電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向管柱異響優(yōu)化及改進(jìn)

梁阿南 高健 彭鋒 岳法 丁寧 姜姍姍

摘 要：分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響產(chǎn)生機(jī)理并通過(guò)主觀評(píng)價(jià)及客觀測(cè)試確定異響源，并針對(duì)異響源進(jìn)行以減小間隙為導(dǎo)向的改進(jìn)，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后零部件進(jìn)行對(duì)比分析，該優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證及批量生產(chǎn)驗(yàn)證，且適用于同平臺(tái)車型。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向異響;客觀測(cè)試;主觀評(píng)價(jià);改進(jìn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U463.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）06-72-03

Absrtact： Analyze the mechanism of abnormal noise in steering system， and the abnormal noise source is determined by subjective evaluation and objective test， and the improvement guided by reducing gap is carried out， and are compare and analyze the parts and components before and after the optimization design. The optimization design has been verified by experiments and mass production， and is suitable for the same platform.

Keywords： Steering abnormal sound; Objective test; Subjective evaluation; Improved design

CLC NO.： U463.4 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）06-72-03

1 引言

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)是新能源汽車底盤(pán)性能研究及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將電子單元控制技術(shù)（ECU）和高性能的電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由電動(dòng)助力單元直接提供助力，并獲得最佳轉(zhuǎn)向特性的伺服系統(tǒng)，能顯著改善汽車駕駛性能，提高行駛中駕駛員的舒適性、減少環(huán)境的污染。但隨之而來(lái)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響也越來(lái)越明顯，一直是困擾汽車行業(yè)的技術(shù)難題，轉(zhuǎn)向異響的消除也是衡量汽車品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)。[1]目前通常采用設(shè)備測(cè)量方法輔助分析異響問(wèn)題，在試驗(yàn)驗(yàn)證階段需充分利用設(shè)備資源，確定轉(zhuǎn)向異響源頭。由于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定蝸輪蝸桿必然存在嚙合間隙，因此合理控制蝸輪蝸桿配合間隙及其它部位零部件配合，是解決電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響的有效途徑。

本文介分析了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問(wèn)題的原因，通過(guò)主觀評(píng)價(jià)及客觀測(cè)試，確定轉(zhuǎn)向異響部位。針對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行蝸輪蝸桿的間隙有效控制，在不降低轉(zhuǎn)向性能的基礎(chǔ)上，增加蝸桿壓力彈簧的預(yù)緊力，避免異響問(wèn)題出現(xiàn)。

2 機(jī)理分析

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向盤(pán)、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向器、電機(jī)、傳感器及控制器等組成，按電機(jī)布置形式分為轉(zhuǎn)向管柱助力式（Column-EPS，簡(jiǎn)稱C-EPS），小齒輪助力式（Pinion-EPS，簡(jiǎn)稱P-EPS），齒條助力式（Rack-EPS，簡(jiǎn)稱R-EPS）三種形式。C-EPS結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其轉(zhuǎn)向工作流程為，駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)扭桿，扭矩傳感器檢測(cè)扭桿轉(zhuǎn)動(dòng)并傳送到ECU，ECU依據(jù)扭矩和車速控制電機(jī)輸入電流，電機(jī)扭矩通過(guò)減速機(jī)構(gòu)傳遞給齒輪，轉(zhuǎn)向齒輪扭矩被轉(zhuǎn)換成齒條軸向力從而改變輪胎方向。C-EPS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電機(jī)和控制器可以布置在駕駛室內(nèi)，對(duì)電器元件的防水防塵等級(jí)要求較低。由于助力都經(jīng)過(guò)中間軸傳遞給轉(zhuǎn)向器，因此對(duì)中間軸的抗扭性能要求較高，一般適用于緊湊型及中小型車輛。

車輛行駛在不平路面時(shí)，車輪總成承受橫向沖擊載荷，橫向沖擊傳遞至轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件，系統(tǒng)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件碰撞會(huì)產(chǎn)生異響。該異響屬于碰撞異響，主要是指臨近或相互接觸的零部件在動(dòng)態(tài)載荷的作用下，相互敲擊產(chǎn)生的噪聲。碰撞異響原因?yàn)椴考叽缗浜喜划?dāng)，間隙大，緩沖不夠等。合理設(shè)計(jì)零部件之間間隙、增大安裝剛度、敲擊面緩沖隔振等，可以改善碰撞異響。

3 異響排查

某試驗(yàn)車通過(guò)顛簸路面，車速（15～20）km/h情況下，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)“噠噠”異響，且方向盤(pán)有振動(dòng)感。[2]試驗(yàn)工程師首先確認(rèn)零部件連接點(diǎn)是否配合到位：轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向管柱連接螺母、轉(zhuǎn)向管柱與儀表板橫梁間的連接、轉(zhuǎn)向柱下節(jié)叉與轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸緊固螺栓、內(nèi)拉桿與轉(zhuǎn)向器齒條端部螺紋、外球頭與轉(zhuǎn)向節(jié)開(kāi)槽螺母以及底盤(pán)其它系統(tǒng)緊固件力矩。排查無(wú)問(wèn)題后，采用設(shè)備測(cè)量確認(rèn)異響源頭。采用LMS數(shù)據(jù)采集主機(jī)、傳聲器、三向加速度器、聲學(xué)標(biāo)定器等設(shè)備進(jìn)行客觀加速度數(shù)據(jù)采集。測(cè)試部位為轉(zhuǎn)向器調(diào)整體及轉(zhuǎn)向器支持套粘貼加速度傳感器如圖2所示。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向管柱的噪音來(lái)源一般為蝸輪蝸桿嚙合部位，此部位布置兩個(gè)加速度傳感器，分別位于蝸桿端、蝸輪盤(pán)端如圖3所示。

在進(jìn)入測(cè)試路段前開(kāi)始采集時(shí)域數(shù)據(jù)，駛出測(cè)試路段后停止采集，重復(fù)采集3次，用LMS.TEST.LAB將數(shù)據(jù)時(shí)域波形整理出來(lái)，將4個(gè)振動(dòng)傳感器采集的數(shù)據(jù)采用相同 坐標(biāo)范圍，進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

通過(guò)客觀測(cè)試，可知轉(zhuǎn)向管柱蝸輪蝸桿處的振動(dòng)較大，確定為異響源。

4 改進(jìn)措施

經(jīng)前期排查分析，整車客觀測(cè)試顯示管柱蝸輪蝸桿處振動(dòng)大。經(jīng)理論分析，該異響是由于蝸輪蝸桿間隙大引起。該車型管柱蝸輪蝸桿間隙補(bǔ)償結(jié)構(gòu)（如圖5所示），通過(guò)兩種變更解決：

（1）蝸輪蝸桿彈簧壓力值由18N變更為25N，蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)中彈簧通過(guò)變形對(duì)擺桿產(chǎn)生壓力，該壓力通過(guò)限位擺桿傳遞到蝸桿，進(jìn)而將蝸桿壓向蝸輪。通過(guò)增大扭力彈簧的預(yù)緊力，可減小蝸輪蝸桿的軸向間隙。

（2）增加聯(lián)軸器軸向緩沖機(jī)構(gòu)（如圖6所示），可緩解顛簸路面對(duì)蝸輪、蝸桿的軸向沖擊力。

5 效果驗(yàn)證

將改進(jìn)后的管柱裝車進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)及客觀測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6。

通過(guò)增大彈簧的彈簧力及增加軸向緩沖兩項(xiàng)措施，有效的降低蝸輪蝸桿振動(dòng)加速，客觀加速度值降低50%，主觀評(píng)價(jià)異響消除。

6 結(jié)論

針對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱異響問(wèn)題，對(duì)造成該異響的因素進(jìn)行分析及排查，最終確認(rèn)異響根源是蝸輪蝸桿徑向、軸向間隙過(guò)大造成，合理控制間隙及增加軸向緩沖，可以使轉(zhuǎn)向管柱顛簸路異響問(wèn)題得到解決。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉慧建，李克峰，高家兵.C-EPS蝸輪蝸桿間隙對(duì)逆向沖擊異響影響仿真分析[J].客車技術(shù)2018.2.

[2] 郭廷，黃巨成，卜萬(wàn)里.齒輪齒條式機(jī)械轉(zhuǎn)向器異響分析與改進(jìn)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品2017.10;15.