中間軸異響分析及改進(jìn)

姜姍姍，蘇大軍，楊靖，岳法

（北京汽車股份有限公司，北京 101300）

引言

隨著汽車性能的不斷提高，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）已經(jīng)逐步得到普及。常見的助力形式有管柱助力式C-EPS 、小齒輪軸助力式P-EPS、齒條助力式R-EPS，其中管柱助力式C-EPS綜合成本較低[1]，市場(chǎng)占有率較高。

汽車轉(zhuǎn)向異響尤其是EPS異響是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最常見的故障模式[2]，約占所有故障的 90%，容易引起駕駛員感觀不舒服和緊張，極端情況下會(huì)影響整車可靠性與安全性。由于C-EPS布置在駕駛室內(nèi)，距駕駛員較近，對(duì)NVH性能的要求更高。

轉(zhuǎn)向中間軸是轉(zhuǎn)向管柱與轉(zhuǎn)向器中間的連接部件，主要作用是將轉(zhuǎn)向管柱的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩傳遞給轉(zhuǎn)向器，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；同時(shí)在碰撞事故中通過(guò)潰縮或滑動(dòng)可以吸收能量，減少人身傷害，是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中重要的一個(gè)零部件[3]。對(duì)于 C-EPS，其中間軸傳遞的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩既包括駕駛員的手力也包括電機(jī)提供的助力，受力較大[4]，由于設(shè)計(jì)不良或磨損，很容易在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生異響。C-EPS電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 C-EPS電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖

轉(zhuǎn)向中間軸一般由萬(wàn)向節(jié)叉、十字軸、內(nèi)外管滑動(dòng)副組成，中間軸示意圖見圖2。

圖2 中間軸總成示意圖

1 問題描述

某車型車輛行駛里程40000km～90000km之間，出現(xiàn)顛簸路異響（車速 10km/h～20km/h），經(jīng)排查，鎖定異響源為中間軸。

2 問題原因分析

異響是指顧客識(shí)別到的不正常噪音的統(tǒng)稱。根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理主要分為三類，分別是Buzz、squeak以及rattle，簡(jiǎn)稱BSR。顛簸路異響屬于rattle異響。

Rattle異響是由于沖擊引起的噪聲。主要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。主要由尺寸配合不當(dāng)，間隙大，緩沖不夠等產(chǎn)生。

2.1 潛在原因分析

根據(jù)Rattle異響的產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)中間軸異響產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。中間軸有滑動(dòng)副、十字軸等結(jié)構(gòu)部件，零部件結(jié)構(gòu)間隙不可避免，但中間軸間隙過(guò)大很容易引起轉(zhuǎn)向異響。中間軸間隙主要包括內(nèi)外管間隙和萬(wàn)向節(jié)間隙。中間軸 Rattle異響可由此兩項(xiàng)間隙過(guò)大引起。

2.2 排查過(guò)程

對(duì)所有問題中間軸進(jìn)行了萬(wàn)向節(jié)間隙和內(nèi)外管間隙測(cè)量，結(jié)果表明異響是由萬(wàn)向節(jié)耐久后間隙超差引起。

2.3 確定真因

確定萬(wàn)向節(jié)耐久后間隙超差為中間軸異響的直接原因，并對(duì)該直接原因做了進(jìn)一步分析，如圖3所示：

圖3 萬(wàn)向節(jié)耐久后間隙超差原因分析

（1）對(duì)萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行拆解檢測(cè)，具體檢測(cè)內(nèi)容如圖4所示：

圖4 萬(wàn)向節(jié)拆解檢測(cè)

通過(guò)以上檢測(cè)，得出如下結(jié)論：

1）排除了十字軸軸蓋外徑耐久后超差，鎖定節(jié)叉耳環(huán)孔徑耐久后超差帶來(lái)的耳環(huán)孔與軸蓋間隙大，節(jié)叉耳環(huán)孔孔徑超差的具體數(shù)據(jù)如表1所示。

2）另外，也排除了軸桿與軸蓋徑向間隙大這一潛在原因。

3）排查十字軸的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，軸蓋內(nèi)有尼龍緩沖塊，隨著產(chǎn)品的使用老化，會(huì)發(fā)生磨損變形等問題，產(chǎn)品容易產(chǎn)生軸向間隙而產(chǎn)生異響。故軸桿與軸蓋軸向間隙大也為可疑原因。

綜上，鎖定節(jié)叉耳環(huán)孔徑耐久后超差為該中間軸異響的原因。軸桿與軸蓋軸向間隙大也為可疑原因。

（2）節(jié)叉耳環(huán)孔徑耐久后超差的潛在原因主要包括兩方面：節(jié)叉硬度低和節(jié)叉所受壓力大。 接下來(lái)將從這兩個(gè)方面制定措施并進(jìn)行驗(yàn)證。

3 第一階段優(yōu)化措施及驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)節(jié)叉耳環(huán)孔變形原因的深入分析，從以下兩個(gè)方面制定措施并驗(yàn)證：

3.1 優(yōu)化措施

（1）提升節(jié)叉硬度

提升節(jié)叉硬度，可降低拉伸后節(jié)叉耳環(huán)孔變形量。通過(guò)更改節(jié)叉加工工藝中的調(diào)質(zhì)等級(jí)，達(dá)到提高節(jié)叉硬度的目的。硬度由（170～210）HB提升到（210～250）HB。

（2）降低節(jié)叉所受壓力

節(jié)叉耳壁壁厚示意圖如圖5所示，其中a為壁厚值。對(duì)壁厚更改前后節(jié)叉應(yīng)力進(jìn)行CAE分析，分析結(jié)果如圖6所示：

圖5 節(jié)叉耳壁壁厚示意圖

圖6 壁厚更改前后節(jié)叉應(yīng)力進(jìn)行CAE分析圖

增加節(jié)叉耳壁的壁厚（單邊增加 0.5mm），使耳環(huán)孔與十字軸蓋的接觸面積增大。在行駛中車輛承受大扭矩的情況下，節(jié)叉所受應(yīng)力下降 6%，降低了節(jié)叉耳環(huán)孔承載強(qiáng)度，減少其拉伸變形量。

3.2 措施驗(yàn)證

對(duì)以上兩種改善措施的效果進(jìn)行臺(tái)架耐久試驗(yàn)，對(duì)中間軸總成施加整車設(shè)計(jì)需求的最大輸出扭矩，回轉(zhuǎn)角±180°，加載頻率為1 Hz。經(jīng)50萬(wàn)次循環(huán)后，十字軸間隙＜5′為合格。

臺(tái)架耐久試驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

表1 臺(tái)架耐久試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)臺(tái)架疲勞耐久試驗(yàn)結(jié)果，第一階段優(yōu)化措施實(shí)施后，節(jié)叉耐久后間隙值明顯減小，但仍超過(guò) 5′的目標(biāo)值。如 2.3中所述，軸桿與軸蓋軸向間隙大也為可疑原因。故針對(duì)該可疑原因制定第二階段的優(yōu)化措施并進(jìn)行驗(yàn)證。

4 第二階段優(yōu)化措施及驗(yàn)證

4.1 優(yōu)化措施

第二階段的優(yōu)化方案主要圍繞耐久后軸桿與軸蓋軸向間隙大的研究。該車型應(yīng)用的軸蓋如圖7a所示，軸蓋內(nèi)有尼龍緩沖塊，隨著產(chǎn)品的使用老化，會(huì)發(fā)生磨損變形等問題，產(chǎn)品容易產(chǎn)生軸向間隙而產(chǎn)生異響。

為防止尼龍緩沖塊老化帶來(lái)的異響問題，采用新軸蓋結(jié)構(gòu)。新結(jié)構(gòu)內(nèi)由網(wǎng)狀凸點(diǎn)代替尼龍緩沖塊，網(wǎng)狀凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)與軸桿為剛性接觸，不易磨損和變形。具體結(jié)構(gòu)對(duì)比見圖7：

圖7 新舊軸蓋緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

4.2 措施驗(yàn)證

表2 方案臺(tái)架疲勞耐久試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

將第二階段優(yōu)化方案與第一階段優(yōu)化方案進(jìn)行疊加并進(jìn)行臺(tái)架疲勞耐久試驗(yàn)和整車裝車評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果如表 2。為進(jìn)行效果對(duì)比，引入了改進(jìn)前、單獨(dú)第一階段優(yōu)化方案及單獨(dú)第二階段優(yōu)化方案的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，詳見表2。

臺(tái)架試驗(yàn)后，將完成臺(tái)架耐久試驗(yàn)的四組樣件進(jìn)行整車裝車顛簸路面評(píng)價(jià)（車速 10km/h～20km/h），評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

表3 臺(tái)架耐久件進(jìn)行整車裝車評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明，單獨(dú)第一階段優(yōu)化或者單獨(dú)第二階段優(yōu)化均有提升但仍無(wú)法達(dá)到耐久后萬(wàn)向節(jié)間隙＜5′的目標(biāo)。將二者疊加后效果明顯，可達(dá)到目標(biāo)要求。之后擴(kuò)大樣本量進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證，進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)論。

該方案已搭載整車耐久驗(yàn)證，耐久后無(wú)中間軸異響。

5 結(jié)論

通過(guò)提升節(jié)叉硬度，增加節(jié)叉耳壁的壁厚，優(yōu)化軸蓋軸向緩沖結(jié)構(gòu)（由尼龍緩沖墊優(yōu)化為金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)），中間軸耐久后萬(wàn)向節(jié)間隙減?。ǎ?′），消除了該車型耐久后中間軸顛簸路異響。