汽車C-EPS轉(zhuǎn)向管柱異響問(wèn)題分析及優(yōu)化方案的研究

楊香蓮　吳傳全　付豪

關(guān)鍵詞：C-EPS;轉(zhuǎn)向管柱;異響;臺(tái)架;受力分析

中圖分類號(hào)：U463.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著國(guó)民生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)汽車舒適性的追求及整車振動(dòng)噪聲控制的要求越來(lái)越高[1]。汽車使用過(guò)程中產(chǎn)生的異響，已經(jīng)成為越來(lái)越多用戶抱怨的焦點(diǎn)。因而對(duì)于異響的消除需要更加嚴(yán)格的控制。

管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（C-EPS）相對(duì)于液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS），可以節(jié)油3%～5%，其節(jié)能性、電動(dòng)化和低噪聲的優(yōu)勢(shì)明顯，綜合操控性能更加優(yōu)異[2]。但是，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部集成的零部件數(shù)量較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。尤其是管柱類的助力轉(zhuǎn)向器，其工作機(jī)構(gòu)位于駕駛室內(nèi)，距離駕駛員較近[3]，在發(fā)生異響時(shí)更容易被駕駛員發(fā)覺，且異響發(fā)生時(shí)常常伴有方向盤上的手感振動(dòng)沖擊。

轉(zhuǎn)向異響多為瞬態(tài)噪聲，按照其產(chǎn)生類型分為3類：第一類為“嗡嗡”聲（Buzz），主要是由于部件的共振引起的噪聲;第二類為“吱吱”聲（Squeak），主要由于連接部位摩擦接觸或滑移產(chǎn)生的噪聲;第三類為“咔噠”聲（Rattle），主要是連接部位之間的沖擊接觸而產(chǎn)生的噪聲。其他類型的異響還包括電磁噪聲、軸承噪聲等。對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲進(jìn)行有效控制，可以提升駕乘的舒適性，因此對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響的研究很有必要。

1轉(zhuǎn)向管柱異響問(wèn)題概述

1.1問(wèn)題描述

轉(zhuǎn)向管柱是轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向助力輔助裝置、方向盤調(diào)節(jié)鎖止機(jī)構(gòu)和方向盤鎖止機(jī)構(gòu)的承載體[4]，同時(shí)擔(dān)負(fù)著車輛碰撞時(shí)對(duì)駕駛員保護(hù)和能量吸收的作用。車輛行駛時(shí)，方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)轉(zhuǎn)向軸的硬性連接傳遞給輸入軸，扭矩傳感器根據(jù)扭桿的變形量計(jì)算出轉(zhuǎn)向扭矩并輸入給電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元?？刂茊卧刂妻D(zhuǎn)向電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，提供的助力扭矩到蝸桿、蝸輪組合件，最后蝸桿驅(qū)動(dòng)蝸輪，蝸輪帶動(dòng)輸出軸實(shí)現(xiàn)助力輸出[5]。

某裝配C-EPS的車型下線后，測(cè)試人員在按照評(píng)價(jià)條目對(duì)車輛進(jìn)行測(cè)試。調(diào)試人員反饋，當(dāng)整車在車輛定置（即車輛原地不動(dòng)起動(dòng)）工況，低速來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，轉(zhuǎn)速約為20r/min，一段時(shí)間后，駕駛員前方儀表臺(tái)內(nèi)部會(huì)有不連續(xù)的、有類似于敲擊聲的異響。拆除駕駛員前方的儀表臺(tái)后異響更明顯，該異響主觀評(píng)價(jià)等級(jí)為4.5分，為易察覺的等級(jí)，需要進(jìn)行改進(jìn)（表1）。經(jīng)調(diào)試人員主觀判斷，該異響來(lái)自轉(zhuǎn)向管柱附近，需對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查分析。

1.2問(wèn)題定位

首先將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的附件，如時(shí)鐘彈簧、安全氣囊等拆除后，異響變化不大，評(píng)分等級(jí)仍為4.5分。然后將轉(zhuǎn)向柱拆除后，按照標(biāo)準(zhǔn)流程重新安裝，異響等級(jí)略有降低，評(píng)分為5分。

對(duì)轉(zhuǎn)向柱進(jìn)行交換試驗(yàn)。準(zhǔn)備一輛針對(duì)該問(wèn)題評(píng)分為8分的下線車輛，定義為A車，問(wèn)題車輛定義為B車。將B車的轉(zhuǎn)向器更換至A車后，A車異響評(píng)分等級(jí)變?yōu)?分，屬于易察覺狀態(tài)。而將A車的轉(zhuǎn)向器更換至B車后，B車的異響評(píng)分等級(jí)為8分。

最后將轉(zhuǎn)向器各自裝回原車輛后，B車異響復(fù)現(xiàn)，評(píng)分等級(jí)為5分;A車評(píng)分等級(jí)變回8分。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向器整件的交換試驗(yàn)可以推斷，異響來(lái)自轉(zhuǎn)向器。調(diào)試人員通過(guò)釋放轉(zhuǎn)向管柱調(diào)節(jié)手柄后，異響消失。將手柄鎖緊后，異響復(fù)現(xiàn)。

2問(wèn)題原因分析及驗(yàn)證

2.1振動(dòng)信號(hào)采集

通過(guò)對(duì)異響的主觀判斷，此類敲擊噪聲多為機(jī)械噪聲，因此排除電磁噪聲類型。并且此類敲擊噪聲多為結(jié)構(gòu)噪聲，通?？梢砸哉駝?dòng)信號(hào)表征聲音的大小。因此為了進(jìn)一步鎖定異響位置，通過(guò)在駕駛室內(nèi)布置麥克風(fēng)采集聲音信號(hào)，同時(shí)在轉(zhuǎn)向管柱不同位置布置加速度傳感器來(lái)采集振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)一步鎖定異響位置。

振動(dòng)信號(hào)測(cè)量位置包括3個(gè)位置：上管柱支架、動(dòng)力源殼體位置和中間軸位置。這樣也可以獲取振動(dòng)信號(hào)傳遞的方式（圖1）。

所有信號(hào)采集完成后，對(duì)所采集的聲音及振動(dòng)測(cè)試時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分析，如圖2所示。其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為聲壓值和振動(dòng)加速度值，信號(hào)中的突起為信號(hào)峰值時(shí)刻，表征為異響時(shí)刻。通過(guò)采集的聲音信號(hào)進(jìn)行回放（圖2中上側(cè)紅色曲線），并結(jié)合對(duì)振動(dòng)時(shí)域（圖2中下側(cè)曲線）信號(hào)數(shù)值統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在異響時(shí)刻，上管柱組件支架處的振動(dòng)水平（綠色曲線）明顯高于其他兩個(gè)位置。

通過(guò)將異響時(shí)刻的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大（圖3），可看到上管柱支架處最早出現(xiàn)振動(dòng)波動(dòng)信號(hào)（綠色曲線），說(shuō)明振動(dòng)源在上管柱組件位置。通過(guò)對(duì)上管柱相關(guān)附件進(jìn)行拆除及組件之間的交換實(shí)驗(yàn)，最終鎖定異響來(lái)自于安裝支架。

2.2原因分析

為了進(jìn)一步研究異響產(chǎn)生的原因，將發(fā)生異響的轉(zhuǎn)向管柱安裝至離線臺(tái)架上對(duì)聲音進(jìn)行復(fù)現(xiàn)（圖4），并對(duì)臺(tái)架異響進(jìn)行主觀評(píng)測(cè)和振動(dòng)信號(hào)采集。結(jié)果臺(tái)架異響主觀評(píng)分及信號(hào)特征與整車一致，于是在臺(tái)架上對(duì)異響問(wèn)題進(jìn)行研究。

起初異響樣件不能穩(wěn)定的在臺(tái)架上進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，通過(guò)觀察轉(zhuǎn)向管柱安裝端面的印記，發(fā)現(xiàn)其左側(cè)安裝端面的壓痕印記比右側(cè)明顯，初步懷疑安裝后左右兩側(cè)受力不均造成。為驗(yàn)證該猜想，通過(guò)在左側(cè)安裝支架與臺(tái)架支架間增加一薄墊片，模擬受力不均的工況（圖5），實(shí)施該方案后可穩(wěn)定地復(fù)現(xiàn)異響。另外重新更換一新支架后，利用該方法同樣可以復(fù)現(xiàn)該異響。

結(jié)合上述復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，參照?qǐng)D紙要求對(duì)整車安裝轉(zhuǎn)向管柱的左右兩側(cè)端面進(jìn)行尺寸測(cè)量后，發(fā)現(xiàn)其安裝端面高度差超出圖紙尺寸要求。

2.3CAE分析

為了對(duì)異響問(wèn)題有更好的解析，對(duì)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的支架進(jìn)行受力分析。首先對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化（圖6），然后模擬實(shí)車安裝狀態(tài)對(duì)螺栓固定位置進(jìn)行約束處理。最后通過(guò)模擬使用中的操作狀態(tài)，對(duì)轉(zhuǎn)向管柱安裝支架進(jìn)行受力分析。

工況一：對(duì)自由端施加一個(gè)上下調(diào)節(jié)的力后，對(duì)其支架端的受力進(jìn)行分析。通過(guò)分析結(jié)果可知（圖7），應(yīng)力最大處為左側(cè)支架某處焊點(diǎn)連接位置。

工況二：對(duì)自由端施加一個(gè)模擬轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的力后，對(duì)其支架端的受力進(jìn)行分析。分析結(jié)果如圖8所示，應(yīng)力最大處為左側(cè)支架某處焊點(diǎn)連接位置。

2.4失效原因分析

結(jié)合上述分析可判斷，失效原因?yàn)檐囕v管梁安裝轉(zhuǎn)向管柱的支架左右兩端高度差尺寸超差，造成轉(zhuǎn)向管柱安裝完成后，管柱安裝支架產(chǎn)生形變。因此在方向盤持續(xù)操作的過(guò)程中，管柱安裝支架焊接位置會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而造成2個(gè)支架焊點(diǎn)位置會(huì)產(chǎn)生形變，形成局部空隙。最終在應(yīng)力釋放過(guò)程中，支架與安裝點(diǎn)發(fā)生摩擦敲擊產(chǎn)生異響。

2.5改進(jìn)方案及驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)失效原因的分析，針對(duì)該問(wèn)題提出2種改進(jìn)方案。

（1）控制管梁轉(zhuǎn)向器安裝支架高度差尺寸，使其尺寸滿足圖紙標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）更改轉(zhuǎn)向管柱安裝支架焊接方法，由點(diǎn)焊變?yōu)樵黾雍缚p長(zhǎng)度（圖9），從而提高其剛度，降低其工作過(guò)程中的形變量。

最終方案實(shí)施后，隨機(jī)挑選10輛下線車輛進(jìn)行主觀評(píng)測(cè)驗(yàn)證，主觀評(píng)分全部為7.5分以上，方案驗(yàn)證合格。

3結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于C-EPS，車輛管梁安裝轉(zhuǎn)向管柱的支架左右兩端高度差尺寸，對(duì)于轉(zhuǎn)向管柱的使用性能具有非常大的影響。如果出現(xiàn)超差，會(huì)造成轉(zhuǎn)向管柱安裝完成后，安裝支架產(chǎn)生形變，焊接位置會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，形成局部空隙。最終在應(yīng)力釋放過(guò)程中，支架與安裝點(diǎn)發(fā)生摩擦敲擊產(chǎn)生異響，從而影響駕乘舒適性。

本文通過(guò)對(duì)管柱支架、動(dòng)力源殼體位置和中間軸3個(gè)位置進(jìn)行客觀數(shù)據(jù)采集，并將所采集到的聲音及振動(dòng)測(cè)試時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分析，鎖定異響來(lái)自于安裝支架。結(jié)合臺(tái)架復(fù)現(xiàn)和CAE分析，判斷失效原因?yàn)檐囕v管梁安裝轉(zhuǎn)向管柱的支架左右兩端高度差尺寸超差。本研究針對(duì)該問(wèn)題提出改進(jìn)方案，并通過(guò)裝車驗(yàn)證方案的可行性。該方法為后期工程人員解決同類問(wèn)題提供了一種解決思路。

作者簡(jiǎn)介：

楊香蓮，碩士，工程師、講師，研究方向?yàn)檐囕v工程。