某车型怠速转向异响问题分析

高龙张奇奇徐春梅葛士显

（安徽江淮汽车股份有限公司）

某车型怠速转向异响问题分析

高龙张奇奇徐春梅葛士显

（安徽江淮汽车股份有限公司）

针对某车型怠速转向异响问题，利用实车测试和CAE软件进行分析，找出异响原因，并提出了整改措施。利用CFD软件对整改前、后管路流场进行分析，结果显示整改后管路中的湍流大大降低，降低了由于湍流而产生噪声的风险。通过实车验证表明，整改后管路可有效解决该车型转向异响问题。

1 前言

转向系统噪声是影响驾乘舒适性的重要指标，液压助力转向系统是当今车用主流转向系统，因此降低液压助力转向系统噪声已经成为各车企和高等院校的热点研究课题。王存堂、石银[1]等人利用CFD软件对某全液压转向器的流场和特性进行分析，研究了转向器在工作过程中噪声的产生原因，并提出降低能量损失、减小噪声的最佳改进方案。Washington J.N.de Lima等人[2]对液压转向系统“嘶嘶”声从主、客观两方面进行了评价，并通过多元线性回归建立了表示“嘶嘶”噪声品质的客观量度。邓超[3]等人通过试验和CAE分析相结合解决了某车型转向异响问题。竺箐[4]利用流固耦合方案对某全液压转向器的内部结构进行了优化，降低了产生噪声的风险。高尚[5]等人利用CFD软件对某车型转向噪声问题进行了分析，找出产生噪声的根源，并提出了解决方案。

本文利用实车测试和Workbench软件对某车型怠速转向异响问题进行分析，找出异响原因，提出了改进措施。利用CFD软件对改进前、后管路流场进行了分析，结果显示，改进后管路中的湍流大大降低，降低了由于湍流而产生噪声的风险，实车验证表明，管路改进后可有效解决该车型转向异响问题。

2 怠速转向异响问题分析

市场反馈该车型在怠速状态下存在“吱吱吱”的转向异响，且发动机怠速转速提高后转向异响消失。根据此情况，可以判定此种异响与发动机状态有关，根据经验分析可能是由于转向系统某一部件与怠速状态下的发动机发生共振所致。对此车型转向系统部件进行实车查看，发现转向器进油钢管较其他部件振动大，且转向器进油钢管在车身上无固定约束，故初步判定转向器进油钢管与怠速状态下的发动机发生共振。因此，需要对转向器进油钢管进行分析，以确定改进方向，避开发动机怠速状态下的频率。

3 怠速转向异响原因确定及改进方案

3.1 实车模态测试

对整车状态下的转向器进油钢管进行模态测试，以验证初步分析原因的正确性。

实车状态下，发动机怠速工况时转向器进油钢管频率为50.09 Hz，与发动机2阶频率f=2×（（850/ 60）×2）=56.66 Hz最接近，在工作状态下液压油压力波动会使转向器进油刚管工作频率提高，达到56.66 Hz，从而与怠速状态下的发动机产生共振。

文献[7]分析结果表明，在直列四缸发动机中，由于往复惯性力不能平衡，振动和噪声都以2阶为最强。因此，在设计过程中应避开发动机此频率。

由以上分析可以判断，该车型怠速转向异响是由转向器进油钢管与怠速状态下发动机2阶频率发生共振所致，需要对转向器进油钢管走向重新设计，避免共振。

3.2 改进方案制定

由于空间布置原因，原状态的转向器进油钢管只有一端约束，另一端为自由状态，故新状态的转向器进油钢管需要增加约束，以提高其固有频率，避开发动机怠速频率。为避免与空调管路、发动机悬置等发生干涉，新状态的转向器进油钢管设计如图1所示，带管夹的一端固定在转向器壳体上，同原状态管路相比，新管路长度加长、约束增加。

3.3 新状态转向器进油钢管模态确认

将转向器进油钢管数模导入到Workbench软件中，采用自动网格划分法对模型进行网格划分，网格数量和大小应以不影响最终计算结果为基本依据[5]，最终网格总数为150 941个。

按照实际工作状态，对管接头设置材料为20号钢，钢管材料为Q195；进油钢管连接转向器的一端固定，连接高压软管的一端为自由状态，对管路进行模态计算，提取前6阶频率如表1所列。

表1 新状态转向器进油钢管前6阶频率Hz

由表1可以看出，新状态的转向器进油钢管1阶频率为141 Hz，远大于发动机怠速2阶怠速频率56.66 Hz，能够避免发生共振。

4 转向器进油管路CFD分析

由于新状态的转向器进油钢管同原状态相比，管路加长且管路折弯处增多，会造成沿程压力损失增大，影响转向轻便性，而且管路中流场的状态变化也会产生噪声，所以需要对原状态和新状态的管路流场进行对比分析，防止压力损失过大和流体噪声的出现。

该车型的转向器进油管路由高压软管和转向器进油钢管两段组成，高压软管一端与助力转向泵相连，一端与转向器进油钢管相连，转向器进油钢管的另一端与转向器相连，如图2所示。

由于高压软管连接助力转向泵一端的入口边界条件和转向器进油钢管连接转向器一端的出口边界条件可以确定，而高压软管和转向器进油钢管连接处的边界条件无法确定，故对整个转向器进油管路进行CFD分析。

4.1 管路流体模型及网格划分

4.2 模型假设

为便于研究，对流体模型做以下假设[8]：

a.假定液压油为不可压缩、粘性牛顿流体；

b.进行稳态计算时，假定流体在流体里为定常流动，且系统内部无热传导现象；

c.不考虑流体重力影响，不考虑工作过程中流道的变形。

4.3 湍流模型的选择

突发关键词和高频关键词中的“社会化阅读”“阅读推广”分布在Cluster 2中，同时结合表4中具有代表性的“阅读体验”“全民阅读”等关键词，综合可确定Cluster 2的研究热点为“移动阅读推广”。

由于在实际工作过程中外部环境及整个转向系统对管路中流体的状态影响很大，故认为选择湍流物理计算模型进行分析计算更符合实际。参考文献[1]和文献[8]，选择湍流模型中的标准模型进行计算。

4.4 边界条件确认

边界条件包括进、出口边界条件和固壁边界条件，对管路进口采用速度进口，对管路出口采用压力出口，其余采用壁面边界条件。

速度入口边界：

式中，Q为发动机怠速时动转泵的流量，Q=（v/η1）V1；S为管路的进口截面积，S=πr2。

将v=850 r/min，η1=1，V1=7.2 ml/r，r=5.75 mm代入可得v=0.982 007m/s。

压力出口边界：

静态原地转向有助力作用时系统压力：

式中，Mr为原地转向阻力矩；S1为助力缸截面积；L1为梯形臂长度；∂为转向梯形底角。

式中，f为轮胎与路面间的滑动摩擦系数，一般取0.8；G1为前轴载荷；P为轮胎气压。

式中，D为动力缸直径；d为活塞杆直径。

将f=0.8，G1=1440×9.8N，P=0.45 MPa，D=48mm，d= 30mm，L1=127mm，∂=91.1°代入式（2）得Pi0=3.365381MPa。

4.5 结果分析

评价湍流剧烈程度的参数有湍动能k、湍流耗散率ε和湍流强度I等[9]。湍动能k是脉动速度对应的动能，是流场中分布的变量，具有能量的量纲，k较大表示湍动比较剧烈；湍流耗散率ε表示扰动能量由较大尺度涡向较小尺度涡逐级递减的传输速率，表征湍流的扰动状态，ε越大，则湍流越强；湍流强度I是脉动速度绝对值与流场特征速度的百分比，是无量纲的特征参数，I越大，湍流越剧烈。图5和图6分别给出了原状态、新状态管路流场的湍动能k和湍流耗散率ε分布云图。

由图5和图6分别看出，原状态、新状态管路流场的湍动能、湍流耗散率较大区域均为管路进口与出口、管径突变处和管路连接处，表明这些区域的湍流剧烈程度较其他区域大；原状态管路流场的湍动能最大值为1.672，新状态管路流场的湍动能最大值为1.091，原状态管路流场的湍流耗散率最大值为7424，新状态管路流场的湍流耗散率最大值为6021，表明新状态管路流场中湍流的剧烈程度较原状态管路小。表2给出了原状态和新状态管路流场数值参数分析比较结果。

表2 原状态和新状态管路数值参数对比

由表2可以看出，新状态管路流场中表征湍流的3个参数数值较原状态管路均有不同程度的下降，说明新状态管路流场中湍流的剧烈程度较原状态管路小，新状态管路不会出现由于湍流而产生的流体噪声；新状态管路流场中的压力损失较原状态管路提高了20.4%，但压力损失增加量6 640 Pa同管路出口压力3.636 5 MPa相比，可以忽略不计，对转向轻便性的影响不大。

5 实车验证

将新管路安装到故障车上进行验证，新状态的管路在实车状态下频率为176.14 Hz，远大于发动机2阶怠速频率56.66 Hz，频率错开，共振消失。但管路实车状态下的频率为176.14 Hz，大于前面对单个管路进行模态分析的结果，主要原因是在仿真分析时，管路约束状态与实际状态不同，且实车状态下管路中转向油液的存在也提高了管路固有频率。

经实车测试，怠速时转向异响消失，且同原状态管路相比，转向轻便性无明显变化。

1石银.全液压转向器的流场分析及其特性研究：[学位论文]，镇江：江苏大学，2007.

2 De LIMA W J N，VERGARA E F，GERGES S N Y，et al.An Objective Test Metric for Hiss Noise in Hydraulic Power Steering.SAE Paper 2004-01-3276.

3邓超，等.动力转向泵引起车内异常噪声的研究.拖拉机与农用运输车，2011，38（1）:51～55.

4竺箐，等.利用AWE流固耦合分析优化全液压转向器内部结构.现代制造工程，2012（10）:73～76.

5高尚，等.基于CFD数值模拟的某车型转向噪声分析.汽车技术，2013（8）:1～3.

6黄志新，等.ANSYS Workbench 14.0超级学习手册.北京:人民邮电出版社，2013.

7张立军，等.发动机振动引起的车内噪声的控制研究.振动、测试与诊断。2001（1）:60～64.

8竺箐，等.全液压转向器流场特性分析与结构改进.建筑机械，2012（4）:77～81.

9王福军.计算流体动力学分析.北京:清华大学出版社，2004.

（责任编辑帘青）

修改稿收到日期为2014年7月1日。

Analysis of Abnormal Steering Noise of An Idling Vehicle

Gao Long，Zhang qiqi，Xu chunmei，Ge shixian
（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd）

To eliminate abnormal steering noise of an idling vehicle，we use vehicle test and CAE software to analyze and identify the causes of the abnormal noise，and propose corrective measures.We use CFD software to analyze pipeline flow field before and after rectification，the results show that after rectification of the pipeline，the turbulence is greatly reduced，which reduces the risk of the noise generated by turbulence.The vehicle test verifies that the rectified pipeline can effectively eliminate the abnormal steering noise during idling.

Idling steering,Abnormal noise,CFD

怠速转向异响CFD

U461.4

A

1000-3703（2014）08-0016-04