向系统噪音的分析为了解决转向系统噪音的产生问题，分别从转向系统装配关系和设计角度进而对其噪音进行分析。
根据转向系统噪音来源，分机械噪音和液压噪音。
机械噪音：传动连接件运动产生的噪音。
液压噪音：主要指油泵和动力转向器液力助力系统所产生的噪音。
●装配关系方面：一、液压噪音：为了转向轻便，汽车越来越来多安装动力转向装臵。
动力转向系统实际是机械转向器加上液力助力器。
液力转向装臵出现故障时，将会使转向力不足、有噪音或漏油等。
a、汽车液压动力转向装臵产生噪音的原因及排除方法？原因：1)驱动皮带过松打滑。
2)油泵轴承过于松旷或损坏。
3)压力板或转子损坏。
4)泵环过度磨损。
5)贮油罐油液不足。
6)液压油中有空气或压力软管连接不牢。
7)转向泵装配不当。
8)流量控制阀有故障。
排除：1)按规定调整皮带的预紧度。
2)更换转向油泵的轴承。
3)更换损坏的零件，并冲洗液压系统。
4)更换泵环。
5)按规定的油面高度，向贮油罐加足液压油。
6)按规定扭矩拧紧压力软管接头，自右向左打足转向来排除液压系统的空气。
7)按要求装配转向泵。
b、汽车液压动力转向系统转向沉重伴有噪音的原因及排除方法？原因：1)液压系统缺油，使转向助力不足。
2)液压系统中混有空气，使油压不足。
3)驱动油泵的三角皮带打滑或齿轮传动副啮合不良。
4)油泵磨损过大，内部漏油严重；油泵安全阀漏油或弹簧过软，开启压力过低。
5)油泵、动力缸或分配阀的密封圈损坏。
6)液压油滤清器堵塞、管路堵塞或接头渗漏等。
判断排除：1)检查转向油泵的驱动装臵的工作情况。
如是三角皮带传动，应检查其是否打滑或过松。
2)检查液压系统各个部件管路连接处是否漏油。
3)检查液压油油面的高度，按规定加足液压油。
4)检查液压系统内是否混入空气，应排出系统内的空气和漏油部位的故障。
5)检查油泵的工作压力，如油泵工作正常，则表明故障出现在动力缸或分配阀。
6)如油泵的压力或流量不足，应进一步检查液压油滤清器和管路有无堵塞。
基于TRIZ理论的齿轮齿条式机械转向器噪音改进衬套创新设计1. 前言随着机械工业的快速发展，机械转向器的应用越来越广泛。
但是在使用过程中，由于齿轮与齿条的摩擦和相互作用会产生噪音，这个噪音问题一直是机械工程师关注的焦点。
为了解决这个问题，我们可以采用TRIZ理论来进行创新设计，以提高机械转向器的噪音问题。
2. TRIZ理论TRIZ理论是由苏联工程师阿尔图尔·G·阿尔图谢夫创建的一种创新设计理论。
TRIZ理论的核心是通过矛盾和资源的分析，来实现问题的解决和创新设计。
TRIZ理论的最基本原则是定量分析的矛盾理论。
这个理论基于物理学和工程学的基础，以可量化的形式来表达不同的问题，通过对问题进行分类和分析，继而进行创新设计。
3. 齿轮齿条式机械转向器的噪音问题在齿轮齿条式机械转向器的运转过程中，齿轮和齿条之间的进入角度之差是造成转向器噪音的关键因素。
由于这个差异，齿轮和齿条之间会产生较大的摩擦，进而产生噪声。
在解决齿轮齿条式机械转向器的噪音问题时，我们可以采用TRIZ理论来进行创新设计。
4. TRIZ理论在机械转向器中的应用在机械转向器中，我们可以采取二次创新的方案，即对喷涂衬套进行改进。
通过对材料、建模等方面的了解，对衬套进行创新改进，以缓解齿轮和齿条之间的摩擦，进而减小噪音的产生，最终实现对机械转向器噪音问题的解决。
4.1. TRIZ理论的应用案例为了完成这个方案，我们可以首先分析各种资源，选择最适合解决我们问题的方案。
其中，我们可以通过对资源的分析和研究，考虑应当使用哪些特定的材料、建模方法、设计形式等方面进行改进。
我们可以通过制造出一个样本，进行样品实验，对喷涂材料和设计形式进行检验发现问题所在，从而通过调整和改进，张开角度，进而减小齿轮牵引力和对齿条摩擦力，以缓解噪声和增加机械转向器的运行效率。
5. 结论通过对齿轮齿条式机械转向器的噪音问题进行分析和研究，我们可以采用TRIZ 理论来实现创新设计。
转向系统设计与开发转向系统噪声优化设计AUTOTECHTALK转向系统噪声优化设计 (II)1.1 概述 ........................................................................................................... I I1.2基本理论 .................................................................................................... I I1.3 零部件振动源及传递路径介绍 ................................................................ I I1.4设计准则 (IV)1.4.1 转向泵NVH设计 (IV)1.4.2 液压转向器NVH设计 (VI)1.4.3 转向油壶NVH设计 (VII)1.4.4 转向管路NVH设计 (VIII)1.5噪音问题解决方法 (XI)1.5.4分析验证............................................................................................. X II1.5.5优化结果确认.................................................................................... X III转向系统噪声优化设计1.1 概述动力转向系统常常趋向引起严重的噪音。
主要的噪音源通常是泵，阀也是个噪音源。
噪音源通常分外为分三类：空气传播噪音（ABN ）、结构传播的噪音(SBN)、流体传播的噪音(FBN)。
ABN 是通过空气传播的噪音，人耳可以听到。
SBN 是结构零件的机械振动，常常是ABN 的主要原因。
FBN 是液体中的压力波动，它是SBN 的一个主要来源，从而也是ABN 的主要原因。
FBN 可以沿着液压管路传播很远。
ABN 、SBN 、FBN 之间的关系是极端复杂的。
从FBN 转换到SBN 取决于许多因素，例如管线支承的类型和间隔、弯头的数量、油管长度和柔性油管等。
噪音术语：growl 轰鸣声——低声调的液压噪声。
当发动机处于怠速，较慢地来回转动方向盘时，转向系统发出的这种噪声。
Moan 呻吟声——低声调的液压噪声。
当发动机转速约为1000rpm 时，较慢地来回转动方向盘时，转向系统发出这种噪声。
Whine 颤音——高声调的噪声。
在不转动方向盘的情况下，发动机转速从怠速增大 到3000rpm 时，转向系统发出的这种噪声。
Scream 尖叫声——高声调的液压噪声。
当发动机转速为3500rpm 时，缓慢地来回转动方向盘，并不因起限压的情况下，转向系统发出的噪声。
限压噪声——当发动机转速为1000rmp 时，转动方向盘直到限位状态，转向系统发出这种噪声。
1.2基本理论声强理论公式：⋯⋯+=22022201)10()10(log 20Lp Lp p L (1.33)压力脉动：液流的流量或压力随时间发生变化时，会在流体中产生周期性的压力脉动，这种脉动在流体中产生周期性的压力波，导致系统中的元件和管路作周期性的振动，从而激发流量脉动噪声。
1.3 零部件振动源及传递路径介绍转向泵：转向泵产生液压噪音的源头主要是叶片与定子曲线表面的摩擦碰撞会引起，主要原因：① 定子曲线使叶片运动状态突变，产生冲击。
② 零件加工精度差引起叶片运动不稳定。
③ 流量控制阀倒角、配油盘增压槽长度不合理等引起的液压波动。
④ 因轴承间隙引起的转轴运动不稳定。
转向泵安装支架与发动机共振时也容易将产生噪音。
随着转向泵带轮转速的升高和系统压力的增大，上述噪音呈增加趋势。
转向器：转向阀是转向器产生噪音的源头。
转向噪音通过阀芯、壳体经转向管柱这一机械路径传递到驶室内；转向噪音也可以通过空气传播到驾驶室内。
影响阀噪音的因素主要有液压油的流速、温度及压力。
液压元件中的气穴现象是液压系统噪声的重要来源。
当液流经过阀口时，阀口两端压差迅速增加，流速急剧加快，阀口收缩面处的压力接近饱和蒸汽压时，气穴产生。
影响液压转向阀内气穴噪声大小的因素很多，主要因素有液流流速、介质粘度、转阀流道结构特性，以及背压。
设阀口两端压差为△p=p 1-p 2，其中p 1、p 2分别为控制槽唇口前后压力。
为了描述气穴的发生趋势，定义气穴系数K 如下式：K= p 2/△p K 值越小，说明出口压力与压差比相对较小，此时容易产生气穴现象。
阀口流量方程为：Q=C d Aρp△2 (1.34)式中，A 为阀口通流截面积，ρ是油液密度，C d 是阀口流量系数。
设C c 为产生气穴时的阀口流量系数，则由上述两式可知：C c =K 1C d(1.35)可以看出，初始阀口流量系数是与阀口几何尺寸相关的常数，阀口两侧加工眉毛槽，可以使阀口入口液流压力不会马上下降，此处K 值不会很小，不易产生气穴。
液流背压对气穴及系统噪声特性有直接影响，随着背压的提高，液体的收缩压增大，液体的弹性模量增加，进而限制了气穴现象的产生并大大降低了噪声。
转向油壶：转向油壶除保证储存转向液的功能外，最关键的作用是防止空气进入转向液中。
在常温下，溶解于液压油中的气体约占6％～12％，而以游离状态存在于液压油中的小气泡约占0.2％～0.3％以上。
带有气泡转向液传到高压的下游，在那里气泡开始破裂。
气泡破裂过程伴随体积的收缩增加了液体冲向中心的动能，从外向内的压力作用停止动能变成了势能，在中心的压力是瞬时的极高。
在固体附近连成一串的聚爆,形成液压冲击并且发出噪声。
转向管路：转向管路一般由金属管、橡胶管、支架和减震垫组成。
主要作用是传递转向系统内的转向液、降低转向液的温度、吸收衰减液压噪音及车身副车架等连接件传递的振动。
转向泵产生周期性的压力波，导致管路作周期性的振动，从而是液压噪音增大，因此合理的设计油管中胶管的形状及长度，减小压力波动的水平，并且在管路内增加四分之一波长衰减器等手段来改善液压噪音。
1.4设计准则1.4.1 转向泵NVH 设计1、最佳的带轮传动比为了避免因转向泵产生的周期性液压脉动频率与发动振动频率接近或相同而产生共振，需设计合理的转向泵带轮传递比。
I4型发动机：回避阶次……8、10、12、14…… V6型发动机：回避阶次……9、12、15…… ⇒11、13阶次附近需要设定：(1.36)最佳皮带轮比：1.07、1.13、1.27、1.33因转向泵的噪音随转速的升高而增大（见图1.103）图1.103 转向泵噪音-转速测试曲线⇒ 尽可能低的皮带轮传动比有利(需要操作性能和综合性判断)。
2、最佳的定子曲线和配油盘合适的定子曲线和配油盘限流角可以有效减低转向泵单体噪音。
(1) 配油盘改善案例（见图1.104） (2) 定子改善案例（见图1.105） (3) 后盖改善案例（见图1.106） (4) 改善前后噪音对比（见图1.107）3.0131110±⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⨯n图1.104 配油盘改善案例图1.105 定子改善案例图1.106 后盖改善案例图1.107 噪音改善前后测试曲线3、转向泵安装支架转向泵安装支架刚度不小于500Hz。
4、转向泵噪音控制标准在转向泵带轮转速为1000 r/min时，距离转向泵后端面150mm 处测试，满足如下要求：空载压力时，噪声≤66dB(A)；4MPa压力时，噪声≤70dB(A)；最大压力时，噪声≤80dB(A)。
1.4.2 液压转向器NVH设计液压转向器通常涉及转向阀噪音和机械结构异响两种失效模式。
转向阀噪音主要由阀口结构及加工精度要保证，通过高阻尼、刃口双平面等特别结构的设计应用（见图1.108），最大限度地降低液流噪音。
在转向器进油口增设单向阀（见图1.109）或在回油口增设节流阀等手段，可以提高系统背压，改善气穴噪声（见图1.110、表1.26）。
图1.108 转向阀结构图图1.109 单向阀结构图图1.110 系统背压-振动测试图表1.57 阀背压与振动的振幅实验结果液压转向器NVH相关控制指标：液压噪音：中间位置< 42dB，极限位置< 57dB。
1.4.3 转向油壶NVH设计油壶的回油管接头能够使油顺畅地从转向器流向油壶，并不引起涡流（它会把掺入空气的油吸入泵的进油口），为此回油管接头一般布置在油壶低部（总是在油面以下至少50mm），以免回油打破油面，引起空气吸入；油壶的吸油口也必顺总是位于油面以下（至少50mm），必顺使由回油引起的涡流不集中在进油口。
在油壶中适当设置阻隔板，以控制流动、减小油中的含空气量，防止引起油泡沫化（见图1.111）。
对于分体式油壶还有如下设计要求：吸油管的直径至少为15.88mm，以保证把油顺畅地从油壶输送到动力转向泵的吸油口；从油壶到动力转向泵的距离一般不超过450mm，油壶中的油面至少比泵进油口高75mm；分体式油壶的设计标准要求其最小容积是泵每分钟流量的两倍，但是动力转向油壶容积一般都不能达到这个标准，所以加隔板减弱涡流很重要。
图1.111 油壶中油液产生泡沫1.4.4 转向管路NVH设计1、转向高压油管布置转向管路的理想走向是金属管少折弯，使用柔性油管衰减隔离振动。
为减低噪音，柔性管的长度一般为1～2m，对更高频的阀噪音为0.6m。
但是在实际的布置中受到周边环境的影响，常常靠金属管折弯变形来改变管路走向以避免和周边件干涉，高压管中胶管的长度往往也达不到理想的长度。
根据以往的经验，要得到理想的转向噪音效果，胶管长度要大于600mm。
根据转向泵在发动机上的位置，目前吉利的车型转向高压管路大致可分为两类。
一类高压油管较长（见图1.112a），另一类高压油管较短（见图1.112b）。
图(a) 转向泵后置型图(b) 转向泵前置型图1.112a转向泵布置转向管路优化案例（见下图1.113）：图(a) NL-1D优化前转向油管图(b) NL-1D优化后转向油管图(c) CE-1P优化前转向油管图(d) CE-1P优化后转向油管图(e) LG-4P优化前转向油管图(f) LG-4P优化后转向油管图(g) FE-1优化前转向油管图(h) FE-1优化后转向油管图1.113 转向管路优化案例2、转向低压油管布置转向低压油管主要除传递转向液外常常被用做系统冷却器（见图1.114）。
图1.114 转向低压油管冷却结器 为改善气穴噪音，比较容易实现的方法是在低压油管内增加节流阀（见图1.115）。
图1.125 转向低压油管节流阀结构3、调谐器长度计算及放置位置一条螺旋金属管（叫做调谐器）被放置在橡胶油管总成之内，构成调谐器油管。
