帶異響“檢測(cè)-反饋”系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)設(shè)計(jì)

王亞平 王佳良 肖會(huì)濤 曹寶寶 王碩

1.博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（煙臺(tái)）有限公司 山東省煙臺(tái)市 265500 2.博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司 上海市 201821

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展與技術(shù)持續(xù)革新，人們對(duì)汽車的質(zhì)量、設(shè)計(jì)等各方面的要求也逐漸升高。汽車轉(zhuǎn)向機(jī)作為汽車的重要組成部分和重要的人機(jī)交互系統(tǒng)之一，其安全性直接關(guān)系到駕駛?cè)藛T的人身安全。當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生噪音或其他異常情況時(shí)，容易對(duì)駕駛?cè)藛T操控穩(wěn)定性產(chǎn)生影響并埋藏其他安全隱患。因此，避免轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響是確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要措施。

近年來(lái)，解決轉(zhuǎn)向機(jī)噪音問(wèn)題已成為汽車領(lǐng)域探討的熱點(diǎn)問(wèn)題，已有大部分研究表明，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向機(jī)異響的原因復(fù)雜、影響因素繁多，例如轉(zhuǎn)向機(jī)故障、前減震失效、方向盤內(nèi)氣囊游絲斷裂、轉(zhuǎn)向橫拉桿損壞、輪胎損壞均可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向機(jī)異響。張學(xué)斌在反復(fù)的專業(yè)振動(dòng)速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)及深入分析的基礎(chǔ)上，提出了通過(guò)小齒輪上球軸承的游隙和性能優(yōu)化措施，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)異響優(yōu)化[1]。鄒文紅、王佳良從優(yōu)化電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)的角度提出考慮直接對(duì)壓塊進(jìn)行涂油脂，增加殼體壓塊孔粗糙度抽檢頻次來(lái)降低轉(zhuǎn)向機(jī)異響發(fā)生概率[2]。郭廷、黃巨成等人基于臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)異響部位進(jìn)行甄別的基礎(chǔ)上，提出了零部件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的建議[3]，以降低轉(zhuǎn)向機(jī)異響問(wèn)題。綜上發(fā)現(xiàn)，已有分析主要試圖從汽車其他部件來(lái)探究轉(zhuǎn)向機(jī)噪音問(wèn)題，缺乏對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)自身因素所引起噪音的原因探究。因此，分析轉(zhuǎn)向機(jī)壓塊間隙與轉(zhuǎn)向機(jī)噪音之間的關(guān)系并試圖解決轉(zhuǎn)向機(jī)噪音問(wèn)題十分必要，且具有重要的實(shí)踐意義。

1 轉(zhuǎn)向機(jī)壓塊間隙工作原理及存在問(wèn)題

1.1 轉(zhuǎn)向機(jī)壓塊間隙規(guī)范

當(dāng)前，轉(zhuǎn)向機(jī)壓塊間隙通常要求保持在0～0.1mm 之間，當(dāng)壓塊間隙超過(guò)0.2mm，汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，因齒條齒輪的預(yù)緊力不足或者壓塊的竄動(dòng)，就容易產(chǎn)生較差的噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness，NVH）表 現(xiàn)，造 成Clunk 和Rattle 產(chǎn)生異響。

表1 轉(zhuǎn)向機(jī)壓塊間隙規(guī)范及異響臨界值

1.2 轉(zhuǎn)向機(jī)壓塊間隙變動(dòng)機(jī)理

隨著汽車的持續(xù)使用，轉(zhuǎn)向機(jī)齒輪、齒條、嚙合面以及齒條背面與壓塊的匹配面均會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損，隨著時(shí)間的推移，持續(xù)的摩擦?xí)?dǎo)致壓塊間隙逐漸增大。深入剖析可發(fā)現(xiàn)，探針伸入調(diào)整螺母孔內(nèi)后，用一定扭矩T0 擰齒條，齒條和齒輪的接觸面變化，壓塊沿軸向移動(dòng)(由位置1 移動(dòng)到位置2)，探針會(huì)隨之產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，將此時(shí)探針位置標(biāo)為0(即此處壓塊間隙為0)。松開(kāi)擰緊扳手后，壓塊回到原來(lái)的位置1 處，探針也會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的探針的示數(shù)即此處壓塊間隙（位置2 與位置1 的差值）（圖1）。隨著齒條的軸向移動(dòng)，移動(dòng)到各個(gè)位置都會(huì)存在1 個(gè)壓塊間隙值，將上述壓塊間隙取值連起來(lái)便成為了壓塊間隙曲線（圖2）。

圖1 壓塊間隙原理示意圖

圖2 壓塊間隙示例圖

1.3 轉(zhuǎn)向機(jī)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

當(dāng)壓塊間隙取值超過(guò)0.2mm 后，由于轉(zhuǎn)向機(jī)沒(méi)有安裝相應(yīng)的檢測(cè)報(bào)警裝置，不能及時(shí)反饋轉(zhuǎn)向機(jī)工作性能參數(shù)，以至隨時(shí)可能會(huì)因此產(chǎn)生噪音。此外，受固有思維局限性的影響，轉(zhuǎn)向機(jī)壓塊間隙問(wèn)題通常不會(huì)被作為轉(zhuǎn)向機(jī)異響的首要考慮因素，以至維修檢查時(shí)不能精準(zhǔn)及時(shí)鎖定異響源，這不僅影響用戶使用舒適性、增加檢修成本，還會(huì)造成潛在客戶流失，影響產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

2 帶自動(dòng)檢測(cè)壓塊間隙轉(zhuǎn)向機(jī)的工作原理及優(yōu)勢(shì)

2.1 帶自動(dòng)檢測(cè)壓塊間隙轉(zhuǎn)向機(jī)的工作原理

帶自動(dòng)檢測(cè)壓塊間隙的轉(zhuǎn)向機(jī)工作原理主要是依靠傳感器實(shí)時(shí)“檢測(cè)-反饋”系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先，轉(zhuǎn)向機(jī)壓塊間隙檢測(cè)系統(tǒng)中的傳感器會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向機(jī)壓塊間隙??；其次，“檢測(cè)-反饋”系統(tǒng)中傳感器會(huì)將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋并交由ECU進(jìn)行處理（圖3）。當(dāng)轉(zhuǎn)向機(jī)壓塊間隙增大到0.2mm（易產(chǎn)生噪音）的臨界值時(shí)，ECU 會(huì)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警并及時(shí)通知駕駛員，要求其對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行基本的維護(hù)，以避免轉(zhuǎn)向機(jī)噪音及其他關(guān)聯(lián)故障的發(fā)生。

圖3 帶自動(dòng)檢測(cè)壓塊間隙轉(zhuǎn)向機(jī)的工作原理

2.2 帶自動(dòng)檢測(cè)壓塊間隙轉(zhuǎn)向機(jī)的具體工作路徑

首先，通過(guò)調(diào)整螺母到齒輪之間的一系列零件配合調(diào)整出合理的壓塊間隙（一般轉(zhuǎn)向機(jī)下線時(shí)壓塊間隙保持在0.05mm左右）。其次，傳感器會(huì)測(cè)量出傳感器下端到壓塊內(nèi)部凹坑面的距離（見(jiàn)圖一中紅色箭頭標(biāo)記的距離），并將此距離置為零，記為零點(diǎn)。再次，在轉(zhuǎn)向機(jī)使用過(guò)程中，齒輪和齒條的嚙合磨損以及襯片和齒條的磨損會(huì)導(dǎo)致壓塊間隙的增大，同時(shí)傳感器測(cè)量的距離從零開(kāi)始增大，并通過(guò)線束實(shí)時(shí)將距離信號(hào)反饋給ECU（轉(zhuǎn)向機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，持續(xù)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)該流程）。最后，當(dāng)傳感器測(cè)量出的距離達(dá)到0.15mm 時(shí)（此時(shí)的距離加上轉(zhuǎn)向機(jī)下線時(shí)本身間隙距離的實(shí)際壓塊間隙已經(jīng)達(dá)到0.2mm）ECU 會(huì)自動(dòng)判定此時(shí)的壓塊間隙已經(jīng)達(dá)到了易產(chǎn)生噪音的臨界值，控制轉(zhuǎn)向機(jī)并向駕駛員報(bào)警，完成自動(dòng)檢測(cè)壓塊間隙異響預(yù)警操作流程，實(shí)現(xiàn)異響報(bào)警工作（圖4、圖5）。壓塊間隙放大報(bào)警示意圖各編號(hào)具體含義如下：①轉(zhuǎn)向機(jī)殼體、②殼體密封圈、③壓塊密封圈、④壓塊、⑤襯片、⑥齒條、⑦齒輪、⑧壓縮彈簧、⑨激光傳感器、⑩調(diào)整螺母、線束、ECU。

圖4 帶自動(dòng)檢測(cè)壓塊間隙轉(zhuǎn)向機(jī)的示意圖

圖5 帶自動(dòng)檢測(cè)壓塊間隙轉(zhuǎn)向機(jī)的剖視圖

2.3 帶自動(dòng)檢測(cè)壓塊間隙轉(zhuǎn)向機(jī)的優(yōu)勢(shì)

帶自動(dòng)檢測(cè)壓塊間隙轉(zhuǎn)向機(jī)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下六個(gè)方面：一是壓塊間隙變化傳遞方式創(chuàng)新。帶自動(dòng)檢測(cè)壓塊間隙轉(zhuǎn)向機(jī)相比普通轉(zhuǎn)向機(jī)而言，其工作原理是通過(guò)激光傳感器來(lái)傳遞壓塊間隙的變化情況，具有較高的穩(wěn)定性。當(dāng)轉(zhuǎn)向機(jī)長(zhǎng)時(shí)間耐久使用出現(xiàn)壓塊間隙增大的情況時(shí)，可以在壓塊間隙增大到容易產(chǎn)生異響的狀態(tài)時(shí)，及時(shí)提醒駕駛員及時(shí)到4S 店增大調(diào)整螺母的擰緊角度，使壓塊間隙維持在0.05mm 左右，有效避免異響的發(fā)生。二是結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。該設(shè)計(jì)是將激光測(cè)距傳感器通過(guò)卡接的方式直接安裝在轉(zhuǎn)向機(jī)原本就存在的調(diào)整螺母上，不需要額外的固定工裝和運(yùn)行空間，最大限度的減少激光測(cè)距傳感器的空間占用；三是功能創(chuàng)新。該設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)向機(jī)上安裝自動(dòng)檢測(cè)壓塊間隙裝置系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)監(jiān)控壓塊間隙變化并反饋給ECU，進(jìn)而反饋給車機(jī)，最終避免產(chǎn)生壓塊異響可有效避免因壓塊間隙超過(guò)噪音臨界值而產(chǎn)生的噪音，保障駕乘人員安全。四是密封設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。該設(shè)計(jì)不需要給傳感器徑向活動(dòng)的空間，可通過(guò)加裝密封圈來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的密封效果，以防止壓塊小總成處灰塵、水汽等物質(zhì)進(jìn)入（詳見(jiàn)圖6）?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，駕駛帶自動(dòng)檢測(cè)壓塊間隙轉(zhuǎn)向機(jī)的汽車可有效避免因異響給駕乘人員帶來(lái)的不好的體驗(yàn)，提高駕乘人員使用的舒適度，降低維修的成本和售后問(wèn)題處理率。圖中各編號(hào)具體含義分別為：⑨傳感器、⑩調(diào)整螺母、密封圈。

圖6 卡接器示意圖圖

3 研究結(jié)語(yǔ)

從源頭解決轉(zhuǎn)向機(jī)異響問(wèn)題是推進(jìn)轉(zhuǎn)向機(jī)取得進(jìn)一步重要突破的關(guān)鍵舉措。為此，文章在梳理轉(zhuǎn)向機(jī)異響可能存在的原因的基礎(chǔ)上，首先介紹了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向機(jī)壓塊間隙的規(guī)范、工作原理及存在問(wèn)題。其次，深入分析了帶自動(dòng)檢測(cè)壓塊間隙工作原理、具體實(shí)現(xiàn)路徑。最后對(duì)比分析了帶自動(dòng)檢測(cè)壓塊間隙的轉(zhuǎn)向機(jī)較傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向機(jī)的優(yōu)勢(shì)，發(fā)現(xiàn)帶自動(dòng)檢測(cè)壓塊間隙的轉(zhuǎn)向機(jī)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)“檢測(cè)-反饋”系統(tǒng)能夠有效地將轉(zhuǎn)向機(jī)異響問(wèn)題扼殺在搖籃中。從轉(zhuǎn)向機(jī)設(shè)計(jì)源頭來(lái)降低轉(zhuǎn)向機(jī)異響發(fā)生概率，是推進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重要支撐。