张鹏，张维，丁景峰，邓英奇

(1.株洲易力达机电有限公司EPS研究院，湖南株洲 412002；2.湖南农业大学工学院，湖南长沙 410128)



P-EPS转向系统噪声分析及改进研究

张鹏1，张维2，丁景峰1，邓英奇1

(1.株洲易力达机电有限公司EPS研究院，湖南株洲 412002；2.湖南农业大学工学院，湖南长沙 410128)

小齿轮助力式电动助力转向器(P-EPS)因结构设计不合理而产生异响。通过建立机械系统分析模型，利用Artemis Head噪声分析软件对异响产生的原因进行分析，提出了优化设计方案，并对优化设计前后相关零件的结构进行对比。结果表明：优化后的结构异响得到明显改善，可以应用于同类产品结构设计。

P-EPS；噪声；试验分析；结构优化

0 引言

小齿轮式电动助力转向器(简称P-EPS)是汽车电动助力转向器的一种，主要由壳体、齿轮轴、齿条轴、蜗轮蜗杆、电机、扭力杆、扭矩传感器和ECU控制器组成。其作用是通过复杂的程序计算将机械力矩传递给车轮提供转角助力，有效降低驾驶员的转向手力，提高驾驶平稳性。由于EPS自身结构复杂，在使用过程中，有时会产生异响、噪声等故障。P-EPS是汽车的重要部件，能够代替液压助力转向系统，是汽车节能减排的重要措施之一。结构较紧凑，且提高了系统的刚度，但存在噪声相对较大的缺点。利用Artemis Head噪声分析软件对P-EPS的异响进行了分析，建立机械系统分析模型，提出了优化设计方案，并对优化前后相关零件的结构进行对比。该优化设计经过试验验证及批量生产验证，可以应用于同类产品。

1 P-EPS总成模型建立和结构分析

由于声音是由物体振动产生的，所以噪声和振动往往不是单独出现的。在汽车工程术语中简称“NVH”，即噪声、振动与声振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness)。其中通常所说的噪声指的是人们所听到的在20～10 000 Hz频率范围内的声音[1]。从NVH的观点来看，P-EPS噪声分析系统是一个由激励源(产生噪声与震动的源头，如车轮、地面等)、振动传递器(由拉杆和连接轴等组成)和噪声发射器(壳体)组成的系统。EPS的NVH特性的研究应该是以P-EPS及外设连接件组合作为研究对象的，但由于P-EPS系统极为复杂，因此常将它分解成几个子系统进行研究，如齿轮齿条子系统(主要包括内外拉杆、齿条轴、下壳体、齿轮轴和轴承等)、EPS减速机构子系统等，也可以研究某一个激励源产生的或某一工况下的NVH特性。建立转向系统模型(如图1所示)及P-EPS总成模型[2](如图2所示)。

图1 转向系统模型图

图2 P-EPS总成模型

2 P-EPS异响的评价方式和标准

通过在开发P-EPS产品过程中针对异响问题进行专题研究，可以将异响按产生机制分为外源激励型、配合失效型和要求不合理型等3种。针对某型电动助力转向系统在转动方向盘时产生明显异响的问题,采用主观评价与客观数据相结合、实验手段与信号分析相结合的研究方法,识别出噪声源以及异响信号的时频特性。作为一个机械产品，运动无时无刻不在发生，振动自始至终不会停止。因此EPS异响不应该是去消灭它(也不可能消灭)，而是需要通过有效的手段将噪声振动控制在合理的范围之内，以产品功能不被丧失、性能控制在理想范围内、不影响驾驶员的舒适性为第一要务。目前评价异响方式主要有两种，分别为主观评价和客观评价。

2.1 主观评价

听觉，人们对所听到的在20～10 000 Hz频率范围内的声音进行判断；触觉，通过手或其他触觉接触物体，感受其振动；视觉，目视或动态拍摄，判断物体的振动。

2.2 客观评价

2.2.1 台架噪声测试

试验方法：

(1)手动操作力矩方向盘，转速分别为90、180、360、540、720(°)/s附近；

(2)在360(°)/s时，在齿条极限位、不到极限位操作两种状态下分别检测噪声；

(3)如图3所示，在X、Y、Z方向，距转向机中心点1 m距离上，按照图示位置安装5个麦克风测量噪声；

图3 噪声测试麦克风安装位置

(4)在整个操作过程中测量记录电动转向机噪声；

(5)对1/3倍频声谱dB值以及噪声频带宽，需要在20～10 000 Hz范围内记录分贝值(单位dB(A))。

试验要求：

(1)测定实际噪声值，整体噪声水平必须不大于65 dB(A)。

(2)在一定近距离范围内，系统噪声辐射的1/3倍频声谱(单位dB(A))需要满足图4所示的条件。

图4 声谱

2.2.2 整车噪声测试

试验方法：采用加速度计对测点进行布置，分别选择为EPS壳体、EPS转向横拉杆和安装支架，布置如图5所示，通过声音分析仪器对检测到的信号进行跟车实时跟踪采集。

3 P-EPS特殊工况异响诊断

根据故障反馈，P-EPS产品装车后，在35 km/h车速、柏油粗糙路面行驶时，发出哒哒哒的异响声，影响乘客舒适性。

3.1 探测方法

由于异响只在特定车况下产生，在进行实地故障排查后，通过采用Artemis Head噪声分析软件进行检测，初步判断异响源头为EPS。对EPS零部件进行逐步排查，找到产生异响的根本原因是输入轴小端与齿轮轴中的滚针轴承内孔之间配合间隙不当引起。测点布置如表1所示。

表1 P-EPS工况噪声测点布置图

具体分析过程如下：

(1)异响源确认——匀速35 km/h工况噪声测试数据

匀速35 km/h 工况噪声测试数据测试数据见图6。

图6 匀速35 km/h工况副驾噪声左耳位置测试结果图

通过回放确认椭圆标记处信号为异响发生时产生的特征信号，声音频带分布在200 Hz～5 kHz 之间。而人耳主观感觉到的异响主要频率带为500 Hz～5 kHz范围声音。

(2)异响源确认——匀速35 km/h工况EPS本体振动测试数据

匀速35 km/h工况P-EPS本体振动测试数据见图7。通过对EPS本体振动进行采集分析，可以发现与噪声相对应的振动特征信号。同时，对转向系统其他测点，如转向管柱、左右转向拉杆、悬架下摆臂，同样进行振动测试，通过数据对比，EPS本体的振动特征信号最强，确认故障源为EPS本体在该驾驶工况下发出异响。

图7 匀速35 km/h工况EPS本体振动测试结果图

(3)EPS异响源排查

通过初步排查，用手摆动输入轴，发现输入轴晃动较大，手感很明显。为了进一步分析故障原因，运用逐步排除法，如图8所示，逐一去除组件再进行路试。

图8 逐步排除法

通过初步排查，前期异响仍然存在，只有在焊接输入轴齿轮轴后，输入轴感觉不到摆动，异响完全消除，因此可以确定异响是由输入轴小端与齿轮轴中的滚针轴承之间配合不当引起。

3.2 改进设计及验证

通过现象，提出了两套整改方案进行整改并进行装车路试，具体方案如表2所示。

表2 结构改进方案

(1)改进验证——匀速35 km/h工况噪声测试数据对比

匀速35km/h工况噪声测试数据对比如图9所示，图9(a)为改进后、图9(b)为改进前。通过对换装改进后EPS本体的车辆进行对比测试验证分析可以看到：此前存在异响的特征频率信号在2～5 kHz范围已经基本消失，500 Hz～1 kHz范围已经明显减弱。在驾驶过程中，主观听觉感受已无异响感。

图9 匀速35 km/h工况噪声测试数据对比结果图

(2)改进验证——匀速35 km/h工况EPS本体振动测试数据对比

匀速 35 km/h 工况振动测试数据对比如图10所示，图10(a)为改进后、图10(b)为改进前。对EPS本体振动进行对比分析可以看到与噪声特征信号相同变化。EPS 本体特征振动依旧存在，但是已经明显减弱。

图10 匀速35 km/h工况EPS本体振动测试数据对比结果图

4 结论

异响是由输入轴小端与齿轮轴中的滚针轴承之间配合间隙大和滚针轴承自身的游隙大引起，造成输入轴与齿轮轴的配合刚度差。当遇到特殊工况产生了共振异响。

通过对异响车辆进行噪声振动测试判定车辆发生异响的根源为车辆转向EPS。

通过对EPS进行工程优化，并对改进后的EPS进行换装测试，从EPS本体振动信号分析可以得到振动特征信号明显减弱，振动得到很好的控制。从噪声信号分析可得EPS本体异响声音在500 Hz以上频率范围已经消失，200～500 Hz范围也明显减弱 ，在该工况下由于车辆胎噪及路噪的叠加已无明显特征信号,在驾驶过程中，主观听觉感受上异响声音已经消失。

通过EPS改进前后对比分析，此次改进效果明显，异响状况消失，该优化改进可以进行工程化实施。

【1】庞剑．汽车振动与噪声[M].北京:北京理工大学出版社，2006.

【2】NISHIMURA S.Development of Rattle Noise Analysis Technology for Column Type Electric Power Steering Systems[R].JTEKT Technical Report,No.1009E,2012.

艾仕得在华庆祝150周年创新历程

全球领先的液体和粉末涂料供应商艾仕得涂料系统在大中华区总部所在地上海举行系列活动，庆祝其在涂料行业创新发展的150年历程。来自客户、商业伙伴、政府、行业协会的代表受邀参加庆典活动，艾仕得以此感谢各方在它进入中国市场30多年间所给予的支持和信任。作为艾仕得发展的基石，艾仕得员工也通过特别的庆贺活动得到激励和表彰。在庆典现场布置的“艾仕得150周年创新展”，展示了艾仕得跨越一个半世纪的创新历程和创新成果，呈现了艾仕得广泛应用于车辆制造及维修、工业、石油天然气、建筑设计以及能源行业的领先创新涂料解决方案。

艾仕得董事长兼首席执行官谢睿思亲临庆典现场，他表示：“今天，在中国，我们愿意向所有始终如一、热切支持我们的员工、客户、合作伙伴、政府机构以及其他行业人士表达敬意和感激。艾仕得能够不断壮大并为当地经济发展尽绵薄之力都源于众多机构和个人的支持。我们希望通过此次庆典，重申我们持续创新和开发耐用性涂料来保护材料并提高生产率这一承诺，以此引领市场，促进可持续经济发展。我非常高兴地看到中国在艾仕得的创新历史中所起的关键作用，并对我们在中国的长期持续发展充满期待。”

(来源：艾仕得)

Research on Noise Analysis and Improvement of P-EPS Steering System

ZHANG Peng1，ZHANG Wei2，DING Jingfeng1，DENG Yingqi1

(1.Zhuzhou Elite Electro Mechanical Co., Ltd.,Zhuzhou Hunan 412002,China；2.College of Engineering,Hunan Agricultural University, Changsha Hunan 410128,China)

Pinion electric power steering (P-EPS) abnormal noise is generated due to unreasonable structure design. Through the establishment of the mechanical system analysis model, Artemis Head sound analysis software was used to analyze the reasons of the generated abnormal noise.A optimization design was proposed. The related structures of the parts before and after optimization were compared. The results show that abnormal sound is significantly improved and the optimized structure can be applied to similar products.

P-EPS；Noise；Experiment analysis；Structural optimization

2016-07-10

张 鹏(1989—)，男，本科，助理工程师，研究方向为汽车电动助力转向。E-mail:zhangpeng.lanyu@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.017

U463.41

A

1674-1986(2016)10-068-05