汽車轉(zhuǎn)向粘滯異響機(jī)理分析及控制研究

梁阿南　彭鋒　岳法　丁寧　王麗永

摘要：本論文以汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向粘滯異響為重點，進(jìn)行深入研究。針對粘滯異響的模式、機(jī)理和控制方法等方面進(jìn)行剖析，提出管控策略。為新車型研發(fā)提供參考，減少客戶抱怨，降低轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)粘滯異響的風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：車輛;轉(zhuǎn)向系統(tǒng);異響機(jī)理;控制方法;粘滯異響

中圖分類號：U472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0前言

轉(zhuǎn)向異響作為用戶最容易感知的一種問題，在近些年客戶的投訴案件中占比越來越高，如何降低用戶對轉(zhuǎn)向過程中出現(xiàn)的各類異響的感知，從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的根本上預(yù)防該類異響，成為了各大主機(jī)廠商所亟需解決的問題。作為用戶感受最為直接、體驗最受影響的一類異響，粘滯異響成為了開發(fā)人員普遍關(guān)注與研究的對象。本論文就以粘滯異響作為研究重點，從異響現(xiàn)象、異響機(jī)理和異響控制方法3個主要方面進(jìn)行深入的剖析。l轉(zhuǎn)向粘滯異響現(xiàn)象及機(jī)理分析

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的粘滯異響通常發(fā)生在蝸輪與蝸桿嚙合的過程中，即蝸桿與蝸輪通過面運動副，在傳遞扭矩的過程中，接觸面間由于摩擦運動而產(chǎn)生的一種異常的聲響。粘滯異響（圖1）是由于物體粘滑（Stick-slip）運動產(chǎn)生的。由于電動助力轉(zhuǎn)向管柱的蝸輪蝸桿，相互接觸的表面之問產(chǎn)生相對運動，其接觸面彈性變形會儲存能力。當(dāng)靜摩擦超過動摩擦?xí)r這種能量就會釋放，轉(zhuǎn)向時因而產(chǎn)生類似“嘰嘰”的聲音。

轉(zhuǎn)向粘滯異響不僅影響車輛舒適性，對操縱穩(wěn)定性也會產(chǎn)生影響。因此在車輛開發(fā)階段，控制轉(zhuǎn)向粘滯異響問題尤為重要。

粘滑現(xiàn)象可表現(xiàn)為系統(tǒng)之間靜動摩擦系數(shù)的跳變。在系統(tǒng)靜動摩擦轉(zhuǎn)換的瞬問，由于加速度變化會造成沖擊振動，繼而產(chǎn)生噪聲。轉(zhuǎn)向粘滯異響是低頻率下發(fā)生的，但異響伴隨的低頻粘滑運動產(chǎn)生的振動能夠釋放出高頻噪聲（圖2）。根據(jù)粘滑原理可知，造成粘滑現(xiàn)象的主要因素有：粘滯滑動產(chǎn)生的接觸壓力（載荷）、滑動速度、表面特征、材料屬性、界面接觸的時間（記憶摩擦）和摩擦系數(shù)等。其中摩擦系數(shù)用于表征和分析粘滯運動，是決定摩擦力的最重要因素。

2電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)粘滯異響分析

2.1電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)成為乘用車的標(biāo)準(zhǔn)配置，管柱助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于成本優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用。管柱助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由上管柱、減速機(jī)構(gòu)、控制器、電機(jī)、中間軸和機(jī)械式轉(zhuǎn)向器等部分組成（圖3）。系統(tǒng)控制單元主要由控制器、電機(jī)、扭矩/角度傳感器以及減速機(jī)構(gòu)組成。

駕駛員通過轉(zhuǎn)動方向盤，將扭矩傳遞給主軸扭桿，扭矩傳感器通過扭桿的變形，檢測的扭矩信號?？刂破魍ㄟ^采集扭矩信號、轉(zhuǎn)角信號和車速等信號，綜合計算相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)給電機(jī)。電機(jī)通過聯(lián)軸器將助力傳遞給蝸桿，蝸桿進(jìn)而帶動蝸輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動，電機(jī)助力最終傳遞給轉(zhuǎn)向器，拉動車輪使車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

2.2典型轉(zhuǎn)向粘滯異響問題分析排查

針對某車型路試測試階段發(fā)生的粘滯異響進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)向粘滯異響問題產(chǎn)生潛在原因有，系統(tǒng)裝配不規(guī)范、潤滑不良、嚙合表面不良、蝸輪尺寸超差、蝸桿表面結(jié)構(gòu)不利于油膜生成、蝸桿齒頂有銳邊、受外部沖擊和潤滑脂性能變化等。

通過對轉(zhuǎn)向粘滯異響潛在問題的逐一排查，運用質(zhì)量分析工具、科學(xué)的測試分析手段，最終確定導(dǎo)致該問題的原因為潤滑不良、蝸輪尺寸超差、蝸桿表面結(jié)構(gòu)不利于油膜生成和蝸桿齒頂有銳邊（圖4）。

2.3典型轉(zhuǎn)向粘滯異響問題解決方案

針對粘滯異響的產(chǎn)生原因，通過對粘滯異響的定量化測試，研究轉(zhuǎn)向部件的特性，尋求最佳解決方案。

（1）潤滑不良解決方案

改善前方案：輸出軸表面涂的防銹油進(jìn)入蝸桿之間的潤滑脂內(nèi)，從而使油脂潤滑效果降低，蝸輪蝸桿摩擦系數(shù)增加。

改善方案：采用對潤滑脂性能無不良影響的切削油代替原防銹油進(jìn)行防銹。

（2）蝸輪尺寸超差解決方案

改善前方案：采用4孔注塑工藝，導(dǎo)致蝸輪尺寸精度差。

改善方案：采用6孔注塑工藝，蝸輪尺寸精度提高，更改后的蝸輪盤總成嚙合面符合優(yōu)化設(shè)計要求

（3）蝸桿表面結(jié)構(gòu)不利于油膜生成問題解決方案

改善前方案：蝸桿表面光潔度高，不利于油脂存儲，產(chǎn)生鏡面摩擦效果。

改善方案：在蝸桿加工過程中，提高蝸桿表面粗糙度，提升油脂存儲空間。

（4）蝸桿齒頂銳邊解決方案

改善前方案：蝸桿齒頂銳邊造成表面劃痕，導(dǎo)致二者嚙合可能出現(xiàn)機(jī)械卡滯。

改善方案：蝸桿齒頂改為圓角設(shè)計，消除機(jī)械粘滯隱患。

2.4軟件補(bǔ)償策略

為快速解決問題，縮短整改周期，在以上措施實施的同時，可進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件功能調(diào)整，采用粘滯補(bǔ)償軟件對粘滯過程中伴隨的力矩突變進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)前電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有基礎(chǔ)助力、摩擦補(bǔ)償、回正補(bǔ)償、慣性補(bǔ)償以及阻尼補(bǔ)償?shù)裙δ?，?/p>

于粘滯補(bǔ)償多通過提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)渦輪蝸桿的配合質(zhì)量來提升。軟件補(bǔ)償策略是采用電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電控特性，開發(fā)出的具有粘滯補(bǔ)償功能的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)策略（圖5）。

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，感知方向盤轉(zhuǎn)角大小及轉(zhuǎn)角方向并發(fā)送轉(zhuǎn)角信號。扭矩傳感器，感知方向盤扭矩大小及扭矩方向并發(fā)送扭矩信號。EPS系統(tǒng)接受CAN總線上車速信號，作為邏輯判斷依據(jù)。

電子控制單元ECU根據(jù)不同的方向盤角度大小和方向、車速轉(zhuǎn)速大小、方向盤扭矩大小以及電動轉(zhuǎn)向管柱啟動扭矩，邏輯判讀當(dāng)前力矩變動是否處于規(guī)定閥值內(nèi)，進(jìn)行相關(guān)條件的篩選。然后通過運算的應(yīng)用，計算出不同的粘滯補(bǔ)償電流值，提供不同的助力電流供電機(jī)使用。

當(dāng)方向盤在T時間內(nèi)扭矩變化小于K（K為單位時間內(nèi)方向盤扭矩變化量，單位為N·m/s）時，粘滯補(bǔ)償功能退出;當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)角大于等于90°時，在T時間內(nèi)扭矩變化大于等于K時，EPS系統(tǒng)報警，助力降級（圖6）。

3轉(zhuǎn)向粘滯異響的臺架驗證

對優(yōu)化前后的樣件進(jìn)行轉(zhuǎn)向粘滯異響臺架驗證，在粘滯異響部分加裝加速度傳感器測量異響振動數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)表明，樣件優(yōu)化后轉(zhuǎn)向粘滯異響消除，振動加速度改善效果明顯（圖7和圖8）。

4總結(jié)

本文基于物體粘滑現(xiàn)象原理，通過對轉(zhuǎn)向粘滯問題潛在原因的全面分析、逐項排查并試驗驗證，最終確定問題的根本原因為潤滑不良、蝸輪尺寸超差、蝸桿表面結(jié)構(gòu)不利于油膜生成以及蝸桿齒頂有銳邊等綜合因素。最后通過優(yōu)化潤滑工藝，改變蝸桿表面結(jié)構(gòu)，優(yōu)化機(jī)構(gòu)及加工工藝，以及優(yōu)化蝸桿齒頂結(jié)構(gòu)等多方面措施，解決了轉(zhuǎn)向粘滯異響問題。

此問題的成功解決，一方面為后續(xù)配備電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)車型的開發(fā)積累了寶貴的經(jīng)驗，為后續(xù)質(zhì)量問題的處理提供了一套完整的問題排查流程;另一方面，提升了整車質(zhì)量水平，提高了用戶的滿意度。