罗斌， 陈志刚

(邵阳学院机械与能源工程系，湖南邵阳 422200)

汽车电动助力转向系统的异响研究进展

罗斌， 陈志刚

(邵阳学院机械与能源工程系，湖南邵阳 422200)

汽车EPS异响是转向系统最常见的故障模式，约占所有故障的90%。异响会导致转向松旷感，严重时会导致转向不平顺，产生力矩波动，容易引起驾驶员感观不舒服和紧张，极端情况下会影响整车可靠性与安全性，引发灾难性事故。阐述了EPS产生异响的原因，总结了目前研究该类问题的两种方法：理论建模和实验实测，对这两种研究方法进行了评价，并提出了解决该问题的思路和方法。

电动助力转向系统;异响; 理论建模法；实验实测法

0 引言

汽车EPS是未来电动助力转向的发展趋势，具有环保、安全与节能的特点，但是国内外针对汽车开发的EPS技术并不成熟[1-3]。EPS异响成为EPS在汽车中推广使用亟须解决的问题。汽车EPS异响是一种特定频率的噪声，频带分布在200 Hz～5 kHz之间。作为一种常见的故障模式，EPS异响故障约占EPS所有故障的90%，造成汽车生产厂家年度经济损失达上亿元，也对企业的信誉造成严重影响，该问题引起了汽车制造业及研究学者的高度关注。从近几年的研究来看，国内外学者针对EPS异响的研究越来越多[4-6]，旨在研究EPS产生异响的内因，优化EPS的结构，改良EPS组成构件的材料属性，为开发低噪声、可靠性高的EPS产品奠定基础。然而由于研究缺少统一规划，目前尚没有提出解决该问题的系统方法。基于此，作者对EPS异响问题的研究现状进行综述，分析解决该问题的方法和手段，最后提出解决该问题的方法和思路，为企业和研究者提供参考。

1 异响产生的原因

CHEN等[7]通过初步建立EPS系统的简单模型，在对传统的EPS系统进行仿真实验的基础上，对EPS进行综合性能测试，发现EPS发生异响的轴承游隙值，减速机构的啮合间隙是导致EPS发生异响的关键因素。通过对间隙值进行等间隔取值，发现间隙值过大或者过小都会导致异响发生。实际上，间隙值作为一种强非线性因素，改变着轮齿之间的接触状态，轮齿之间出现接触、脱离、再接触的重复冲击，导致产生较大的动载荷，作为一种激励，进而引起EPS系统表面振动，通过辐射噪声，产生异响。

2 异响问题的研究现状

对异响问题的处理归根到底是对振动与噪声的处理，目前异响的研究主要围绕着建模仿真与振动实测展开，下面将分别概述这两方面的研究进展。

2.1 建模仿真研究现状

CHEN[8]把前轮和转向机构向转向柱简化，建立助力电动机模型，根据牛顿定律，建立转向系统动力学方程。H MOHAMMADI等[9]根据EPS结构形式的不同，建立不同的动力学模型进行分析。LIAO等[10]采用ADAMS动力学仿真软件以及MATLAB数值分析软件，对基于多刚体的整车动力学模型的EPS控制系统进行了联合仿真研究。ZAREMBA等[11]对比了42 V系统与12 V系统对EPS性能的影响，通过建立这2个系统的相关模型，分析了车辆在各种工况下消耗的电能。美国PARMAR等[12]等通过建立双齿轮助力式EPS系统的动力学模型，提出3个传递函数分别描述助力系统的动态特性、转向系统的柔度以及转向系统的路感,同时采用拉格朗日方法建立双齿轮助力式EPS系统的动力学模型，指出状态空间法要优于输入输出模型，将鲁棒控制应用到EPS系统中，探讨加权系数选择的重要性和对系统特性的影响，最后仿真分析表明该控制策略在不采用转矩传感器的情况下能提高EPS系统的性能和降低成本。陈丽[13]用MDI公司的ADAMS软件建立了具有15个自由度、可用于EPS仿真分析的整车多体动力学模型，在数值分析软件MATLAB中建立了EPS控制模型，对EPS系统施加了助力控制和回正控制、阻尼控制、横摆角速度反馈控制及补偿控制等方法，通过一系列的动力学仿真研究，结果证明这些控制方法有利于改善车辆的转向轻便性及车辆的行驶稳定性。施国标等[14]应用动力学仿真软件ADAMS对电动转向系统进行了仿真分析，在车辆转向系统控制及转向性能评价等方面做了很多有益的工作。谷娜[15]利用AMESim仿真软件建立了电动助力转向系统的动力学模型，然后在MATLAB/Simulink环境中设计电动助力转向系统的控制系统模型，通过AMESim与Simulink接口，实现了两个系统的联合仿真，并分析了仿真结果。胡建军等[16]通过EPS的动力学方程、三自由度的整车模型和轮胎Fiala模型建立了EPS整体仿真模型，分析方向盘瞬态响应品质。张军辉[17]结合非线性Magic Formula半经验轮胎模型、三自由度整车模型，建立了含轮胎的非线性整车系统动力学模型。苗立东等[18]针对汽车电动助力转向系统工作过程中经常出现的振动现象，采用振动分析理论研究了由转向盘、电动机转子和输出轴3个集中质量组成的控制对象的振型，分析表明电动助力转向系统是一小阻尼系统。

综上所述，建模的主要目的是在动力学模型基础上研究EPS的振动特性，然而现有的建模方法存在的不足之处在于：要么把复杂机构简化，通常将EPS 各个部件的惯量、阻尼、力矩分别向转向柱和转向柱输出轴处等效，忽视了转向系统的弹性或者阻尼特性；要么只局限于EPS 部分构件，没有考虑间隙对EPS 振动特性的影响。用这两种方法来解释间隙非线性振动下的异响不够精准，也造成了仿真结果和实际存在很大的差别，通过仿真分析或者理论推导来了解振动特性进而消除异响问题不够直接，需要进一步深入研究，尤其是需要实验数据来对理论模型进行修正，才能够实际反映EPS的工作状态。

2.2 振动异响测试方面研究现状

国外针对振动异响的实验研究有：石井秀明等[19]针对EPS的噪声利用小波变换技术等手段进行处理分析，得出EPS的主要噪声成分与蜗轮蜗杆减速机构的频率较为接近，是构成EPS噪声的重要内因。NISHIMURA等[20]建立了可消除啮合侧隙和轴承游隙的消隙装置的动力学模型，通过分析可知蜗轮蜗杆的噪声峰值有了一定量的减小。MIZUMO[21]在EPS的蜗杆轴与电机轴凸爪之间添加一个过盈配合的树脂衬套，在消除凸爪之间连接间隙的同时也减小了传动振动。

国内针对EPS的异响研究也主要采用实验方法，杨鄂川等[22]首先运用主观评价法判断前驱动转向系统为冲击异响的主要故障区域，并对前驱动转向系统关键部位进行振动信号采集分析。桑帅军等[23]对某助力转向系统进行振动噪声测试，用MATLAB自编程序将测得的噪声信号分频段还原为声音，初步主观判断异响频段，进一步对振动噪声信号进行时频分析，用以分析产生异响的原因。王文龙等[24]在大量实验的基础上建立了异响排查基本流程和方法。吉彦栋等[25]针对J公司N项目的转向系统在实车试验中发生振动异响的现象，论述了产品质量中所存在的问题，分析了问题产生的根源。LIU等[26]为了解决汽车转向系统振动异响的问题，提出了调整产品的尺寸公差、追踪产品制造工艺流程等改进措施，通过对零件的失效分析，结合试验及实车验证手段，初步解决了汽车转向系统振动异响的问题。

采用实测的方法来研究EPS的异响问题，由于缺少理论依据，只对单个运行的EPS有效，属于被动式解决模式，难以实现正向开发。

2.3 现状分析

近年来国内外对EPS异响多采用实验方法进行研究，在EPS动力学建模、振动与噪声控制上缺乏理论研究，现有的研究尚存在诸如：EPS系统动力学建模方法考虑的耦合因素较少，间隙非线性振动引起异响的机制尚不明确，关于间隙引起的异响理论推导在新能源汽车上异响新特征的研究还不够深入等问题。

3 解决异响问题的思路和方法

由于现有的理论建模和仿真不够完善，实验测试结果不具备普遍意义上的价值，因此需要在原有研究基础上，针对汽车电动转向系统的振动异响形成机制与控制技术展开研究，建立EPS整车的精准数学模型，探索EPS振动规律与噪声辐射特性；研究间隙非线性振动异响形成机制，揭示EPS间隙与振动、噪声之间的规律，通过参数优化与匹配，研究EPS间隙异响控制方法并在整车上进行应用，以期为高性能、高寿命、高可靠性以及低噪声的汽车电动助力转向系统设计与开发提供一般性的动态设计准则,也为合理解释此类传动系统中故障产生的原因提供理论依据。

4 结论

对汽车EPS的异响问题进行归纳总结发现：

(1) 异响问题与各组件的间隙密切相关，间隙非线性振动导致EPS产生异响；

(2)对异响问题的处理归根到底属于振动与噪声问题，因此解决异响问题之前需要掌握EPS的振动特性，而建立完善的理论模型显得尤为重要；

(3)通过振动实测系统排查来解决异响问题由于缺少理论根据，具有一定的盲目性。

在了解现状的基础上，作者提出通过理论建模和实测相结合，对EPS的异响问题进行深入的研究，从而实现EPS异响问题解决从被动改进转向正向开发。

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Progress in Abnormal Sound of New Energy Automobile Electric Power Steering System

LUO Bin, CHEN Zhigang

(School of Mechanical and Energy Engineering, Shaoyang University, Shaoyang Hunan 422000,China)

Abnormal sound of steering system EPS is the most common failure mode, accounting for 90% of all failure modes. Abnormal sound is easy to cause driver to feel uncomfortable and nervous, turning loose，irregularity turn, torque fluctuations. In extreme cases, it will affect the reliability and safety of vehicle, causing a catastrophic accident. The reasons of abnormal sound were summarized, then the two methods solving the problem were concluded: theoretical modeling method and actual test method, the advantages and disadvantages of these two kinds of research methods were compared. The idea and methods to solve this problem were put forward.

Electric power steering system; Abnormal sound; Theoretical modeling method; Actual test method

2016-12-02

湖南省教育厅重点研究项目(16A193)

罗斌(1987—)，男，博士研究生，研究方向为汽车EPS和振动与噪声。E-mail：Lb19870911@126.com。

陈志刚，E-mail:chenzg70@sina.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.020

TN911.6

A

1674-1986(2017)03-078-03