機(jī)械轉(zhuǎn)向器壞路異響優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊偉, 孫賓澤

(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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機(jī)械轉(zhuǎn)向器壞路異響優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊偉1，2, 孫賓澤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)

摘要：汽車異響問題一直是困擾每個(gè)廠家的難題，尤其是在車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其原因排查與方案驗(yàn)證更為困難。以轉(zhuǎn)向機(jī)壞路異響為例，層層剖析異響產(chǎn)生機(jī)制，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，提出優(yōu)化方案，最終解決轉(zhuǎn)向機(jī)壞路異響問題。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向器；壞路異響；失效機(jī)制;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0引言

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響是車輛在正常使用中最常見的一種故障，隨著駕乘人員對(duì)整車NVH舒適性要求越來越高，對(duì)于整車表現(xiàn)的要求也越來越嚴(yán)格。

1問題概述

自2015年4月份以來，轉(zhuǎn)向機(jī)壞路異響問題日益突出(見表1)，故將此問題作為零缺陷項(xiàng)目進(jìn)行立項(xiàng)解決。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由管柱、中間傳動(dòng)軸、機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)3個(gè)部分組成，如圖1所示。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)傳遞過程如圖2所示： 轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，扭桿受到來自轉(zhuǎn)向軸與輸入軸的扭矩產(chǎn)生變形，電子控制單元驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)提供助力到輸出軸，從而轉(zhuǎn)動(dòng)中間軸與轉(zhuǎn)向機(jī)的齒輪齒條機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)向；而當(dāng)在顛簸路上時(shí)，來自路面的激勵(lì)會(huì)通過輪胎對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生逆向沖擊。

2問題驗(yàn)證剖析

2.1故障原因可能性分析

隨機(jī)對(duì)售后返回的其中4臺(tái)故障件進(jìn)行裝車驗(yàn)證，結(jié)果見表2。

由實(shí)際裝車驗(yàn)證得出：故障再現(xiàn)件均表現(xiàn)為卵石路的“哐哐”異響。

將故障件系統(tǒng)(WOW)與正常件系統(tǒng)(BOB)分別拆解為：轉(zhuǎn)向管柱、中間傳動(dòng)軸及轉(zhuǎn)向機(jī)3個(gè)部分，進(jìn)行交互試驗(yàn)(主觀噪聲評(píng)估)驗(yàn)證，如圖3所示。通過以上試驗(yàn)得出轉(zhuǎn)向機(jī)是“哐哐”異響的異響源，需對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

通過互換驗(yàn)證分析，確認(rèn)異響聲源自轉(zhuǎn)向機(jī)總成。此“哐哐”異響是由于金屬零件直接碰撞產(chǎn)生，對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)各部件進(jìn)行分析，以下3點(diǎn)(見圖4)會(huì)導(dǎo)致該“哐哐”異響：(1)調(diào)整體內(nèi)壓塊、殼體碰撞；(2)轉(zhuǎn)向機(jī)齒條襯套與殼體撞擊；(3)橫拉桿球頭、球座碰撞。

汽車行駛過程中，如圖5所示，地面的沖擊通過車輪傳遞到齒條。過顛簸路面時(shí)，來自路面的劇烈沖擊傳遞到齒條后，如果齒條軸向、徑向擺幅過大，齒條帶動(dòng)壓塊在殼體孔內(nèi)運(yùn)動(dòng)碰撞產(chǎn)生“哐哐”異響。調(diào)整體結(jié)構(gòu)上，左端是利用壓塊壓力壓緊齒條，右端是通過齒條襯套貼緊齒條。

(1)壓塊間隙。通過調(diào)取缺陷件壓塊間隙出廠數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)值都小于0.08 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

(2)缺陷件襯套無法拆除(見圖6)，因此隨機(jī)從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)抽取50件襯套進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)均合格；并且齒條襯套本身為尼龍材質(zhì)，與殼體接觸部位還有減震隔噪雙“O”形圈結(jié)構(gòu)。由此可以基本排除此部位風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

(3)如圖7所示：橫拉桿球頭總成主要由拉桿球頭、球座以及球頭殼體壓鉚后組成。工作時(shí)拉桿連接車輪，當(dāng)車輪經(jīng)過顛簸路面，接受路面帶來的反沖擊力，如果拉桿球頭與球座間隙過大，拉桿球頭與球座就會(huì)撞擊產(chǎn)生“噠噠”異響，出廠時(shí)拉桿球頭間隙要求0.1 mm。將拉桿放置在專用的檢測(cè)設(shè)備上，夾緊施加±980 N的力，由傳感器自動(dòng)測(cè)量。檢測(cè)故障再現(xiàn)件的拉桿球頭間隙， 隨機(jī)抽取的4臺(tái)故障再現(xiàn)件拉桿球頭間隙檢測(cè)結(jié)果如表3所示：檢測(cè)間隙合格。檢測(cè)結(jié)果說明“哐哐”異響與拉桿球頭間隙無關(guān)，排除拉桿球頭風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

2.2數(shù)據(jù)測(cè)試

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)分別在2015年6月10日和9月6日將異響件WOW與正常件BOB安裝在同一整車上進(jìn)行NVH振動(dòng)加速度對(duì)比測(cè)試，貼片位置如圖8所示。

(1)6月10日測(cè)試數(shù)據(jù)(圖9)顯示：壓塊在殼體孔內(nèi)徑向振動(dòng)比較大。

(2)9月6日測(cè)試數(shù)據(jù)(圖10)顯示：壓塊在殼體孔內(nèi)軸向振動(dòng)比較大。

分別對(duì)壓塊徑向、軸向振動(dòng)大原因進(jìn)行深度剖析：

(1)壓塊徑向振動(dòng)大方面。主要是壓塊在殼體壓塊孔內(nèi)擺動(dòng)撞擊殼體內(nèi)壁所致。對(duì)缺陷件進(jìn)行相關(guān)零件尺寸測(cè)量，選取4例售后返廠件進(jìn)行拆解，測(cè)量壓塊外徑和殼體壓塊孔內(nèi)徑，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表4所示。

配合間隙Xmax=ES-ei=0.016-(-0.045)=0.061 mm

配合間隙Xmin=EI-es=0-(-0.025)=0.025 mm

表44個(gè)列返廠件尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)測(cè)量并結(jié)合圖11可以得出：缺陷件壓塊與殼體壓塊孔配合間隙都符合技術(shù)要求，但靠近上極限公差。

如圖12所示：轉(zhuǎn)向機(jī)在轉(zhuǎn)向時(shí)，齒輪與齒條相接處，接觸面小齒輪給齒條一垂直接觸力F1，使齒條在軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)與壓塊貼合。齒條在軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦力帶動(dòng)壓塊一起運(yùn)動(dòng)，壓塊下部與壓塊孔相碰；同時(shí)齒條在軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)有一扭矩F2，帶動(dòng)壓塊一起運(yùn)動(dòng)，造成壓塊與壓塊孔相碰；距離越遠(yuǎn)，速度越快，沖擊越大。壓塊總成上有兩個(gè)橡膠“O”形圈，起到一定支撐減震的作用。異響的出現(xiàn)說明“O”形圈未起到應(yīng)有的作用，需重新對(duì)尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

結(jié)論：收緊壓塊與壓塊孔間隙對(duì)壓塊徑向的擺幅有較大作用。

(2)壓塊軸向振動(dòng)大方面。主要是壓塊在殼體壓塊孔內(nèi)軸向間隙大，無法壓緊齒條，齒條在殼體孔內(nèi)徑向擺動(dòng)所致。

隨機(jī)調(diào)取4例故障件原始數(shù)據(jù)，見表5。功能測(cè)試臺(tái)工藝標(biāo)準(zhǔn)為壓塊間隙中間舒適區(qū)(±180°)小于0.08 mm。

表54例故障件壓塊舒適區(qū)間隙

結(jié)論：缺陷件間隙都符合工藝要求，但依然存在異響。

如圖13所示：膜片彈簧未裝配時(shí)為平面，通過調(diào)整螺母裝配到轉(zhuǎn)向器中，由壓塊中間凸臺(tái)頂住膜片使其產(chǎn)生彎曲，膜片彎曲后產(chǎn)生壓力F1使壓塊壓緊齒條與小齒輪，抑制齒條徑向擺動(dòng)。在相同彎曲程度下，收小壓塊處間隙可增加壓力f1，進(jìn)一步抑制齒條徑向擺動(dòng)從而改善軸向異響。

結(jié)論：收緊間隙對(duì)壓塊軸向擺幅有較大作用。

通過上述故障件失效數(shù)據(jù)測(cè)量及機(jī)制分析可得：整車在顛簸路上行駛時(shí)，由于壓塊軸、徑向擺幅大導(dǎo)致壓塊與壓塊孔碰撞而產(chǎn)生“哐哐”異響的原因?yàn)椋?1)壓塊與齒條間隙大；(2)壓塊與壓塊孔配合間隙大。

3問題優(yōu)化方案

通過對(duì)比分析轉(zhuǎn)向機(jī)同類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，為減小壓塊處間隙和壓塊與壓塊孔配合間隙，從而抑制壓塊軸、徑向擺幅大，制定如表6所示幾種驗(yàn)證方案。

并對(duì)以上驗(yàn)證方案進(jìn)行整車主觀噪聲評(píng)估(BI:主觀評(píng)分制)，評(píng)估結(jié)果如表7所示。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得出：壓塊間隙收緊到0.05 mm，壓塊O形圈槽增大0.02 mm為最優(yōu)組合。故需對(duì)齒條軸向、徑向配合尺寸重新進(jìn)行優(yōu)化，如圖14所示。

在轉(zhuǎn)向機(jī)齒條外殼體上貼加速度傳感器，對(duì)比優(yōu)化前、后產(chǎn)品在顛簸路況的檢測(cè)結(jié)果。如圖15所示，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向機(jī)齒條在顛簸路況下震動(dòng)微弱。

4總結(jié)

(1)通過轉(zhuǎn)向機(jī)壞路異響問題的改進(jìn)，問題系統(tǒng)分析能力有顯著提高；明確了異響的影響因素，完成了產(chǎn)品的改進(jìn)，提升了產(chǎn)品質(zhì)量；并且內(nèi)部橫展預(yù)防，提升了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)預(yù)防能力。(2)優(yōu)化完成后降低了車輛售后市場(chǎng)的反饋與索賠，減少了客戶抱怨的風(fēng)險(xiǎn)。

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Optimal Design for Bad Road Abnormal Sound of Mechanical Steering Gear

YANG Wei1，2，SUN Binze1，2

(1.R & D Center of Great Wall Motor Company，Baoding Hebei 071000,China；2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei，Baoding Hebei 071000,China)

Keywords:Steering gear; Bad road abnormal sound; Failure mechanism; Optimized design

Abstract:The abnormal sound problem of vehicle has always plagued each manufacturer. The investigation of the root causes and program verification are more difficult, especially the vehicle in motion. Taking the bad road abnormal sound of the steering gear as an example, the mechanism of the abnormal sound was analyzed step by step which was verified be experiments,an optimizing program was put forward. Finally,the problem of bad road abnormal sound of the steering gear was solved.

收稿日期：2015-12-20

作者簡(jiǎn)介：楊偉(1981—)，大學(xué)專科，助理工程師，主要從事轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)匹配研究。E-mail:41711525@qq.com。

中圖分類號(hào):U463.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)04-062-06