羅斌， 陳志剛

(邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程系，湖南邵陽 422200)

汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的異響研究進(jìn)展

羅斌， 陳志剛

(邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程系，湖南邵陽 422200)

汽車EPS異響是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最常見的故障模式，約占所有故障的90%。異響會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向松曠感，嚴(yán)重時會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向不平順，產(chǎn)生力矩波動，容易引起駕駛員感觀不舒服和緊張，極端情況下會影響整車可靠性與安全性，引發(fā)災(zāi)難性事故。闡述了EPS產(chǎn)生異響的原因，總結(jié)了目前研究該類問題的兩種方法：理論建模和實(shí)驗(yàn)實(shí)測，對這兩種研究方法進(jìn)行了評價，并提出了解決該問題的思路和方法。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);異響; 理論建模法；實(shí)驗(yàn)實(shí)測法

0 引言

汽車EPS是未來電動助力轉(zhuǎn)向的發(fā)展趨勢，具有環(huán)保、安全與節(jié)能的特點(diǎn)，但是國內(nèi)外針對汽車開發(fā)的EPS技術(shù)并不成熟[1-3]。EPS異響成為EPS在汽車中推廣使用亟須解決的問題。汽車EPS異響是一種特定頻率的噪聲，頻帶分布在200 Hz～5 kHz之間。作為一種常見的故障模式，EPS異響故障約占EPS所有故障的90%，造成汽車生產(chǎn)廠家年度經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上億元，也對企業(yè)的信譽(yù)造成嚴(yán)重影響，該問題引起了汽車制造業(yè)及研究學(xué)者的高度關(guān)注。從近幾年的研究來看，國內(nèi)外學(xué)者針對EPS異響的研究越來越多[4-6]，旨在研究EPS產(chǎn)生異響的內(nèi)因，優(yōu)化EPS的結(jié)構(gòu)，改良EPS組成構(gòu)件的材料屬性，為開發(fā)低噪聲、可靠性高的EPS產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。然而由于研究缺少統(tǒng)一規(guī)劃，目前尚沒有提出解決該問題的系統(tǒng)方法?；诖?，作者對EPS異響問題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，分析解決該問題的方法和手段，最后提出解決該問題的方法和思路，為企業(yè)和研究者提供參考。

1 異響產(chǎn)生的原因

CHEN等[7]通過初步建立EPS系統(tǒng)的簡單模型，在對傳統(tǒng)的EPS系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對EPS進(jìn)行綜合性能測試，發(fā)現(xiàn)EPS發(fā)生異響的軸承游隙值，減速機(jī)構(gòu)的嚙合間隙是導(dǎo)致EPS發(fā)生異響的關(guān)鍵因素。通過對間隙值進(jìn)行等間隔取值，發(fā)現(xiàn)間隙值過大或者過小都會導(dǎo)致異響發(fā)生。實(shí)際上，間隙值作為一種強(qiáng)非線性因素，改變著輪齒之間的接觸狀態(tài)，輪齒之間出現(xiàn)接觸、脫離、再接觸的重復(fù)沖擊，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的動載荷，作為一種激勵，進(jìn)而引起EPS系統(tǒng)表面振動，通過輻射噪聲，產(chǎn)生異響。

2 異響問題的研究現(xiàn)狀

對異響問題的處理歸根到底是對振動與噪聲的處理，目前異響的研究主要圍繞著建模仿真與振動實(shí)測展開，下面將分別概述這兩方面的研究進(jìn)展。

2.1 建模仿真研究現(xiàn)狀

CHEN[8]把前輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)向轉(zhuǎn)向柱簡化，建立助力電動機(jī)模型，根據(jù)牛頓定律，建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)方程。H MOHAMMADI等[9]根據(jù)EPS結(jié)構(gòu)形式的不同，建立不同的動力學(xué)模型進(jìn)行分析。LIAO等[10]采用ADAMS動力學(xué)仿真軟件以及MATLAB數(shù)值分析軟件，對基于多剛體的整車動力學(xué)模型的EPS控制系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真研究。ZAREMBA等[11]對比了42 V系統(tǒng)與12 V系統(tǒng)對EPS性能的影響，通過建立這2個系統(tǒng)的相關(guān)模型，分析了車輛在各種工況下消耗的電能。美國PARMAR等[12]等通過建立雙齒輪助力式EPS系統(tǒng)的動力學(xué)模型，提出3個傳遞函數(shù)分別描述助力系統(tǒng)的動態(tài)特性、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的柔度以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感,同時采用拉格朗日方法建立雙齒輪助力式EPS系統(tǒng)的動力學(xué)模型，指出狀態(tài)空間法要優(yōu)于輸入輸出模型，將魯棒控制應(yīng)用到EPS系統(tǒng)中，探討加權(quán)系數(shù)選擇的重要性和對系統(tǒng)特性的影響，最后仿真分析表明該控制策略在不采用轉(zhuǎn)矩傳感器的情況下能提高EPS系統(tǒng)的性能和降低成本。陳麗[13]用MDI公司的ADAMS軟件建立了具有15個自由度、可用于EPS仿真分析的整車多體動力學(xué)模型，在數(shù)值分析軟件MATLAB中建立了EPS控制模型，對EPS系統(tǒng)施加了助力控制和回正控制、阻尼控制、橫擺角速度反饋控制及補(bǔ)償控制等方法，通過一系列的動力學(xué)仿真研究，結(jié)果證明這些控制方法有利于改善車輛的轉(zhuǎn)向輕便性及車輛的行駛穩(wěn)定性。施國標(biāo)等[14]應(yīng)用動力學(xué)仿真軟件ADAMS對電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，在車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制及轉(zhuǎn)向性能評價等方面做了很多有益的工作。谷娜[15]利用AMESim仿真軟件建立了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)模型，然后在MATLAB/Simulink環(huán)境中設(shè)計電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制系統(tǒng)模型，通過AMESim與Simulink接口，實(shí)現(xiàn)了兩個系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，并分析了仿真結(jié)果。胡建軍等[16]通過EPS的動力學(xué)方程、三自由度的整車模型和輪胎Fiala模型建立了EPS整體仿真模型，分析方向盤瞬態(tài)響應(yīng)品質(zhì)。張軍輝[17]結(jié)合非線性Magic Formula半經(jīng)驗(yàn)輪胎模型、三自由度整車模型，建立了含輪胎的非線性整車系統(tǒng)動力學(xué)模型。苗立東等[18]針對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作過程中經(jīng)常出現(xiàn)的振動現(xiàn)象，采用振動分析理論研究了由轉(zhuǎn)向盤、電動機(jī)轉(zhuǎn)子和輸出軸3個集中質(zhì)量組成的控制對象的振型，分析表明電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一小阻尼系統(tǒng)。

綜上所述，建模的主要目的是在動力學(xué)模型基礎(chǔ)上研究EPS的振動特性，然而現(xiàn)有的建模方法存在的不足之處在于：要么把復(fù)雜機(jī)構(gòu)簡化，通常將EPS 各個部件的慣量、阻尼、力矩分別向轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向柱輸出軸處等效，忽視了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的彈性或者阻尼特性；要么只局限于EPS 部分構(gòu)件，沒有考慮間隙對EPS 振動特性的影響。用這兩種方法來解釋間隙非線性振動下的異響不夠精準(zhǔn)，也造成了仿真結(jié)果和實(shí)際存在很大的差別，通過仿真分析或者理論推導(dǎo)來了解振動特性進(jìn)而消除異響問題不夠直接，需要進(jìn)一步深入研究，尤其是需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來對理論模型進(jìn)行修正，才能夠?qū)嶋H反映EPS的工作狀態(tài)。

2.2 振動異響測試方面研究現(xiàn)狀

國外針對振動異響的實(shí)驗(yàn)研究有：石井秀明等[19]針對EPS的噪聲利用小波變換技術(shù)等手段進(jìn)行處理分析，得出EPS的主要噪聲成分與蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)的頻率較為接近，是構(gòu)成EPS噪聲的重要內(nèi)因。NISHIMURA等[20]建立了可消除嚙合側(cè)隙和軸承游隙的消隙裝置的動力學(xué)模型，通過分析可知蝸輪蝸桿的噪聲峰值有了一定量的減小。MIZUMO[21]在EPS的蝸桿軸與電機(jī)軸凸爪之間添加一個過盈配合的樹脂襯套，在消除凸爪之間連接間隙的同時也減小了傳動振動。

國內(nèi)針對EPS的異響研究也主要采用實(shí)驗(yàn)方法，楊鄂川等[22]首先運(yùn)用主觀評價法判斷前驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為沖擊異響的主要故障區(qū)域，并對前驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵部位進(jìn)行振動信號采集分析。桑帥軍等[23]對某助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行振動噪聲測試，用MATLAB自編程序?qū)y得的噪聲信號分頻段還原為聲音，初步主觀判斷異響頻段，進(jìn)一步對振動噪聲信號進(jìn)行時頻分析，用以分析產(chǎn)生異響的原因。王文龍等[24]在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了異響排查基本流程和方法。吉彥棟等[25]針對J公司N項目的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在實(shí)車試驗(yàn)中發(fā)生振動異響的現(xiàn)象，論述了產(chǎn)品質(zhì)量中所存在的問題，分析了問題產(chǎn)生的根源。LIU等[26]為了解決汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動異響的問題，提出了調(diào)整產(chǎn)品的尺寸公差、追蹤產(chǎn)品制造工藝流程等改進(jìn)措施，通過對零件的失效分析，結(jié)合試驗(yàn)及實(shí)車驗(yàn)證手段，初步解決了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動異響的問題。

采用實(shí)測的方法來研究EPS的異響問題，由于缺少理論依據(jù)，只對單個運(yùn)行的EPS有效，屬于被動式解決模式，難以實(shí)現(xiàn)正向開發(fā)。

2.3 現(xiàn)狀分析

近年來國內(nèi)外對EPS異響多采用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究，在EPS動力學(xué)建模、振動與噪聲控制上缺乏理論研究，現(xiàn)有的研究尚存在諸如：EPS系統(tǒng)動力學(xué)建模方法考慮的耦合因素較少，間隙非線性振動引起異響的機(jī)制尚不明確，關(guān)于間隙引起的異響理論推導(dǎo)在新能源汽車上異響新特征的研究還不夠深入等問題。

3 解決異響問題的思路和方法

由于現(xiàn)有的理論建模和仿真不夠完善，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果不具備普遍意義上的價值，因此需要在原有研究基礎(chǔ)上，針對汽車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動異響形成機(jī)制與控制技術(shù)展開研究，建立EPS整車的精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，探索EPS振動規(guī)律與噪聲輻射特性；研究間隙非線性振動異響形成機(jī)制，揭示EPS間隙與振動、噪聲之間的規(guī)律，通過參數(shù)優(yōu)化與匹配，研究EPS間隙異響控制方法并在整車上進(jìn)行應(yīng)用，以期為高性能、高壽命、高可靠性以及低噪聲的汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)提供一般性的動態(tài)設(shè)計準(zhǔn)則,也為合理解釋此類傳動系統(tǒng)中故障產(chǎn)生的原因提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

對汽車EPS的異響問題進(jìn)行歸納總結(jié)發(fā)現(xiàn)：

(1) 異響問題與各組件的間隙密切相關(guān)，間隙非線性振動導(dǎo)致EPS產(chǎn)生異響；

(2)對異響問題的處理歸根到底屬于振動與噪聲問題，因此解決異響問題之前需要掌握EPS的振動特性，而建立完善的理論模型顯得尤為重要；

(3)通過振動實(shí)測系統(tǒng)排查來解決異響問題由于缺少理論根據(jù)，具有一定的盲目性。

在了解現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，作者提出通過理論建模和實(shí)測相結(jié)合，對EPS的異響問題進(jìn)行深入的研究，從而實(shí)現(xiàn)EPS異響問題解決從被動改進(jìn)轉(zhuǎn)向正向開發(fā)。

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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

湖南省教育廳重點(diǎn)研究項目(16A193)

羅斌(1987—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)槠嘐PS和振動與噪聲。E-mail：Lb19870911@126.com。

陳志剛，E-mail:chenzg70@sina.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.020

TN911.6

A

1674-1986(2017)03-078-03