間隙調整機構預緊彈簧對轉向器異響的分析

劉陽峰 王 京 吳增月 王英歡 劉增利（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

間隙調整機構預緊彈簧對轉向器異響的分析

劉陽峰 王 京 吳增月 王英歡 劉增利
（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

本文分析了齒輪齒條式轉向器撞擊音的產生原因，并通過更改壓緊彈簧的結構形式來控制調整體的壓緊力，進而降低齒輪齒條的撞擊音。

齒輪齒條；壓緊彈簧；撞擊音

1 背景

齒輪齒條式轉向器以其結構簡單緊湊、重量輕、傳動效率高等優(yōu)點被廣泛的應用在乘用車當中。汽車轉向時，駕駛員通過轉向操縱機構將轉向力傳遞至轉向器的輸入軸，轉向器輸入軸與小齒輪為一整體，并且齒輪與齒條相嚙合，當齒輪轉動時會帶動齒條產生軸向位移，進而操控轉向節(jié)轉動，帶動車輛轉向。但是當整車在顛簸路行駛或者整車快速換向時，齒輪齒條會相互撞擊從而產生異響，影響整車品質。

2 產品結構異響產生機理

現(xiàn)在乘用車普遍采用齒輪齒條式轉向器，主要由小齒輪、齒條、間隙調整機構及殼體組成。其中，間隙調整機構通常采用螺旋彈簧壓在調整壓塊上來對齒條施加預緊力的形式。轉向器裝在整車上加載后，齒輪轉動時，齒輪齒條嚙合部位會產生驅動力驅動齒條軸向移動，但同時也會產生一個沿著齒條徑向的分力，使齒輪齒條之間產生相互分離的趨勢。當齒輪齒條處于無負荷狀態(tài)或小負荷狀態(tài)下，齒條在間隙調整機構的預緊力作用下克服受到的徑向分離力，此時齒輪齒條處于完全嚙合狀態(tài)；但是當駕駛員進行緊急避讓動作，或者車輛行駛在顛簸路面時，轉向器齒輪齒條將承受較大的沖擊，此時齒輪齒條嚙合時產生的徑向分離力大于調整體的預緊力，使得兩者之間產生間隙，當突然換向時齒輪齒條之間產生沖擊異響，如圖1所示。

3 異響改善方案

為避免大負荷時沖擊異響的產生，需將預緊力加大。根據胡克定律：F=k*x可知，增加預緊力的方式有兩種：一是加大彈簧的壓縮行程，由于調整機構處的間隙非常小，故增加壓縮行程的方案不可行；二是加大彈簧的彈性系數，此方案具有可實施性。由于調整結構普遍采用螺旋彈簧，但螺旋彈簧的彈性系數是定值，即彈簧施加的力與變形量成線性比例增加，提升螺旋彈簧的彈性系數會導致小負荷時的預緊力同時得到增大，過大的預緊力將導致齒輪齒條嚙合處及調整體與齒條接觸的部位的摩擦力提高，會導致該處的磨損加劇，進而降低產品的可靠性。因此，現(xiàn)在部分轉向器總成的調整機構選擇膜片彈簧來替代螺旋彈簧，膜片彈簧具有變剛性的特性，彈簧強度與變形量存在非線性關系，當變形量加大時，彈性系數會增加，進而加大預緊力，如圖2所示。通過計算選取合適的膜片彈簧，可同時滿足轉向器在不同負荷時對預緊力的要求。

4 試驗分析

對齒輪齒條受力進行驗證分析：首先進行間隙測試，當齒條處于中間位置，在齒條徑向施加與預緊彈簧相反的力，使壓塊與調整螺母接觸，測量設備指針與壓塊接觸，標定此時的壓塊間隙為0。釋放齒條上的徑向力，此時在預緊彈簧的壓力下，壓塊與調整螺母之間產生間隙，此處測得的壓塊唯一變化量即壓塊間隙，由于壓塊間隙越大齒輪齒條嚙合間隙過小，從而間接測量出齒輪齒條嚙合的間隙。

然后進行換向模擬測試：將轉向器固定在臺架上，齒條兩端加載荷，快速換向，同時記錄齒輪齒條嚙合間隙數值。在轉向機換向瞬間，壓塊受到一個向外的力，使壓塊向外運動，此時壓塊間隙減小，即齒輪齒條嚙合間隙增大。

以某款車型為例：齒條最大輸出力為7150N，通過力矩平衡計算，正常轉向過程中齒輪齒條產生的沿齒條徑向的分離力為300N，此時螺旋彈簧預緊力與膜片彈簧預緊力基本一致，均能滿足轉向器的需要，使齒輪齒條處于接觸狀態(tài)或小間隙狀態(tài)；當車輛進行緊急避讓時或行駛在顛簸路面時，齒條承受劇烈的沖擊，此時壓塊間隙迅速間隙，即齒輪齒條嚙合間隙加大，所需要的預緊力為1150N，螺旋彈簧已不能滿足需求，齒輪齒條產生較大的間隙，導致異響產生，但膜片彈簧的變剛性特性則能夠滿足所需的預緊力，會保證齒輪齒條的解除狀態(tài)或者小間隙狀態(tài)，進而消除異響。

5 結論

對于小型車輛，車輛的前軸載荷較小，轉向器轉向時的負載偏小，轉向器的調整機構采用螺旋彈簧就能夠提供合適的壓緊力以保證整車在顛簸路面行駛時或進行緊急避讓時不會產生異響問題。但對于載荷較大的車型，由于其前軸載荷較大會導致轉向器在轉向過程中有一個較大的負載，此時如果轉向器調整機構仍采用螺旋彈簧來提供預緊力，是不能滿足整車在壞路上行駛時保證齒輪齒條具有較小間隙的預緊力的，故需要使用具有變彈性系數的膜片彈簧來作為壓緊彈簧，進而消除快速換向及顛簸路行駛時的沖擊異響問題。

[1]張鐵山，孫寧，劉科陽.齒輪齒條調整體rattle噪音分析與研究[J].第十屆河南省汽車工程技術研討會：162-163.

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