一種新型設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向機(jī)壓塊預(yù)緊機(jī)構(gòu)

摘 要：壓塊預(yù)緊機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)向機(jī)重要組成部分，主要作用為齒輪齒條嚙合提供預(yù)緊力，保證齒輪齒條一直處于嚙合狀態(tài)，消除齒輪齒條間隙；其次為轉(zhuǎn)向機(jī)在沖擊工況下提供緩沖作用，保護(hù)各個零件，防止零件破壞引起噪音問題；最后為齒條提供支撐作用，防止齒條旋轉(zhuǎn)。因此壓塊預(yù)緊機(jī)構(gòu)的好壞直接影響轉(zhuǎn)向機(jī)各個性能，而現(xiàn)有設(shè)計(jì)的膜片彈簧耐久磨損后，由于明顯的剛度下降，為齒輪齒條提供的預(yù)緊力大大減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向機(jī)在耐久后易出現(xiàn)壓塊間隙變大，造成轉(zhuǎn)向機(jī)噪音問題。本文新型設(shè)計(jì)的蝶形彈簧，解決了現(xiàn)有技術(shù)的不足，大大提高了壓塊機(jī)構(gòu)的承載能力以及壽命。本文從材料性能、剛度、預(yù)緊力衰減以及工藝裝配流程進(jìn)行具體分析。

關(guān)鍵詞：膜片彈簧 蝶形彈簧 壓塊機(jī)構(gòu) 剛度 預(yù)緊力臺

0 引言

由于電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，電動汽車市場占有率越來越大，而電動汽車所需零件越來越多，整車布局越來越復(fù)雜。整車廠對各個零部件供應(yīng)商要求也越來越高，希望各級零部件體積越來越小，重量越來越輕，但是容量以及質(zhì)量越來越高。轉(zhuǎn)向機(jī)作為汽車零件的一個非常重要的部件，直接關(guān)系著駕駛?cè)藛T生命安全，同樣也面臨著整車廠各種要求。并且轉(zhuǎn)向機(jī)性能的好壞直接影響駕駛?cè)藛T的操作手感，目前轉(zhuǎn)向機(jī)面臨著噪音、傳感器失效、丟失助力、拉桿球頭斷裂等諸多問題，因此優(yōu)化轉(zhuǎn)向機(jī)性能勢在必得。

壓塊預(yù)緊機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)向機(jī)重要組成部分，其作用有以下幾個方面：1、為齒輪齒條嚙合提供支撐以及預(yù)緊力，防止耐久后各零件磨損導(dǎo)致壓塊間隙增大，引起各種噪音問題[1-2]。2、為轉(zhuǎn)向機(jī)在各種沖擊工況下提供緩沖作用，防止在沖擊作用下，各個零件破壞失效，從而引起click、rattle等噪音。3、為齒條傾覆旋轉(zhuǎn)提供支撐，防止齒條旋轉(zhuǎn)。4、為轉(zhuǎn)向機(jī)提供密封性能，防止轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)水引起各個零件生銹腐蝕以及電器件損壞丟失信號，造成轉(zhuǎn)向機(jī)丟失助力。因此壓塊預(yù)緊機(jī)構(gòu)性能的好壞直接影響轉(zhuǎn)向機(jī)性能。

1 現(xiàn)有壓塊預(yù)緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有壓塊預(yù)緊機(jī)構(gòu)如圖一所示，組成零件分別為：壓塊、襯片、壓塊O型圈、膜片彈簧、密封圈、調(diào)整螺母、調(diào)整螺母塞。每一個零件作用分別如下：壓塊包裹著齒條齒背，一直為齒輪齒條嚙合提供支撐作用，但是金屬壓塊與金屬齒條相接觸時，由于來回摩擦，會造成壓塊磨損嚴(yán)重，引起耐久后噪音問題，因此塑料襯片的作用提高耐磨性。壓塊上的O型圈為在沖擊工況下，提供緩沖作用，防止在沖擊工況下，壓塊傾斜與殼體碰撞產(chǎn)生噪音。膜片彈簧能夠提供較大的預(yù)緊力，為齒輪齒條一直處于嚙合狀態(tài)提供預(yù)緊作用。壓塊頂端處密封圈起到密封作用，防止外界水分進(jìn)入轉(zhuǎn)向機(jī)。調(diào)整螺母與殼體螺紋配合，固定整個壓塊小總成。調(diào)整螺母塞裝配前產(chǎn)線需測量壓塊間隙，壓塊間隙測量方法[3]，探針需要伸入調(diào)整螺母孔內(nèi)，頂在膜片彈簧上，然后轉(zhuǎn)動齒輪齒條，讀取該區(qū)域沿著壓塊軸線的間隙變化，壓塊間隙測量完成后安裝上調(diào)整螺母塞進(jìn)行密封。

該設(shè)計(jì)在耐久后由于齒輪齒條磨損，并且齒條不同區(qū)域磨損量也不一致，中間區(qū)域磨損量最大，壓塊預(yù)緊位置發(fā)生變化，彈簧預(yù)緊力下降，壓塊間隙變大，造成齒輪齒條區(qū)域各種噪音。初始狀態(tài)壓塊間隙產(chǎn)線會控制在0-0.1mm內(nèi)，耐久后由于磨損，預(yù)緊力不足，壓塊間隙會增加到大于0.2mm，造成各種換向和rattle噪音。

2 新型壓塊預(yù)緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高耐久后的預(yù)緊力以及疲勞壽命，設(shè)計(jì)一種新型的蝶形彈簧結(jié)構(gòu)。相比于現(xiàn)有設(shè)計(jì)，優(yōu)化膜片彈簧設(shè)計(jì)，如圖一和二所示，原設(shè)計(jì)膜片彈簧為一個圓盤結(jié)構(gòu)，而新設(shè)計(jì)的膜片彈簧為環(huán)形設(shè)計(jì)，命名為蝶形彈簧。除了形狀結(jié)構(gòu)有差異外，該蝶形彈簧材料、剛度、耐久后預(yù)緊力表現(xiàn)、裝配工藝等都明顯優(yōu)于老設(shè)計(jì)。以下進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.1 原材料性能差異性

原設(shè)計(jì)的膜片材料為C75S鋼，新設(shè)計(jì)的材料為50CrVA鋼，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度值詳見表格1。從棒料角度考慮，新設(shè)計(jì)的抗拉強(qiáng)度比原設(shè)計(jì)大95 N/mm2，屈服強(qiáng)度大245 N/mm2，屈服強(qiáng)度明顯提高。表明新設(shè)計(jì)的材料性能更優(yōu)，承載能力更強(qiáng)。延伸率水平相當(dāng)。

2.2 剛度性能對比差異性

剛度性能通過膜片彈簧與壓塊和調(diào)整螺母的配合長度以及彈簧本身的剛度曲線進(jìn)行對比分析。

2.2.1 彈簧與壓塊和調(diào)整螺母的配合長度對比分析

膜片彈簧和蝶形彈簧分別與壓塊和調(diào)整螺母配合設(shè)計(jì)參考圖3。ra為彈簧與壓塊徑向配合重合長度，rb為彈簧與調(diào)整螺母徑向配合重合長度，軸向硬限位距離為膜片彈簧與調(diào)整螺母軸向配合長度以及蝶形膜片與壓塊軸向配合長度。通過尺寸鏈計(jì)算得出軸向和徑向重合長度見表2。原設(shè)計(jì)徑向最小支撐長度為1.05 mm，新設(shè)計(jì)為1.28 mm，原設(shè)計(jì)軸向最小支撐長度為0.54 mm，新設(shè)計(jì)為0.8 mm，新設(shè)計(jì)的徑向和軸向重合長度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原有設(shè)計(jì)。重合長度越長，硬限位剛度越高，對高負(fù)載工況的支撐功能越有利，因此從配合長度角度考慮，新設(shè)計(jì)優(yōu)于原設(shè)計(jì)。

2.2.2 膜片彈簧與蝶形彈簧耐久前后剛度衰減差異性

圖4和5五分別為兩種設(shè)計(jì)耐久前后剛度衰減曲線，剛度衰減值公式為

K=ΔF/Δλ （1）

K：為剛度衰減值；

ΔF：為耐久前后預(yù)緊力差值；

Δλ：為耐久前后彈簧變形量。

兩種設(shè)計(jì)耐久前后預(yù)緊力值如表格3所示?？梢缘贸鲈O(shè)計(jì)剛度衰減值K為1.6，新設(shè)計(jì)剛度衰減值K為0.27，衰減值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)，表明轉(zhuǎn)向機(jī)在耐久后，即使膜片彈簧有少量的磨損，壓塊間隙有一定的增加，但是彈簧仍然能夠提供足夠大的預(yù)緊力和彈簧力，依舊能夠保證齒輪齒條之間良好的嚙合。因此，可以預(yù)防耐久后噪音的產(chǎn)生，提高轉(zhuǎn)向機(jī)噪音表現(xiàn)。

2.3 耐久前后預(yù)緊力性能對比差異性

按照耐久前后磨損量變化值0.3mm，實(shí)測兩種設(shè)計(jì)的預(yù)緊力，分別為：原設(shè)計(jì)耐久前后預(yù)緊力分別為680N和200N，衰減量為480N，衰減百分比為70.5%。而新設(shè)計(jì)的耐久前后預(yù)緊力分別為830N和750N，衰減量僅為80N，衰減百分比僅為9.6%。預(yù)緊力耐久后會降低，但是即使降低，新設(shè)計(jì)耐久后的預(yù)緊力相比于原設(shè)計(jì)耐久前的預(yù)緊力更大，更有利于齒輪齒條嚙合。

2.4 裝配工藝差異性

原設(shè)計(jì)膜片彈簧與調(diào)整螺母通過鉚壓固定在一起，組成調(diào)整螺母小總成，如圖六所示，相比于新設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)為由于鉚壓工藝在供應(yīng)商處實(shí)施，為轉(zhuǎn)向機(jī)裝配節(jié)省節(jié)拍。缺點(diǎn)如下所示：目前供應(yīng)商鉚壓工藝不穩(wěn)定，易造成諸多問題，比如調(diào)整螺母小總成在運(yùn)輸過程中，膜片彈簧易脫落，若產(chǎn)線未識別出，將造成膜片彈簧缺失，齒輪齒條嚙合力不足，產(chǎn)生噪音問題，其次在測量壓塊間隙時被頂針頂開，造成膜片彈簧脫落或者傾斜，導(dǎo)致壓塊間隙變大，依舊出現(xiàn)噪音問題。

而新設(shè)計(jì)的產(chǎn)線采用真空吸頭向下裝配蝶形彈簧，如圖6所示，真空吸頭帶角度進(jìn)行正反防錯，并通過照相機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，蝶形彈簧外圈被調(diào)整螺母固定，內(nèi)圈安裝在壓塊凸臺上，取消了鉚壓工藝，并且測量壓塊間隙時，與頂針不接觸，因此不會出現(xiàn)被頂針頂脫落或者頂歪現(xiàn)象，防止假間隙的發(fā)生，有利于噪音優(yōu)化。

3 結(jié)束語

隨著電動汽車以及乘用車的快速發(fā)展，整車對轉(zhuǎn)向機(jī)的性能要求越來越高，除了具有很強(qiáng)的承載能力外，還需要具有很高的靈敏度，優(yōu)異的手感表現(xiàn)以及噪音表現(xiàn)。因此本新型設(shè)計(jì)蝶形彈簧相比于現(xiàn)有膜片彈簧，無論從材料性能方面具有更高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度外，還具有剛度大，剛度衰減小，預(yù)緊力大，以及工藝裝配優(yōu)越等優(yōu)勢。

優(yōu)異的材料性能以及剛度性能為轉(zhuǎn)向機(jī)壓塊機(jī)構(gòu)提供了更大的預(yù)緊力，提高了轉(zhuǎn)向機(jī)的承載能力以及使用壽命，穩(wěn)定的剛度變化，為轉(zhuǎn)向機(jī)耐久后優(yōu)異的噪音表現(xiàn)提供依據(jù)。

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