C-EPS電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響解決方案

楊偉,趙志元

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心, 河北保定 071000;2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定 071000)

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C-EPS電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響解決方案

楊偉1，2,趙志元1，2

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心, 河北保定 071000;2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定 071000)

從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各零部件配合間隙尺寸，相關(guān)聯(lián)零部件剛度、硬度等角度出發(fā)，舉例闡述、剖析系統(tǒng)異響問(wèn)題及其優(yōu)化方案,為解決轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響類問(wèn)題提供依據(jù)與參考實(shí)例。

C-EPS電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng);配合間隙;異響;優(yōu)化方案

0　引言

異響和漏油為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身存在的兩大疑難性問(wèn)題。C-EPS電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖將漏油問(wèn)題直接規(guī)避，但是異響卻造成后序客戶強(qiáng)烈抱怨，更有甚者導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)配合零部件早期磨損與失效。因此如何降低或抑制異響問(wèn)題，成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工程師燃眉之急與不斷努力的方向。

1　問(wèn)題描述解析

如圖1所示，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由C-EPS轉(zhuǎn)向管柱總成、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸總成、機(jī)械轉(zhuǎn)向器總成。

從圖2可以看出：輪胎受顛簸路路感逆向沖擊，通過(guò)球頭連接傳至轉(zhuǎn)向器齒條；齒條沿軸向方向左右位移，被花鍵連接傳至上部，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸、管柱轉(zhuǎn)軸繞軸線左右高頻擺動(dòng)。系統(tǒng)間各個(gè)配合間隙相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生異響。

2　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)闡述

首先確認(rèn)各個(gè)配合連接，如：方向盤(pán)與管柱花鍵、管柱與傳動(dòng)軸、傳動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向器花鍵、轉(zhuǎn)向器左右拉桿與球頭螺紋等連接是否牢固，不允許出現(xiàn)松曠、松動(dòng)現(xiàn)象。確認(rèn)外部相關(guān)聯(lián)部分無(wú)問(wèn)題后再按照?qǐng)D3進(jìn)行內(nèi)部詳細(xì)分析。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析之前首要工作為：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要零部件振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采集。通過(guò)在不同位置安裝加速度傳感器測(cè)試發(fā)現(xiàn)(如圖4所示)：轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸振動(dòng)波形最早出現(xiàn)，其次為轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向管柱，異響大小取決于各個(gè)單獨(dú)零部件不同貢獻(xiàn)量。作者按照此順序?qū)D(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠產(chǎn)生間隙部位進(jìn)行詳細(xì)剖析。

(1)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)間隙、剛度

扭轉(zhuǎn)剛度、扭轉(zhuǎn)間隙是轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸異響產(chǎn)生的直接原因。如圖5中標(biāo)示部分為伸縮尼龍花鍵。排查生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)：壓裝轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸時(shí)，卡具卡緊軸管工作區(qū)域，導(dǎo)致軸管輕微變形，產(chǎn)生異響。

通過(guò)調(diào)整傳動(dòng)軸節(jié)叉與軸管壓裝時(shí)卡具卡緊軸管的位置，在軸管花鍵非工作區(qū)域卡緊。規(guī)避微觀變形對(duì)異響的影響。

對(duì)比表1可以發(fā)現(xiàn)：更改后樣件整體剛度和間隙性能表現(xiàn)優(yōu)于更改前狀態(tài)，特別是在0～2N·m段，滑動(dòng)副和總成的剛度要明顯優(yōu)于優(yōu)化前狀態(tài)，同時(shí)總成間隙也要小許多。

表1　　　　調(diào)整傳動(dòng)軸節(jié)叉與軸管壓裝時(shí)卡具卡緊軸管的位置前后關(guān)鍵參數(shù)的變化

“0～2N·m段”的剛度通常反映的是車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)On-Center(不轉(zhuǎn)向或小角度轉(zhuǎn)向)時(shí)的工況，是駕駛員駕駛時(shí)最常見(jiàn)的情況，其主要考察的就是傳動(dòng)軸滑動(dòng)副(注塑部分)的剛度。例如福特、日產(chǎn)及TRW等高端客戶都會(huì)重點(diǎn)關(guān)注中間軸在0～2N·m段的剛度表現(xiàn)。這是因?yàn)樽⑺荦X的剛度較難提升(對(duì)零件精度及注塑控制工藝要求高)，但卻直接影響到產(chǎn)品的后期使用反饋。

管柱助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的要求較苛刻。設(shè)計(jì)之初可以采用滾珠式傳動(dòng)設(shè)計(jì)(如圖6所示)。此種設(shè)計(jì)間隙可以降至5′以下，用于承受高扭矩。還可消除使用不當(dāng)造成的早期磨損現(xiàn)象,提高零部件可靠耐久性能。

(2)轉(zhuǎn)向器齒條支撐套“O”形圈

轉(zhuǎn)向器齒條支撐套“O”形圈硬度由NBR70提高至NBR90，如圖7所示。為保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)齒條襯套部位在顛簸路面表現(xiàn)優(yōu)良，目前主流供應(yīng)商(如采埃孚、TRW等)在此部位都由單“O”形圈變更為雙“O”形圈設(shè)計(jì)，以降低顛簸路面齒條徑向晃動(dòng)量，減小齒條襯套與轉(zhuǎn)向機(jī)殼體敲擊異響。根據(jù)驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)類推，提高“O”形圈橡膠硬度與減小“O”形圈環(huán)槽徑向尺寸都能夠達(dá)到減小晃動(dòng)量的效果。

(3)轉(zhuǎn)向器調(diào)整體組合方案

導(dǎo)致顛簸路異響問(wèn)題原因之中，轉(zhuǎn)向器齒輪齒條嚙合間隙是其中重要的一環(huán)。如圖8所示：螺旋彈簧、膜片彈簧作用與原理一樣，提供彈簧預(yù)緊力。預(yù)緊力壓緊調(diào)整體，緩解顛簸路高頻快速換向過(guò)程中調(diào)整體與齒條受徑向力作用撞擊產(chǎn)生的金屬異響。如表2所示：同樣的嚙合間隙,不同狀態(tài)彈簧提供的預(yù)緊力也不一樣。

與齒條支撐套“O”形圈原理一樣，調(diào)整體部位更改為雙“O”形圈，同樣有助于緩解壓塊外側(cè)對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)殼體的撞擊異響。

(4)管柱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)增加預(yù)載彈簧

在傳感器單元總成里，如圖9所示：波形彈簧與端蓋和封油盤(pán)直接接觸；端蓋通過(guò)螺栓固定于伺服電機(jī)殼體上。封油盤(pán)內(nèi)圈與軸承過(guò)盈配合，封油盤(pán)外圈與殼體間隙配合(間隙量0.012～0.082mm)，軸承與輸出軸間隙配合(間隙量0.015～0.028mm)。

為保證蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)正常嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)而不至于卡死，設(shè)計(jì)時(shí)兩者之間會(huì)預(yù)留一定的間隙量。如圖10所示：在負(fù)載條件下轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，蝸輪受切向力轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)還受輸出軸處傳來(lái)的徑向力F，因配合間隙的存在蝸輪將產(chǎn)生輕微的蠕動(dòng)，造成封油盤(pán)與預(yù)載彈簧之間也隨之發(fā)生蠕動(dòng)。

預(yù)載彈簧依靠自身彈力壓緊封油盤(pán)，若預(yù)載彈簧彈力不足，將無(wú)法壓緊封油盤(pán)，無(wú)法遏制兩者之間的蠕動(dòng)。起步時(shí)整車帶動(dòng)管柱振動(dòng)，封油盤(pán)與殼體配合位置敲擊發(fā)出異響。

類似緩解蠕動(dòng)敲擊異響的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有：普通波形彈簧、裹塑波形彈簧、橡膠彈簧等，它們的優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。

表3　緩解蠕動(dòng)敲擊異響設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

(5)管柱蝸桿襯套間隙、自動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

圖11中襯套內(nèi)外圈設(shè)計(jì)間隙為1mm。

蝸桿高速旋轉(zhuǎn)徑向跳動(dòng)，襯套位置產(chǎn)生撞擊音。經(jīng)過(guò)多次的實(shí)車優(yōu)化驗(yàn)證，將此間隙減小至0.8mm，主觀評(píng)價(jià)能夠有效降低撞擊音。

通過(guò)橫展對(duì)標(biāo)，管柱蝸桿間隙(如圖12所示)還有如下幾種設(shè)計(jì)：其設(shè)計(jì)原理同為依靠彈簧彈力自動(dòng)對(duì)襯套間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)。此類結(jié)構(gòu)間隙保持在一定范圍內(nèi)，能夠彌補(bǔ)襯套結(jié)構(gòu)早期磨損產(chǎn)生的不足。因此越來(lái)越多的主流供應(yīng)商采用這類自動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)，以滿足越來(lái)越苛刻的安全、穩(wěn)定的市場(chǎng)需求。

(6)管柱扭桿滾針軸承配合尺寸

管柱扭桿滾針軸承配合如圖13所示。軸承外圈與輸入軸過(guò)盈配合，內(nèi)圈與扭桿間隙配合。配合間隙設(shè)計(jì)大小直接導(dǎo)致整車異響程度不同。

由于滾針軸承內(nèi)徑與扭桿外徑配合間隙大導(dǎo)致異響，通過(guò)3個(gè)階段兩次優(yōu)化，如表4所示：故障發(fā)生頻次明顯降低(金屬與金屬材質(zhì)接觸)。扭桿與滾針軸承的配合間隙為0.002～0.02mm，已經(jīng)接近0間隙，無(wú)進(jìn)一步優(yōu)化空間。

改變問(wèn)題思路，從異響接觸部位配合材質(zhì)考慮，如表5所示：將滾針軸承結(jié)構(gòu)更改為滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)?；瑒?dòng)軸承內(nèi)表面為聚四氟乙烯(PTFE)(類似于塑料的材質(zhì)),自潤(rùn)滑厚度為0.3～0.5mm。

表5　軸承結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的優(yōu)化

(7)管柱蝸輪蝸桿中心距減小

蝸輪蝸桿嚙合間隙設(shè)計(jì)不合理，也會(huì)導(dǎo)致顛簸路碰撞異響。如圖14所示，將中心距減小(由52.67mm減小至52.62mm)，嚙合面積增大，對(duì)異響有一定的改善作用。

(8)副車架轉(zhuǎn)向器安裝支架剛度加強(qiáng)

系統(tǒng)受路面逆向沖擊，由于副車架轉(zhuǎn)向器安裝支架剛度低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器輸入軸受到?jīng)_擊后產(chǎn)生擺動(dòng)，輸入軸擺動(dòng)帶動(dòng)管柱下軸承軸向曠動(dòng)，產(chǎn)生異響。

增加副車架轉(zhuǎn)向器安裝支架剛度如圖15所示：更改轉(zhuǎn)向器安裝支架形狀，支架翻邊，增加錐度(11°)，料厚由2.5mm變更為4mm，都可以加強(qiáng)剛度，有效消除管柱下軸承竄動(dòng)引發(fā)的異響問(wèn)題。改進(jìn)結(jié)果見(jiàn)表6。

3　總結(jié)

從以上問(wèn)題的整改過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)：異響問(wèn)題主要為零部件、系統(tǒng)、相關(guān)聯(lián)零部件配合間隙導(dǎo)致的。作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師，這些細(xì)節(jié)是必須控制和注意的。

問(wèn)題處理時(shí)要以實(shí)際確認(rèn)的故障現(xiàn)象為導(dǎo)向,并結(jié)合以往車型開(kāi)發(fā)提供的例證、經(jīng)驗(yàn)深層次挖掘分析，快速有效地解決問(wèn)題，力爭(zhēng)將問(wèn)題規(guī)避于設(shè)計(jì)之初。

顛簸路、壞路異響是一個(gè)系統(tǒng)、綜合性問(wèn)題，并且在車輛評(píng)定過(guò)程中人為主觀影響因素較大。因此整改過(guò)程中，應(yīng)該以數(shù)據(jù)測(cè)量與主觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式綜合評(píng)定。

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SolutionfortheAbnormalSoundProblemoftheEletricPowerSteeringSystem(C-EPS)

YANGWei1，2,ZHAOZhiyuan1，2

(1.Research&DevelopmentCenterofGreatWallMotorCompany,BaodingHebei071000,China;2.AutomotiveEngineeringTechnicalCenterofHebei，BaodingHebei071000,China)

Thesteeringsystemabnormalsoundproblemanditsoptimizedsolutionswerediscussedfromthepointsofthefitclearancebetweenthesteeringsystemparts,thecomponentstiffnessandhardness.Itprovidesbasisandreferenceforsolvingtheabnormalsoundproblemofthesteeringsystem.

C-EPSelectricpowersteeringsystem;Fitclearance;Abnormalsound;Optimizedsolution

2016-03-14

楊偉(1981—)，助理工程師，大學(xué)?？?，主要從事轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開(kāi)發(fā)匹配研究。E-mail:41711525@qq.com。

U463.43

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1674-1986(2016)07-073-06