EPS电机摩擦噪声特性分析与控制

李传兵,闫兵,雷应锋,李淑静

（1.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 401120；2.长安汽车工程研究院，重庆 401120；3.西南交通大学机械工程学院，成都 610031）

电动助力转向系统（EPS，Electric Power Steering）代替液压助力转向系统是汽车节能减排的重要措施之一，电动助力转向系统是未来转向系统的发展方向。EPS系统与传统的液压动力转向系统相比有以下优点[1]：仅在需要转向时才启动电机产生助力，能减少发动机燃油消耗；能在各种行驶工况下提供最佳助力，即根据车速的高低和行驶条件的变化，提供合适的转向助力，提高汽车行驶的安全性、操纵性和稳定性。没有液压回路，调整和检测更容易，装配自动化程度更高，且可通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配，缩短生产和开发周期；不存在漏油问题，减小对环境的污染。正是有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，正逐步挑战已具有50多年历史的液压转向系统。

但EPS与液压动力转向系统相比，可能存在噪声相对较大的缺点，驾驶员在转动方向盘时，可能产生令人不适的异响。根据研究，这些异响主要由电磁噪声、连接件间隙撞击噪声、摩擦噪声等组成[2]。电磁噪声可通过结构设计、材料选择和工艺控制加以解决[3]，连接件间隙也可采取结构和工艺改进加以消除或减小。当电磁噪声和撞击噪声降低后，摩擦噪声往往成为令人不适的主要异响。

某型EPS在转动方向盘时会产生明显间断性异响，影响驾乘人员的乘坐舒适性。需要在对该助力转向系统进行噪声、振动测试基础上，掌握异响产生原因，并采取针对性的降噪措施，以消除异响。

1 噪声源的识别

确定噪声源，是噪声控制的基础。为准确判断该型EPS产生异响的原因，采用了主观评价与客观实测数据分析相结合，实验手段与信号处理相结合的研究方法。

1.1 EPS噪声的时频特性

驾驶员操作转向系统是一种非稳定的时变过程。因此，要掌握EPS噪声的基本特性，不能单纯采用时域或频域分析方法，必须采用小波分析等时频域分析方法，才能揭示噪声信号在时变过程中的频率特性，清晰反映出可能与异响相对应的信号。

图1为EPS噪声时域信号和频谱图，图2为EPS噪声的时频域信号（小波变换色谱图）。时域信号由于各种频率信号的叠加，难以看出规律；频域信号则是整个采样周期内的频域能量分布，也不能直观反映间断性异响所对应局部时段的频率特性。而在小波变换所得到的色谱图中，各局部时段的频率特性可清晰地表现出来。例如，在色谱图的0.3 s附近时段，可清晰观察到900 Hz左右的频率成分很突出；在色谱图的1.2 s附近时段，可清晰观察到1 700 Hz左右的频率成分明显，这种在局部时段凸现的频率成分，在主观听觉上，可能感觉为间断性的异响。

1.2 异响的主观评价

为进一步判明在转动方向盘时异响的时频特性，即确定异响的频率范围和时间延续特性。利用西南交通大学汽车工程研究所开发的“噪声主观评价软件”，将噪声测试结果还原为音频信号，并根据色谱图反映的信号时频特性，对信号进行了时域局部取样和频域低通、高通、带通、带阻处理，与合作企业专业听音师共同确定了EPS所产生的明显间断性异响，主要对应于色谱图中的900 Hz和1 700 Hz附近频段。

电机在转动方向盘时所产生的异响之所以使人感到烦恼，在于某一（些）特定单调频率的声级较大且持续一定时间。下图为转动方向盘持续产生的频率在900 Hz、1 700 Hz附近的异响

图1 EPS噪声的时域信号和频谱图

图2 EPS噪声的小波变换色谱图

1.3 噪声源的确定

在电磁噪声和连接件撞击噪声降低后，仍存在的异响很可能是换向器与电刷接触表面上的摩擦作用而产生的摩擦噪声。即由电刷与换向器接触表面产生的宽频摩擦力，作用在电机外壳及附近部件上，激起部件结构振动所辐射的噪声。特别是当宽频摩擦力的某些激励频率与部件固有频率接近时，由于共振作用，振动和噪声明显放大，产生被人主观感觉到的异响。下图为与图3和图4同步采集的电机外壳振动信号频谱图，从中可见与噪声频率完全对应的900 Hz和1 700 Hz成分，说明所谓“异响”可能是电机外壳及附近部件振动所辐射的噪声。

图3 转动方向盘时在0.3s附近时段产生的异响频率成分，900 Hz和1 700 Hz

为进一步确定噪声激励源和辐射源，分别进行了消除电机电刷摩擦力和去除电机外壳等情况下的噪声测试。

首先去除电刷弹簧，电刷与换向器脱离接触，这时转动方向盘，主观感觉也已无异响。分析噪声、振动信号，所产生的噪声成分中已没有900 Hz和1 700 Hz等明显峰值。去除电刷弹簧后，电刷与换向器的摩擦力不复存在，所引起的电机外壳等部件振动所辐射摩擦噪声自然消除。这时异响消失，说明异响的激励源主要是电刷与换向器的摩擦力。

图5 同步采集的电机外壳振动信号频谱图

然后对电机去除外壳，转动方向盘，主观感觉到原有的单频异响也不存在，但能听到更尖锐（频率更高）的声音。分析噪声信号，图7所示频谱图呈明显的宽频特征，图2中的900 Hz和1 700 Hz等异响成分在图7中已基本不存在，说明900 Hz和1 700 Hz等异响成分与外壳结构共振所辐射噪声有关。图7中频率成分主要在2 000～8 000 Hz频率范围内，这种噪声可能与持续变动的宽频载荷（如摩擦或冲击）激励电机转子等部件有关。在装上电机外壳后，由于外壳的隔声作用，故此时频率在2 000～8 000 Hz范围内的噪声已不明显。

图6 消除电机电刷摩擦力后的噪声小波变换色谱图

综上所述，该型电动助力转向系统电机产生噪声的原因，主要是电刷与换向器的摩擦力传递到电机外壳及附近部件上，激起部件振动所辐射的噪声。当宽频的激励频率与部件固有频率接近时，由于共振作用，振动和噪声明显放大，产生异响。

2 影响摩擦噪声的因素及降噪措施

根据以上分析，要控制该型电动助力转向系统电机产生的异响，应从噪声激励源和辐射源两方面着手，即一方面设法减小电刷与换向器的摩擦力，另一方面在提高电机外壳刚度等方面采取措施。

根据摩擦力产生的一般理论，滑动接触的两个面上实际是很多个别点的接触，在这些点上接触应力是相当高的，一般都超过材料的屈服点，从而发生材料的局部“胶合”，随着相对运动它又被“撕开”，在摩擦面上始终存在着这种“动平衡”的过程，就是它形成了摩擦振动与噪声的激励源。研究表明[4]，与电刷摩擦力有关的主要因素是：

图7 去除电机外壳后的噪声小波变换色谱图

(1)换向器表面的加工粗糙度与硬度。换向片宜用镉铜制造，电刷要适当软一些，这样噪声较低。换向器表面用金刚钻刀具最后加工可显著降低粗糙度，切忌用金刚砂抛光表面，以免砂粒残留在表面，加速电刷摩损，使噪声增大。换向器表面切忌油污，影响换向器表面形成的正常氧化膜，使噪声加大；

(2)电刷的质量。电刷伸出刷握的部分相当于一个悬臂，因此刷架离换向器表面距离大，电刷摆动也大，一般控制在1.5 mm左右。刷握固定在刷握板上，刷握板的动刚度不能太差，更要避免共振。电刷和刷握的配合间隙，尤其是切向的。一般要求控制在0.05～0.1 mm，最多0.2 mm；

(3)换向器表面的径向跳动量与沟槽宽度；

(4)电刷的压力，一般以400～450 g/cm2为宜。

针对上述与电刷摩擦力有关的主要因素，结合生产工艺性和技术经济指标，对该型电动助力转向系统电机，采用了改善换向器表面的加工粗糙度和润滑条件、调整电刷压力、降低接触元件表面硬度等减小摩擦激振力的措施。

另外，为提高电机外壳刚度，采取了提高电机外壳与磁钢粘合强度、增加电机外壳厚度等措施。

3 实验验证

电机采取上述措施改进后，对改进样机进行了测试。实验时主观基本感觉不到单调的异响声，甚至已明显优于国外同类进口样机。图8所示改进后EPS噪声的小波变换色谱图中，噪声异响成分幅值和频率集中程度较改进前明显减少，900 Hz和1 700 Hz附近的异响成分幅值已很小，最大单频成分幅值仅为改进前的1/8。实验结果验证了噪声源分析的正确性和降噪措施的有效性。

4 结语

(1)该型EPS电机在转动方向盘时所产生的异响之所以使人感到烦恼，在于900 Hz、1 700 Hz单调频率的声级较大且持续一定时间；

(2)该型电动助力转向系统电机产生噪声的原因，主要是电刷与换向器的摩擦力传递到电机外壳及附近部件上，激起部件振动所辐射的噪声。当宽频的激励频率与部件固有频率接近时，由于共振作用，振动和噪声明显放大，产生异响；

图8 电机改进后EPS噪声的小波变换色谱图

图9 使用进口电机的EPS噪声的小波变换色谱图

(3)对该型电动助力转向系统电机，采用减小摩擦激振力和提高电机外壳刚度的措施后，900 Hz和1 700 Hz附近的异响成分幅值明显减小，主观感觉明显改善。

[1]马葳，过学迅，杨胜兵.基于转向盘角速度的电动助力转向系统回正控制[J].湖北汽车工程学院学报，2010，03.

[2]桑帅军，董大伟，闫兵，涂启养.某型电动助力转向系统振动噪声测试分析[J].机械工程与自动化，2011.

[3]刘敏.汽车交流发电机噪声振动特性的实验研究[D].成都：西南交通大学硕士学位论文，2010.

[4]陈永校，诸自强，应善成.电机的噪声和振动[M].浙江：浙江大学出版，1987.