注塑中間軸Stick-slip噪音分析及改善方案

田雙鵬

(博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(煙臺(tái))有限公司，煙臺(tái) 265503)

0 引言

汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向管柱，中間軸和轉(zhuǎn)向機(jī)三大部分組成。在汽車(chē)行駛過(guò)程中，駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，扭矩與轉(zhuǎn)角由轉(zhuǎn)向管柱通過(guò)中間軸傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)，轉(zhuǎn)向機(jī)齒條移動(dòng)，通過(guò)拉桿及球頭，作用于汽車(chē)轉(zhuǎn)向搖臂，從而控制車(chē)輪轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)轉(zhuǎn)向。

中間軸是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中連接管柱和轉(zhuǎn)向機(jī)，可以傳遞扭矩并吸收路面激勵(lì)的一種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。中間軸性能的好壞，直接影響到汽車(chē)行駛的安全性，操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性，它對(duì)于確保車(chē)輛行駛安全，減少交通事故及保護(hù)駕駛員的人身安全，改善駕駛條件起著至關(guān)重要作用。

中間軸上接轉(zhuǎn)向管柱，下接轉(zhuǎn)向機(jī)，由于具備兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)，是整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最具應(yīng)力集中位置，根據(jù)其承載能力，不同客戶依據(jù)產(chǎn)品性能需求，市場(chǎng)定位及造車(chē)成本等方面選擇不同結(jié)構(gòu)的中間軸用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配。注塑中間軸具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工藝及成本低廉，綜合性能優(yōu)越。在車(chē)市競(jìng)爭(zhēng)日趨降本爭(zhēng)效的大環(huán)境下，越來(lái)越受到整車(chē)廠的青睞。

現(xiàn)今汽車(chē)噪音控制工程的發(fā)展越發(fā)成熟，整車(chē)廠對(duì)其噪音表現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求也越來(lái)越苛刻。而異響更是成為衡量汽車(chē)質(zhì)量品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。車(chē)輛在啟動(dòng)和行駛中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由駕駛員實(shí)時(shí)操控，其噪音表現(xiàn)更直接被人們感知。車(chē)輛操控過(guò)程中發(fā)生的“嘰嘰…”“咚咚…”這類摩擦噪聲，其根本原因多數(shù)是由于兩接觸件相互摩擦產(chǎn)生黏滑(Stick-slip)現(xiàn)象而引起的。本文注重介紹注塑中間軸結(jié)構(gòu)及其在受載狀態(tài)下的Stick-slip噪音分析及改善方案。

1 注塑中間軸結(jié)構(gòu)介紹

中間軸總成(如圖1)結(jié)構(gòu)由上下兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)和滑動(dòng)副組成。滑動(dòng)副按結(jié)構(gòu)分類有滾動(dòng)摩擦型和滑動(dòng)摩擦型(如圖2)。

圖1 注塑中間軸總成Fig.1 Injection molded intermediate shaft assembly

圖2 滑動(dòng)副類型Fig.2 Sliding secondary types

注塑中間軸滑動(dòng)副部位是花鍵連接，屬于滑動(dòng)摩擦型結(jié)構(gòu)?；瑒?dòng)副由管內(nèi)花鍵及軸外花鍵配合，管軸內(nèi)外花鍵同為等數(shù)多齒結(jié)構(gòu)，滑動(dòng)軸齒表面均布注塑環(huán)齒(如圖3)，二者裝配時(shí)注塑環(huán)齒受擠壓發(fā)生變形從而緊貼在花鍵管內(nèi)花鍵表面。中間軸轉(zhuǎn)動(dòng)受載時(shí)，注塑環(huán)齒先受管內(nèi)花鍵的擠壓發(fā)生形變并傳遞扭矩。由于注塑環(huán)齒與管內(nèi)花鍵形成過(guò)盈配合，消除了花鍵軸和花鍵管的物理間隙，扭矩的傳遞平緩實(shí)現(xiàn)，不會(huì)導(dǎo)致鋼齒機(jī)械撞擊而發(fā)生異常換向噪音。

圖3 注塑滑動(dòng)副結(jié)構(gòu)Fig.3 Injection sliding auxiliary structure

注塑環(huán)齒材料是POM+30%玻纖，有良好的物理、機(jī)械和化學(xué)性能，它具有耐疲勞、耐蠕變、耐磨、耐熱、耐沖擊等優(yōu)良的性能, 尤其是有優(yōu)異的耐摩擦性能，廣泛應(yīng)用于齒輪、軸承、汽車(chē)零部件、機(jī)床、儀表內(nèi)件等減磨耐磨零件及傳動(dòng)零件。

2 什么是Stick-slip，和噪音有何關(guān)聯(lián)？

Stick-slip(又稱黏滑現(xiàn)象)是一種正常的摩擦物理現(xiàn)象，即：在特定條件下，兩個(gè)表面之間的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生固定摩擦力，但是運(yùn)動(dòng)在黏附與滑動(dòng)之間呈周期性交替變化，兩接觸表面之間產(chǎn)生摩擦振動(dòng)現(xiàn)象。

黏滑效應(yīng)是日常生活中的常見(jiàn)現(xiàn)象：當(dāng)我們沿地板推動(dòng)桌子時(shí)，桌腿可能會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)我們用潮濕的手指沿葡萄酒杯邊緣滑動(dòng)時(shí)，葡萄酒杯也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。操控汽車(chē)前玻璃雨刷時(shí)，雨刷和玻璃產(chǎn)生振動(dòng)等。由于黏滑具有反復(fù)出現(xiàn)的特點(diǎn)，因此或可被感知為諧波振動(dòng)或噪聲。

當(dāng)兩接觸表面之間處于干摩擦或邊界潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)，如果拖動(dòng)系統(tǒng)的速度低到某個(gè)限度以下，需要克服滑動(dòng)副表面粗糙峰的不平整性。導(dǎo)致到摩擦力的波動(dòng)，當(dāng)波動(dòng)足夠劇烈時(shí)，摩擦就產(chǎn)生持續(xù)的黏滑現(xiàn)象(如圖4)。此時(shí)，即使拖動(dòng)系統(tǒng)保持勻速運(yùn)動(dòng)，而相互滑動(dòng)的表面之間的運(yùn)動(dòng)卻不再是勻速的，而是斷斷續(xù)續(xù)的，這種斷斷續(xù)續(xù)摩擦振動(dòng)往往會(huì)產(chǎn)生噪音。

圖4 黏滑運(yùn)動(dòng)的位移、速度曲線Fig.4 Displacement and velocity curves of stick-slip movement

3 注塑中間軸Stick-slip噪音機(jī)理分析

注塑中間軸整車(chē)或者臺(tái)架負(fù)載作用下，由于整車(chē)的顛簸或臺(tái)架試驗(yàn)沖擊加載變化，中間軸由于受力的不平衡，滑動(dòng)副開(kāi)始出現(xiàn)軸向往復(fù)的滑動(dòng)摩擦運(yùn)動(dòng)(如圖5)，其負(fù)載彈性會(huì)導(dǎo)致中間軸管軸配合部位產(chǎn)生軸向位移。中間軸軸向滑動(dòng)時(shí)，靜摩擦力大于滑動(dòng)摩擦力，在動(dòng)靜轉(zhuǎn)換的一瞬間，加速度的變化造成沖擊振動(dòng)，沖擊振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲，當(dāng)這個(gè)過(guò)程反復(fù)出現(xiàn)的時(shí)候(靜止和運(yùn)動(dòng)反復(fù)出現(xiàn))，就會(huì)產(chǎn)生黏滑和持續(xù)的噪聲。

圖5 滑動(dòng)副摩擦運(yùn)動(dòng)示例Fig.5 Example of friction motion of sliding pair

由于中間軸滑動(dòng)副接觸面的平整性，清潔度及油脂因素，中間軸在受載軸向滑動(dòng)摩擦?xí)r，最大靜摩擦力P遠(yuǎn)大于滑動(dòng)摩擦力G，當(dāng)其動(dòng)靜摩擦力差值(P-G)過(guò)大時(shí)(如圖6)，其瞬態(tài)沖擊振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)生噪音問(wèn)題。

圖6 動(dòng)靜摩擦力轉(zhuǎn)換瞬態(tài)表現(xiàn)形式Fig.6 Transient expression of static and static friction

4 中間軸Stick-slip噪音評(píng)估臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由上述機(jī)理可知，Stick-slip噪音是中間軸在受載過(guò)程中，滑動(dòng)跌落產(chǎn)生震感。所以需要在測(cè)試中間軸滑動(dòng)力的時(shí)候加載扭矩(如圖7)。

圖7 臺(tái)架測(cè)試設(shè)置及測(cè)試曲線Fig.7 Bench test setup and test curve

中間軸水平固定在試驗(yàn)臺(tái)上，連桿抱緊驅(qū)動(dòng)主軸，連桿加砝碼配重，通過(guò)調(diào)節(jié)砝碼在連桿距離來(lái)確定加載扭矩。記錄滑動(dòng)行程以及起始峰值(分離)載荷值和平均載荷值(穩(wěn)定)的差值。評(píng)估中間軸啟動(dòng)到滑動(dòng)瞬間有無(wú)Stick-slip噪音。通過(guò)分析啟動(dòng)力和滑動(dòng)過(guò)程力的差值，來(lái)確定樣件狀態(tài)的可接受范圍。

5 注塑中間軸Stick-slip噪音影響因素

由于滑動(dòng)副表面粗糙峰的不平整性。導(dǎo)致到摩擦力的波動(dòng)，產(chǎn)生Stick-slip噪音。注塑結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱會(huì)導(dǎo)致軸/管的軸線不同軸，加大滑動(dòng)副的軸向竄動(dòng)，產(chǎn)生Stick-slip噪音。注塑材料具有較高的靜態(tài)摩擦系數(shù)，在與管的金屬內(nèi)壁摩擦接觸中表現(xiàn)出黏滑特征，也會(huì)產(chǎn)生Stick-slip噪音。

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)及大量售后返回件分析，發(fā)現(xiàn)了以下缺陷形式(如圖8)會(huì)加劇Stick-slip噪音表現(xiàn)。

(a)注塑層分離 (b)注塑層磕碰傷 (c)注塑層不均勻

6 注塑中間軸Stick-slip噪音改善方案

由中間軸Stick-slip噪音影響因素獲知，可以從注塑結(jié)構(gòu)優(yōu)化及加注潤(rùn)滑油脂兩方面來(lái)抑制和減少Stick-slip噪音。

6.1 注塑工藝改善

注塑模具(如圖9)主要包含主型腔，副型腔和兩個(gè)Half塊。待注塑光軸前端通過(guò)副型腔卡緊定位，后部分通過(guò)Half塊抱緊輔助定位，主型腔模體是花鍵結(jié)構(gòu)，用于往里加注流體，注塑成形。

圖9 注塑模具結(jié)構(gòu)Fig.9 Injection mold structure

為防止注塑分層，注塑層不均勻，需優(yōu)化Half塊與模具型腔及待注塑軸的配合間隙，增大注塑保壓時(shí)間。為防止注塑軸的定位工裝在使用過(guò)程中磨損，按需實(shí)時(shí)更換新的工裝卡爪。使用前校準(zhǔn)工裝尺寸，增加工裝點(diǎn)檢項(xiàng)目，每班檢查定位加緊工裝情況，定義工裝更換時(shí)間周期。

6.2 加脂改善

根據(jù)零件的材料及機(jī)械配合不同，對(duì)潤(rùn)滑油脂有不同要求。在使用新開(kāi)發(fā)油脂的時(shí)候需要關(guān)注油脂所使用的工況，像中間軸滑動(dòng)副油脂需重點(diǎn)關(guān)注動(dòng)摩擦系數(shù)，降低靜摩擦和動(dòng)摩擦的差異。差異越大，出現(xiàn)Stick-slip的可能性越大。所以注塑中間軸滑動(dòng)副表面涂油脂主要目的是減少摩擦、降低磨損，降低Stick-slip噪音風(fēng)險(xiǎn)。

由于油脂具有減噪性，生產(chǎn)過(guò)程必須嚴(yán)格受控(如圖10)。為控制油脂量，選用注脂比較穩(wěn)定的加脂泵，壓力隨機(jī)監(jiān)控，保證桶內(nèi)空氣和氣泡被有效排出。軸管加脂工裝改為花鍵仿型工裝，每個(gè)鍵槽均布多個(gè)注脂孔，保證注脂均勻。每班生產(chǎn)前對(duì)首件油脂稱重量化并做記錄，保證油量充足。

圖10 加脂設(shè)備及工裝優(yōu)化Fig.10 Optimization of grease equipment and tooling

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們生活水平的日益提高，對(duì)于整車(chē)操控舒適性，產(chǎn)品在整車(chē)受載狀態(tài)的NVH表現(xiàn)越來(lái)越關(guān)注。在產(chǎn)品投入市場(chǎng)前期，要進(jìn)行充分的臺(tái)架驗(yàn)證和整車(chē)路試。如何使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更好地吸收振動(dòng)，防止黏滑和噪聲的產(chǎn)生，是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)生產(chǎn)商重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。本文簡(jiǎn)要介紹了關(guān)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)領(lǐng)域注塑中間軸Stick-slip噪音機(jī)理及改善方案，目的是加深讀者了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能，歡迎同行共同討論。在保證產(chǎn)品安全前提下，進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化。