汽车液压转向系统噪音的分析

郭其昌

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

转向系统是汽车底盘的重要组成部分，其性能的好坏，直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性。现代汽车技术的迅速发展，汽车转向系统已从纯机械式转向系统、液压助力转向系统（HPS）、电控液压助力转向系统（EHPS），发展到利用现代电子和控制技术的电动助力转向系统（EPS）及线控转向系统（SBW）。其中，液压转向为现阶段普遍采用的设计结构（如图1）。

图1 汽车转向系统分类图

随着用户对车辆行驶舒适性要求越来越高，液压转向系统（HPS）的噪音问题，在车辆售后的抱怨中所占比例越来越高。其中，系统的液压噪音最难解决，也较难找到根本原因来解决。本文分别从转向系统装配关系和设计角度，对液压噪音进行了分析，并希望找到噪音问题解决方案。

根据转向系统噪音来源，分机械噪音（传动连接件运动产生的噪音）和液压噪音（主要指油泵和动力转向器液力助力系统所产生的噪音），本文重点介绍液压噪音的排除方法，及典型的转向系统气穴噪音现象及排除方法。

1 液压噪音的产生原因及排除方法

为了转向轻便，汽车越来越来多安装动力转向装置。动力转向系统，实际是机械转向器加上液力助力器。液力转向装置出现故障时，将会使转向力不足，有噪音或漏油等。

1.1 动力转向装置的噪音

（1）可能原因。可归结为：驱动皮带过松打滑；油泵轴承过于松旷或损坏；压力板或转子损坏；泵环过度磨损；贮油罐油液不足；液压油中有空气或压力软管连接不牢；转向泵装配不当；流量控制阀有故障。

（2）排除方法。有：按规定调整皮带的预紧度；更换转向油泵的轴承；更换损坏的零件，并冲洗液压系统；更换泵环；按规定的油面高度，向贮油罐加足液压油；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；按要求装配转向泵。

1.2 转向沉重并伴有噪音

（1）原因分析。有如下原因：液压系统缺油，使转向助力不足；液压系统中混有空气，使油压不足；驱动油泵的三角皮带打滑或齿轮传动副啮合不良；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；油泵、动力缸或分配阀的密封圈损坏；液压油滤清器堵塞、管路堵塞或接头渗漏等。

（2）判断与排除。方法有：检查转向油泵的驱动装置的工作情况，如是三角皮带传动，应检查其是否打滑或过松；检查液压系统各个部件管路连接处是否漏油；检查液压油油面的高度，按规定加足液压油；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；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；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。

1.3 左右转向轻重不同并伴有噪音

（1）原因分析。转阀偏离中心位置（转阀的对称性不好），或转阀虽在中心位置但与阀体的缝隙不一致；转阀或阀体台肩擦伤或有毛刺，影响工作油液的流量和压力；工作油液有脏污，使转阀的一侧受阻；动力缸的一侧的活塞卸压阀过早开启，使油压下降；动力缸一侧油路密封件损坏，形成部分泄漏而降低压力，或动力缸的一侧有空气渗入。

（2）排除方法。首先检查工作油液是否清洁，若工作油液有脏污，应清洗转阀和阀体，更换工作油液；若工作油液清洁，应考虑动力缸一侧的可能有空气，可作排气处理后，进一步检查动力缸密封元件是否损坏。如有损坏，应及时更换。

经上述处理后，若问题仍然存在，应调试转阀的轴向位置，使其位置居中。调整转向重的一边行程卸压阀。

1.4 行驶中转向油泵出现噪音

其现象是汽车在行驶中转向时，液压系统转向油泵出现噪音。

（1）原因分析。储油罐中油面过低，油泵在工作时容易吸入空气；油泵驱动皮带过松或打滑；油路系统中存有空气；滤油器滤网堵塞，或因破裂造成油管堵塞；各个管路接头松动或油管破裂；油泵严重磨损或损坏。

（2）判断。首先应检查储油罐法油面的高度和油泵皮带，是否过松打滑；若正常，应检查油液中是否有泡沫；若有泡沫，则应查找何处漏气；若无漏气，则表明油路有堵塞处或油泵磨损严重、油泵损坏。此时，应及时检查疏通油路。如油泵损坏或磨损严重，应看情况修理或更换。

1.5 转向叶片泵工作不平稳且噪音大

（1）原因。吸油管密封不严，混入空气或滤清器堵塞、油泵空转。叶片泵转速过高；叶片泵主轴的密封圈过紧；叶片泵各个叶片的高度尺寸不一致；叶片泵的定子曲面表面拉毛；叶片泵的叶片与转子之间加有杂质，使叶片的表面拉毛，或使叶片卡死在槽内。

（2）排除方法。叶片泵在工作时不平稳、噪音大的原因很多，应根据实际情况，有针对加以检查和排除。方法有：拧紧吸油管接头，清洗滤清器，加油至油标规定的高度；将叶片泵调整到规定的转速范围内；适当调整主轴的密封圈；检查同一叶片的高度，尺寸应一致，其高度相差不超过0.01 mm；看情况修理或更换不符和要求的零件；轻微研磨，去掉表面拉毛突起部分，直至叶片能轻松装入转子槽内，并保持原有的间隙要求即可。

2 气穴现象的影响和排除

气穴现象是指在常温下，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。在一定的条件下，液压油中产生大量的气泡的现象，称为气穴现象（如图2）。

图2 某车型出现转向异响，发动机停机后油壶内液压油发现大量气泡

2.1 气穴形成的机理和影响

（1）气穴形成的机理。当液压系统某以一部分的压力下降到一定的值时，溶解在液压油中的气体游离出来，形成气泡。若压力进一步下降，当达到油液的饱和蒸气压力时，液压油便大量的气化，形成更多的气泡。这种气泡混杂在液压油中，使管路或元件中的液压油成为不连续的状态，即形成所谓气穴。

（2）气穴对转向系统噪音的影响。引起局部的高压和高温，并出现噪音和震动；冲击大，气蚀金属；降低油泵效率，产生噪音；气穴现象使油泵的效率显著下降，系统各个部分的压力不平衡；回转机构的输出扭矩发生波动，液压装置产生噪音。

2.2 防止气穴产生的措施

（1）在液压系统中设置排气阀，及时排除液压系统内空气；

（2）保证管路接头与结合面的密封性，保持回油管在油面以下，以防止空气侵入；

（3）避免管路中出现狭窄和急弯，避免在很大的压力差下的节流，保证具有足够大的吸油管径，提高油泵的进油口的压力等；

（4）提高零件表面耐气蚀能力。

2.3 气穴和空气混入的判断方法

液压动力转向系统中出现气穴和空气混入，就会使系统出现噪音。

（1）气穴现象的判断方法。有2种方法可以判断：

其一，仪表判断。在油泵的进油口处装一个真空压力表，看压力是否等于或高于油泵的额定压力；

其二，声音的判断。当没有真空压力表时，可根据油泵的发出声音来判断。发生气穴的油泵会发出一种高声调的声响或尖叫声，这种声音有时还象轴承噪音、连轴节的噪音、来自附近冲床的噪音等。

（2）空气混入的判断方法。有2种方法可以判断：

其一，气泡是裹携着空气的回油从高处冲入储油罐时产生的，或由于旋涡效应产生的，在油面过低时，储油罐中就会出现旋涡效应；

其二，气泡从吸油管吸入，如油封缺陷或安装不良、管接头安装不好、密封不严时，均可吸入空气。若将粘度较大的机油涂抹吸管的漏油处，油泵的噪音会有明显变化，则表明漏气。

吸入空气的油泵发出的声音，比产生气穴的声音低沉。若单纯地为了发现空气的混入，可观察储油罐或油面指示器液面的气泡数量即可。

3 避免噪音的转阀设计

以上关于噪音的分析，主要侧重于转向系统的整个装配过程以及使用保养方面的问题。以下根据影响噪音的几个因素，从设计的角度，对避免液压噪音的产生进行阐述。

3.1 基本概念

（1）安静阀。用来降低噪音的阀称为安静阀，其特点是加工精度高、成本高。

（2）影响阀噪音的三大因素：液压油的流速、温度及压力。

3.2 特征改变对安静阀的影响

（1）阀芯阀筋宽度。决定阀套与阀芯之间的基本间隙，基本间隙大小，影响阀特征的影响（与相对应的槽影响一样）。

（2）槽深。槽深与噪音水平与气穴现象有关。我们能够了解到这一点，对于解决阀的噪音问题有很大的帮助。液压油在通过小阀口时，流速及温度都很高，较浅的槽容易使液压油产生气穴现象，进而增大噪音，在实际应用中，槽深不应小于1 mm。

（3）槽的对称性。影响阀特征曲线的形状，槽的间隔不均匀，会引起左右转向轻重不同，并增大噪音。

（4）槽的直度。影响特征曲线中心附近的线形部分，如果槽的不直部分长度超过一定值，这种线形部分也会变成弯曲的。理论上，噪音也会增大，这种现象在实际中较易避免。

（5）在槽与平面连接处的圆角半径。会引起特征曲线中心附近线形部分变成弯曲，可能对某些车的操纵特性，有不利的影响，圆角大不利。

（6）小阀口的平面角α。平面角的存在，缓冲了液压油从高压向低压区速比的变化。α角越大，曲线的变化越趋近线形，阀口的平面角影响阀特征曲线形状、输入扭矩、阀的噪音及油压的范围。

例如，当α=2°时，安静阀（压低噪音的阀）的效果便会减小，输入的扭矩增大，油压的范围减小，但是2°度的平面易于加工；当α=8°时，阀的特征曲线失去中心附近的线形部分，输入扭矩减小，油压范围增大（附注：方向盘手感变轻）安静阀的效果增大。

总之，为了噪音考虑，最好不使平面角α小于2°；为了制造工艺考虑，以6.5°的平面为最大较为适宜（参照德尔福进油口分布对应输入轴的阀筋）。

（7）小阀口的平面宽度。平面宽度越宽，为建立一定的压力，所需的输入扭矩越大。

（8）小阀口的长度。影响噪音和阀特征曲线的形状，而小阀口长度影响噪音，是因为其形状。长度越短，越易产生气穴现象，进而增大噪音。

（9）阀外圆的圆度。阀的外圆不一致，会改变阀曲线的对称性，而且这种变化太大，噪音也会增大。

（10）装配变化的作用。阀芯与阀套之间的间隙，对阀所起的作用至关重要。如果间隙太小，摩擦力就会过大，可能使阀发卡；如果间隙太大，可能发生过份泄漏。对于安静阀，这种间隙的变化也会引起输入扭矩的变化。广泛的试验表明，随着这种间隙的增大，输入扭矩也会增大，因此，这种间隙一般被控制在0.01～0.015 mm。在加工后，输入轴和阀套必须利用专用机器测量其外径和内径，分4个公差区间，输入轴应和一个在相同或相邻公差区域的阀套相配。

（11）阀口的个数。阀口的个数越多，当小阀口关闭时，其液压油的速比变化就越缓，油温不至于过高。

4 关于油泵油管噪音的分析

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。噪音源通常分为3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。

4.1 泵的噪音术语

（1）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。

（2）Moan呻吟声——低声调的液压噪声。当发动机转速约为1 000 r/min时，较慢地来回转动方向盘时，转向系统发出这种噪声。

（3）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3 000 r/min时，转向系统发出的这种噪声。

（4）Scream尖叫声——高声调的液压噪声。当发动机转速为3 500 r/min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。

（5）限压噪声——当发动机转速为1 000 r/min时，转动方向盘直到限位状态，转向系统发出这种噪声。

4.2 减小流体传播噪音的方法

选择一个流量波动小的泵，可以降低噪音，但成本较高。

（1）动力转向泵有可能出现气穴现象。其会增强流量波动，并会引起严重的噪音，以及零件破坏，必须避免其发生，办法是通过良好的吸油管设计。

（2）油中含有空气，当泵油循环压缩流体时，气泡被压破，为了避免发生严重气蚀，应保证在泵的进油口有足够的压力，泵的流速不要超过进油口的进油能力。

（3）特别注意远距离储油罐的位置（使储油罐尽可能的高）和油管的尺寸，以确保进油管有足够的流动的特性，防止泵抽成真空（由于储油罐过低，在进油口的压力过低或油管尺寸不足）；此外检查液压油的特性，以确保在泵中的真空度，不使压力低于油的蒸气压力。如果不满足以上的条件，油就会汽化，产生严重的气穴、气蚀。

4.3 整个液压系统的调谐

动力系统可以看作简单的泵—油管—流量控制阀系统。油管的长度对压力波动有很大的影响。通过合理的设计，有可能明显减小压力波动水平。

（1）噪声。当转向系统发出噪声时，应用调谐压力油管，在减少噪声水平方面有很显著的效果。一条螺旋金属管被放置在橡胶管总成之内，构成调谐器油管。调谐器油管是一种1/4波长衰减器。这种装置被用在压力油管中来衰减泵的呻吟声，用在回油管中来帮助控制颤抖。

（2）颤抖。是一种在发动机低转速下进行转向时发生的振动。在某些情况下，通过在系统的回油管中加调谐器来消除它。

4.4 柔性油管的使用

FBN和SBN都应该在噪声源可能靠近的地方进行衰减。而最简单的方法，就是在噪声源和其余部分之间使用合适的长度的柔性油管。柔性油管衰减噪声，在较高的频率最有效。

（1）几种常用油管对FBN的衰减性能。线编织的橡胶油管性能，在0～2 kHz的范围内衰减性能差，然后衰减性能很快增强。尼龙编织热塑型油管，在很低频率范围便能提供有用的衰减性能，但其使用受到系统的压力和温度限制，在条件允许的情况下，应优先使用这种油管。

（2）柔性油管减少噪音的特征，由橡胶及其增强材料所固有的消耗能量的特性造成的。另外，油管的柔性使其很象一个容积共振器，提供反作用衰减。

（3）结构隔离所需要的柔性油管长度。为降低泵的噪音，长度一般为1～2 m，对更高频的阀噪音为0.6 m。

（4）一般来说，对于衰减FBN，柔性油管越长越好。但是，使用太多的柔性油管是不现实的，因为：其一，柔性油管成本价太高；其二是对于一定水平的FBN，柔性油管单位长度辐射的ABN比相同的钢油管要多，特别是对低频噪音。

（5）为避免橡胶油管发生扭转和拉伸。为此橡胶油管的最小半径如表1所列。

表1 橡胶油管最小半径表（单位：mm）

4.5 结构传播的噪音及隔离

主要讨论泵和阀的机械噪音，向其他零件的传播及隔离问题。

（1）泵的机械隔离。泵的隔离通常应用柔性支撑来实现，防止机械振动传给支座。应用柔性油管为泵提供机械隔离，但其长度受到一些因素的限制，实用长度在1～3 m之间。

（2）阀的机械隔离。阀的隔离与泵的隔离相同。但是，阀的隔离通常较简单，主要是其频率高。采用较短的油管就足够，结构支架较简单。

5 转向系统的调谐

详见本文 4.3节的（1）、（2）所述。

6 储油罐

储油罐的材料通常为含有33%玻璃的尼龙66。

6.1 储油罐的功能

储油罐的功能是：为系统提供加液压油的地方；为系统提供检查液压油的地方；为热膨胀提供空间；当系统使油管膨胀时，提供补偿液压油；提供除去空气的地方。

6.2 储油罐的类型：

远距离储油罐（不直接装在泵上），主要用在安装困难或用户要求的场合；离开泵的距离应尽量短；冷启动性不如整体储油罐系统好；由于有更多的泄漏点，成本高；发动机上的垂直加速度超过25 g时，不能装在发动机上。

6.3 储油罐的设计

储油罐的设计要考虑如下因素：足够的储油罐容积（大于600 mL）；空气/油的比率为1:2～1:2.5；

两件结构——箱体和面板，带有模压的加油颈和回油管接头；热板焊接；加筋箱壁厚2 mm，在支撑处厚2.5mm。

6.4 储油罐的安装和操作

充油量正确是很重要的，油量过多，会导致储油罐盖泄漏；而油量过少，又会导致由于吸入空气引起泵的噪声。要时刻注意储油罐中进入杂物。油管管路布置得应尽量圆滑，拐弯尽可能少。为确保储油罐中的正确的油面高度，应从系统中放出空气。远距离储油罐的设计，标准要求其最小容积是泵的每分钟的流量的两倍。在整体储油罐中，油面至少比泵进油口高30 mm。回油管接头必须布置在储油罐的底部，以免回油打破油面，引起空气进入。对远距离储油罐，储油罐中的油面至少比泵进油口高75 mm。对远距离储油罐，进油管直径至少为15.8 mm。

7 结束语

本文内容主要关于液压转向系统的噪音分析，介绍了几个不同因素对液压转向的噪音影响及设计原理，在分析液压噪音问题时按照这几个方面来考虑一般可以找到异响源，从而解决问题。

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