齒輪齒條式機械轉(zhuǎn)向器異響分析及改進

郭廷++黃巨成++卜萬里++張海源

摘 要：針對配備C-EPS（管柱助力式電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）轉(zhuǎn)向的車輛，行駛在特定路面時轉(zhuǎn)向機發(fā)出異響，通過臺架試驗甄別發(fā)生異響的部位，進行零部件優(yōu)化設計結(jié)構(gòu)，并對設計優(yōu)化結(jié)果進行試驗驗證并批量生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：C-EPS；齒輪齒條轉(zhuǎn)向機；異響

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A

自1988年日本鈴木公司首先在其小型轎車Cervo上裝備電動轉(zhuǎn)向以來，隨著電機和電控技術(shù)的發(fā)展，在國內(nèi)市場上銷售的車輛中EPS的裝車量在飛速增加。2008年EPS的裝車量為68萬輛，2009年為95萬輛，2010年為130萬輛，2016年EPS的裝車量超過1000萬輛，預計2020年場上銷售的車輛中EPS的裝車在90%以上。與液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）相比，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）具有節(jié)能（降低油耗0.3L/100km左右）環(huán)保（無更換液壓油引起的二次污染）以及更加優(yōu)異的操縱性能。但由于電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，在不平路面行駛時缺少液壓油的緩沖衰減，更容易導致在顛簸路面行駛時產(chǎn)生異響。

一、問題描述、分析與異響排查

1.問題描述

某款配備C-EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車型，在整車下線后進行的動態(tài)路試中，駕駛員以10km/h～15km/h的時速行駛在卵石路、凸凹路和鋼索路面時，駕駛員能夠聽到明顯、連續(xù)的rattle、click、clink異響， 同時伴隨著方向盤有明顯的振動沖擊出現(xiàn)。異響如果不能得到解決，后期一方面會引起客戶的強烈抱怨，另一方面也同時會導致EPS系統(tǒng)內(nèi)零部件異常磨損而導致整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障。

2.異響分析

如圖1所示，改款車型裝配的C-EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要構(gòu)成為：電動轉(zhuǎn)向管柱總成、中間軸總成、齒輪齒條機械轉(zhuǎn)向機總成。車輛行駛在卵石路、凸凹路和鋼索路面時，輪胎受到不平路面的逆向沖擊后，通過轉(zhuǎn)向拉桿的球頭傳遞到齒條，導致齒條在受到?jīng)_擊后左右移動；齒條的左右移動通過齒輪齒條的線角傳動改變?yōu)橹虚g軸和EPS管柱芯軸的旋轉(zhuǎn)運動。在不平路面產(chǎn)生振動的高頻激勵下，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部零部件的間隙在高頻沖擊下產(chǎn)生異響。

3.異響排查

首先確認零部件連接點是否配合到位：方向盤與轉(zhuǎn)向管柱花鍵緊固螺母、中間軸與轉(zhuǎn)向柱花鍵緊固螺栓、中間軸與轉(zhuǎn)向機輸入軸緊固螺栓、內(nèi)拉桿與外球頭緊固螺母、外球頭與轉(zhuǎn)向節(jié)緊固螺母以及底盤其他系統(tǒng)緊固件力矩。確認連接件無松動緊固到位后，進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析確認異響源頭。具體方法：在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件的不同位置（外球頭、齒條支撐端、齒條嚙合端、中間軸、EPS渦輪箱處等）設置振動加速度傳感器，記錄車輛在通過卵石路、凸凹路和鋼索路面時的音頻和加速度值，對比異響聲音出現(xiàn)時不同位置的加速度數(shù)值，確定異響源，如圖2所示。本文主要對轉(zhuǎn)向機在卵石路、凸凹路和鋼索路產(chǎn)生異響進行分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及試驗驗證。

二、齒輪齒條轉(zhuǎn)向機異響排查及驗證

1.故障件臺架測量

將轉(zhuǎn)向機帶橫拉桿總成以整車狀態(tài)固定在試驗臺上，將一慣性飛輪固定在轉(zhuǎn)向機輸入軸上，固定齒輪齒條嚙合端外球頭，在齒條襯套端施加特定載荷、頻率和波形的負載。在間隙調(diào)整托座和齒條支撐端安裝振動加速度傳感器，測量施加載荷后兩個位置的振動加速度，如圖3所示，測量結(jié)果如圖4所示。

故障件轉(zhuǎn)向機的間隙調(diào)整托座和齒條支撐端的振動加速度測量值與數(shù)據(jù)庫中不存在異響的其他車型轉(zhuǎn)向機相同位置的測量結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)此兩個位置的振動加速度峰值異常（較大），認定此轉(zhuǎn)向機調(diào)整托座和齒條支撐端結(jié)構(gòu)設計不合理，需要進行改進。同時發(fā)現(xiàn)調(diào)整托座處比齒條支撐襯套處振動加速度高點出現(xiàn)的頻率高和峰值大，說明異響主要來源于此，為重點改進方向。

2.改進方案及整車評價

車輛在卵石或其他不平路面行駛時，車輪受到路面激勵后，帶動齒條快速左右換向，齒條左右移動導致調(diào)整托座上下運動?，F(xiàn)結(jié)構(gòu)為調(diào)整托座與殼體有一個O型圈，調(diào)整托座在齒條移動導致的上下運動時，單O型圈結(jié)構(gòu)導向差，托座外周與殼體內(nèi)壁之間、托座端面與緊固螺塞摩擦或撞擊產(chǎn)生。改進方案為調(diào)整托座上的O型圈由一個增加為兩個，在調(diào)整托座和緊固螺塞之間增加一個O型圈，同時調(diào)整壓緊彈簧的剛度，如圖5所示。

齒條支撐端現(xiàn)結(jié)構(gòu)為單O型圈，此結(jié)構(gòu)支撐套的剛度不足，在路面激勵導致齒條的運動過程中，齒條在軸向和徑向都受到較大的力，支撐套的剛度不足在受力下變形，最終導致二者之間間隙過大產(chǎn)生振動異響。此處改進方案為：支撐套與殼體配合O型圈增加為兩個，增大支撐剛度，同時增加齒條與支撐套的過盈量，如圖6所示。

對調(diào)整托座增加O型圈、緊固螺塞端面O型圈、彈簧剛度、齒輪齒條嚙合間隙等方案進行DOE試驗，做出7套樣件進行整車卵石路、凹凸路、鋼索路面異響驗證，同時對整車的轉(zhuǎn)向性能（原地轉(zhuǎn)向力、中高速轉(zhuǎn)向力、低速和高速回正性能）進行了評價，最終選定調(diào)整托座雙O型圈、端面O型圈、彈簧剛度250、嚙合間隙0.07、齒條支撐端雙O型圈作為最終解決方案。驗證記錄及評價見表1。

3.性能耐久驗證

經(jīng)過整車路試和轉(zhuǎn)向性能評價確認最終的改進方案，在理論分析上存在轉(zhuǎn)向機下線和耐久的正逆驅(qū)動力不符合轉(zhuǎn)向機性能定義的風險。如何通過產(chǎn)品加工工藝參數(shù)和尺寸公差設置，需要經(jīng)過計算分析和臺架性能可靠性驗證。

公差尺寸和工藝參數(shù)的具體驗證過程不做詳細敘述，為了滿足間隙和轉(zhuǎn)向機正逆驅(qū)動力，工藝需做如下改進：如襯套端涂脂量≥8g、支撐座端涂脂量≥6g以達到輔助潤滑效果，與襯套、支撐座接觸的齒條齒面，粗糙度需≤Ra0.35以減少對支撐件的摩擦等。經(jīng)過工藝改進后，轉(zhuǎn)向機臺架試驗合格，見表2。

結(jié)語

為了解決EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機在卵石路、凸凹路和鋼索路產(chǎn)生rattle、click、clink異響，在試驗臺上完成了小載荷和大載荷兩種工況下的振動加速度試驗，進行了振動加速度的時域和頻域分析，得出異響產(chǎn)生的位置，并提出了優(yōu)化方案。并對優(yōu)化方案進行了臺架試驗和整車評價，效果良好。值得注意的是隨著客戶對汽車NVH性能的要求越來越高，作為工程師應該建立異響庫，建立設計規(guī)范和固化先進設計結(jié)構(gòu)，直接應用到新開發(fā)車型中，避免后期類似問題重復發(fā)生。

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