通過(guò)球軸承改進(jìn)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)向噪聲的優(yōu)化

張學(xué)斌

（上海博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司 201821)

1 問(wèn)題分析

1.1 噪聲發(fā)生的原因

機(jī)械結(jié)構(gòu)中存在必要的間隙，運(yùn)動(dòng)中互相的碰撞發(fā)生振動(dòng)，導(dǎo)致了噪聲的產(chǎn)生。機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的核心區(qū)域是齒輪齒條嚙合區(qū)，因此對(duì)齒輪齒條嚙合位置進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在有2處位置存在間隙，分別為球軸承與壓塊間隙，2種間隙均會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向噪聲產(chǎn)生直接的影響。壓塊間隙直接決定嚙合區(qū)域的間隙，但涉及到移動(dòng)力的控制問(wèn)題，只能尋找一個(gè)平衡點(diǎn)；球軸承間隙直接影響小齒輪的擺動(dòng)量，更小的擺動(dòng)量可以減小振動(dòng)能量。本文主要闡述球軸承間隙對(duì)噪聲的影響，以及相對(duì)應(yīng)的改進(jìn)措施。

1.2 利用振動(dòng)加速度傳感器確認(rèn)振動(dòng)源

在試驗(yàn)室利用橡膠阻尼塊與環(huán)形夾具模擬整車(chē)狀態(tài)，橡膠阻尼塊模擬整車(chē)的摩擦阻力，環(huán)形夾具模擬整車(chē)的轉(zhuǎn)向機(jī)搭建角度。并利用專業(yè)NVH設(shè)備與振動(dòng)加速度傳感器更客觀、準(zhǔn)確地得到撞擊振動(dòng)的大小。

根據(jù)噪聲源可能產(chǎn)生的位置，筆者分別將振動(dòng)加速度傳感器安裝在壓塊外殼體位置、支撐襯套外殼體位置以及嚙合位置外殼體位置進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法是方向盤(pán)在±40°區(qū)域內(nèi)連續(xù)來(lái)回?fù)Q向，并保持力度大小均勻。用專業(yè)的噪聲采集設(shè)備進(jìn)行采集和分析工作。

測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓塊外殼體位置與嚙合位置外殼體位置的振動(dòng)加速度值更大，并且大小基本相同，但嚙合位置外殼體的振動(dòng)加速度波段出現(xiàn)的更早。因此這個(gè)位置的振動(dòng)產(chǎn)生更早，更有可能是振動(dòng)源產(chǎn)生的位置。實(shí)際的振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果確實(shí)與理論分析上保持一致。根據(jù)這一結(jié)果，開(kāi)始對(duì)球軸承性能、球軸承外圈以及內(nèi)圈配合進(jìn)行深入的分析（圖1）。

圖1 振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)

2 球軸承性能

目前機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)使用的球軸承是滾動(dòng)軸承的一種，軸承也是機(jī)械結(jié)構(gòu)中重要和關(guān)鍵的機(jī)械原件。在機(jī)械性能與使用壽命同時(shí)取決于所選擇的軸承時(shí)，從許多適用的變量中選擇出最優(yōu)的軸承往往是困難的。

2.1 軸承基本參數(shù)

機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)球軸承的輸入值需要考慮到諸多因素，如載荷、噪聲與力矩、偏心與剛度和使用壽命等。

2.2 機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)所需球軸承關(guān)鍵參數(shù)

就機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸球軸承來(lái)說(shuō)，機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)相對(duì)低轉(zhuǎn)速、低載荷的工況下，深溝球軸承在壽命、載荷和轉(zhuǎn)速等方面都能很好地滿足實(shí)際工作狀況的要求。而回到目前主要討論的噪聲和間隙問(wèn)題，球軸承的軸向和徑向游隙就會(huì)直接影響到整個(gè)小齒輪工作時(shí)的擺動(dòng)情況。滾動(dòng)軸承游隙在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，是一個(gè)可以影響軸承壽命、振動(dòng)、發(fā)熱和噪聲等的因素。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 軸承游隙與擺動(dòng)量的關(guān)系

根據(jù)上述理論分析的結(jié)果，對(duì)不同游隙的深溝球軸承進(jìn)行裝配分類(lèi)，并分別進(jìn)行擺動(dòng)量測(cè)試。待測(cè)試的軸承分為10 μm、20 μm、40 μm。在40 μm自由游隙的擺動(dòng)量曲線上看到，中間位置有明顯的間隙存在（圖2）

而在同樣力的作用的下，20 μm的中間擺動(dòng)量會(huì)明顯少很多（圖3）。

圖2 軸承游隙40 μm

圖3 軸承游隙20 μm

經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)確認(rèn)后，筆者得到的結(jié)論是，深溝球軸承游隙

圖2 支架壓鑄件鑄造缺陷預(yù)測(cè)

3.3 第二種方案

第一種方案中的澆筑缺陷，能夠通過(guò)提高鑄件激冷能力，使縮孔及容積得到降低。但是，鑄件自身的激冷能力較大，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)邊凝固或澆筑的情況，導(dǎo)致后注入的金屬補(bǔ)充液收縮量降低。那么，在具有一定壁厚鑄件的地方，第二種方案能夠利用局部水冷，將水冷替代原本的空冷，從而實(shí)現(xiàn)鑄件的指向性凝固[2]。

3.4 兩種方案的凝固鑄件節(jié)點(diǎn)溫度變化情況

通過(guò)以上描述表示，在鑄件凝固過(guò)程中能夠有效滿足需求的理想凝固就是指向性凝固，在第一個(gè)方案中逐漸節(jié)點(diǎn)凝固的順序比較混亂，以此無(wú)法得到質(zhì)量鑄件。在第二個(gè)方案中，是以局部冷卻為基礎(chǔ)，能夠提高鑄件中3個(gè)節(jié)點(diǎn)的冷卻速度，并且保證一定的凝固順序，不僅能夠使生產(chǎn)效率得到提高，還能夠提高鑄件的優(yōu)質(zhì)性[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

以CAE技術(shù)為基礎(chǔ)的鋁合金汽車(chē)支架壓鑄件工藝，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)具體方案，從而使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)周期得到縮短，使生產(chǎn)成本得到降低，提高產(chǎn)品質(zhì)量及性能。本文對(duì)CAE技術(shù)研究和數(shù)值模擬進(jìn)行全面分析，模擬了有水冷和沒(méi)有水冷的方案，對(duì)鑄件中不同部位節(jié)點(diǎn)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了全面研究，對(duì)鑄件中的缺陷進(jìn)行了深入分析。通過(guò)本文的分析結(jié)果可以看出來(lái)，在沒(méi)有設(shè)置水冷方案中，鋁合金的汽車(chē)支架在壓鑄過(guò)程中的凝固順序錯(cuò)亂，導(dǎo)致鑄件成型過(guò)程出現(xiàn)鑄造缺陷。在有水冷方案中，節(jié)點(diǎn)冷卻速度得到了提高，并且凝固順序良好，鑄造缺陷有所降低。