齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器異響原因分析及控制方法

徐百雙　張晶　呂祥　楊魏綺

摘 要：本文根據(jù)路試車驗(yàn)證過(guò)程中，針對(duì)出現(xiàn)過(guò)的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器異響情況，總結(jié)出原因分析及控制方法，分享給從事轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)以及制造相關(guān)的工程師作為參考。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向器;齒輪齒條;異響

1 引言

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、轉(zhuǎn)向靈敏、傳遞效率高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于載荷小的微型車、轎車中。路試車驗(yàn)證過(guò)程中齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器異響是最常見(jiàn)的故障模式，異響引起駕駛員舒適性差，影響汽車本身的產(chǎn)品質(zhì)量。而異響問(wèn)題主要原因是由殼體、齒輪、齒條、導(dǎo)套、壓塊總成等零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工、裝配過(guò)程中存在缺陷造成。

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器工作原理：齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器（圖1）是由殼體、齒輪、齒條、導(dǎo)套、調(diào)整機(jī)構(gòu)、軸承、O型圈等組成。其工作原理以C-EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞扭矩（圖2）為例，當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向管柱接收信號(hào)產(chǎn)生助力，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸傳遞扭矩到轉(zhuǎn)向器齒輪上，齒輪帶動(dòng)嚙合的齒條沿著直線反復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而轉(zhuǎn)向拉桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。

2 齒輪齒條嚙合異響

故障模式：車輛靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤從轉(zhuǎn)向器部位傳來(lái)斷斷續(xù)續(xù)、無(wú)規(guī)則“嘎噠”的異響聲音。對(duì)故障件進(jìn)行嚙合間隙、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩及轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)、齒條移動(dòng)力檢測(cè)（表1、表2、表3），通過(guò)檢測(cè)可知，嚙合間隙相對(duì)于設(shè)計(jì)出廠值大，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)力矩及齒條推力均偏小。

原因分析：齒輪齒條嚙合間隙過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)齒輪齒條相互撞擊而產(chǎn)生異響。

控制方法：

1）出廠時(shí)齒輪齒條嚙合間隙嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求±180°行程內(nèi)≤0.07mm，全行程≤0.1mm;

2）合理選擇的油脂以及用量，建議齒輪室涂6g-7g油脂，齒條面涂至少6g-7g油脂;

3）控制好齒條的跨棒距、粗糙度≤0.4、直線度≤0.08mm、齒輪跳動(dòng)≤0.056、齒形偏差≤0.02。

3 齒條導(dǎo)套異響

導(dǎo)套作用支撐齒條在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持直線運(yùn)動(dòng)。

故障模式：車輛靜止?fàn)顟B(tài)快速轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤從轉(zhuǎn)向器部位傳來(lái)“吱吱”的異響聲音。對(duì)故障件導(dǎo)套間隙檢測(cè)（表4）相對(duì)于設(shè)計(jì)值偏大，然而齒輪齒條間隙測(cè)量滿足設(shè)計(jì)要求。

原因分析：

1）齒條與導(dǎo)套間隙大，從而使齒條運(yùn)動(dòng)過(guò)程中偏斜，產(chǎn)生異響;

2）導(dǎo)套的剛度不足，變形過(guò)大，齒條與導(dǎo)套間隙大，導(dǎo)致異響;

3）導(dǎo)套中O型圈變形量大，不能夠壓緊導(dǎo)套，使齒條與導(dǎo)套間隙大，引起異響。

控制方法：

1）齒條與導(dǎo)套徑向間隙≤0.15mm（從-100N到100N），徑向間隙≤0.25mm（從-250N到250N）;

2）導(dǎo)套采用用半開放抱緊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)套與齒條是無(wú)間隙配合的，能有效消除齒條導(dǎo)套間隙;

3）O型圈材料選擇NBR，硬度要求70±5HS，設(shè)計(jì)變形量范圍不超過(guò)12%。

4 調(diào)整機(jī)構(gòu)異響

調(diào)整機(jī)構(gòu)主要作用在齒輪齒條嚙合運(yùn)動(dòng)時(shí)，吸收因零件制造誤差引起的振動(dòng)調(diào)節(jié)齒輪齒條嚙合間隙。

故障模式：車輛靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)從轉(zhuǎn)向器部位傳來(lái)連續(xù)“咔噠”的異響聲音。用手轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，可聽到聲音從調(diào)整機(jī)構(gòu)端傳出，可能存在的幾種問(wèn)題（表5、表6、表7）不滿足設(shè)計(jì)要求，從而引起異響。

原因分析：

1）調(diào)整機(jī)構(gòu)與殼體間隙小，使得調(diào)整機(jī)構(gòu)上的O型圈受到擠壓，產(chǎn)生永久變形量大不能在殼體孔內(nèi)正常運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致調(diào)整機(jī)構(gòu)偏斜與殼體內(nèi)壁偏磨，產(chǎn)生異響;調(diào)整機(jī)構(gòu)與殼體間隙大，調(diào)整機(jī)構(gòu)上下竄動(dòng)與殼體內(nèi)壁撞擊，引起異響;

2）調(diào)整機(jī)構(gòu)涂油脂量少，使得調(diào)整機(jī)構(gòu)與殼體內(nèi)壁干磨擦，出現(xiàn)異響;

3）齒條齒背粗糙度偏大，在轉(zhuǎn)向時(shí)調(diào)整機(jī)構(gòu)受到齒條的軸向力過(guò)大，導(dǎo)致調(diào)整機(jī)構(gòu)擺動(dòng)撞擊殼體內(nèi)壁，引起異響。

4）調(diào)整彈簧剛度不足，導(dǎo)致調(diào)整機(jī)構(gòu)上下竄動(dòng)與殼體內(nèi)壁撞擊，引起異響。

控制方法：

1）規(guī)定調(diào)整體外周與殼體內(nèi)孔之間有合理的配合間隙，一般設(shè)計(jì)二者之間的間隙為0.04～0.1mm

2）規(guī)定調(diào)整體外周要涂抹潤(rùn)滑脂，一般至少0.3g;

3）齒條齒背及調(diào)整體襯墊粗糙度要合適，一般要求在Ra0.4以下，以減小兩者之間的摩擦力;

4）彈簧需經(jīng)低溫回火處理，保證彈簧剛度（載荷350±30N時(shí)變形量為2.3mm）;

5）采用雙O型圈緩沖使用中的沖擊，降低噪音，硬度要求70IRHD;

6）壓塊座要求真空浸油處理工藝。

5 球軸承異響

故障模式：車輛行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，明顯聽到從轉(zhuǎn)向器部件傳過(guò)來(lái)的“咯噔”聲音。用手轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，可聽到轉(zhuǎn)向器齒輪端有“咯噔”聲異響，對(duì)故障件球軸承檢測(cè)（表8）不滿足設(shè)計(jì)要求。

原因分析：

1）球軸承結(jié)構(gòu)、規(guī)格或游隙選取不當(dāng);

2）齒輪與軸承的產(chǎn)品尺寸設(shè)計(jì)配合。

控制方法：

1）球軸承滾動(dòng)體采用4點(diǎn)接觸式結(jié)構(gòu)而不采用深溝球軸承（圖3），徑向游隙可控9μm以下，軸向游隙約其2～3倍，軸向剛性大（圖4）

2）控制齒輪上下軸承配合位置的同軸度φ0.02;

3）壓緊螺塞擰緊力矩（34N.m～44N.m）適當(dāng)且有防松措施，見(jiàn)表8。

6 結(jié)束語(yǔ)

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器中產(chǎn)生異響原因有很多，排查引起異響的原因也很復(fù)雜，所以在零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工、裝配過(guò)程中均需要提前采取預(yù)防措施，防止出現(xiàn)異響等故障。

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