電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)蝸輪蝸桿摩擦異響研究

梁阿南 楊子發(fā) 李波 張琪 白艷飛

（1.北京汽車研究總院有限公司；2.北京汽車集團越野車有限公司）

1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響概述

管柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（C-EPS），是一種直接依靠電動機提供助力的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。由C-EPS內(nèi)部集成的零部件結(jié)構(gòu)較復雜，在運行過程中，產(chǎn)生的異響會嚴重影響汽車的操控舒適性[1]。常見的轉(zhuǎn)向異響有方向盤轉(zhuǎn)動異響、顛簸路面異響、電機堵轉(zhuǎn)異響[2]，其中C-EPS蝸輪蝸桿摩擦異響是比較難以解決的問題，其所涉及的影響因素也很多。文章結(jié)合產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗，重點介紹了C-EPS蝸輪蝸桿摩擦異響的解決基本思路和方法，達到解決異響的目的，對整車設計開發(fā)有一定的參考意義。

1.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響分類

按照振動異響產(chǎn)生的形式分為旋轉(zhuǎn)類異響、顛簸類異響和沖擊類異響，主要歸納如下：

旋轉(zhuǎn)類異響：旋轉(zhuǎn)類異響產(chǎn)生于連續(xù)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤過程中，此類異響有電機旋轉(zhuǎn)異響和機械旋轉(zhuǎn)異響，電機旋轉(zhuǎn)異響主要是由于電機工作過程中產(chǎn)生的異響。

顛簸類異響：顛簸類異響產(chǎn)生于整車在顛簸路面行駛過程中，由零件之間配合小間隙發(fā)生沖擊產(chǎn)生的振動異響。

沖擊類異響：沖擊類異響產(chǎn)生于當轉(zhuǎn)向盤固定在某個位置，并以此位置作為中點，以一定速度和一定角度返復打方向盤，當轉(zhuǎn)動方向改變的時刻，由于力的方向變化，可以造成不同零件間的碰撞，從而產(chǎn)生的異響[3]。

1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)蝸輪蝸桿摩擦異響特點

電動助力轉(zhuǎn)向管柱蝸輪蝸桿摩擦異響應屬于旋轉(zhuǎn)類異響，其整車表現(xiàn)分為2種現(xiàn)象：1）方向盤啟動瞬間、移車入庫時，緩慢轉(zhuǎn)動方向盤，蝸輪蝸桿嚙合處會出現(xiàn)嘎嘣異響，這種現(xiàn)象是蝸輪蝸桿摩擦、卡滯產(chǎn)生的異響[4]；2）車輛在各速度段，方向盤來回換向，蝸輪蝸桿嚙合處刺耳的嘰嘰聲，尤其在低溫下更明顯，這種現(xiàn)象是蝸輪蝸桿反復摩擦產(chǎn)生的異響。

1.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)蝸輪蝸桿摩擦異響產(chǎn)生機理

摩擦異響主要由于蝸輪蝸桿之間接觸表面發(fā)生粘滑運動，在表面產(chǎn)生不穩(wěn)定振動，產(chǎn)生傳動阻力波動，同時伴隨異響。

粘滑現(xiàn)象是由于靜摩擦和動摩擦的交替出現(xiàn)而引起的，當靜摩擦超過動摩擦，且整個系統(tǒng)中存在著一定程度的彈性時，粘滑現(xiàn)象就會發(fā)生。在粘滑階段，靜摩擦力逐漸增至一定值，一旦外力足以克服這個摩擦力，界面就發(fā)生滑移。粘滑運動本身是低頻的，但引起的聲音通常是高頻的。

1.4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)蝸輪蝸桿摩擦異響的解決思路

控制蝸輪蝸桿摩擦異響的產(chǎn)生，即控制粘滑運動的產(chǎn)生，結(jié)合粘滑運動的產(chǎn)生機理，需從以下幾個方面進行管控：

1）控制、優(yōu)化蝸輪蝸桿尺寸；

2）優(yōu)化蝸輪材料，降低蝸輪摩擦系統(tǒng)，提高蝸輪的耐磨性、尺寸穩(wěn)定性；

3）通過試驗，選用合適的潤滑油；

4）控制蝸輪蝸桿零部件工藝裝配，進行模塊化分組，保證裝配質(zhì)量。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦異響的改進

2.1 蝸輪蝸桿尺寸控制及優(yōu)化

在某產(chǎn)品開發(fā)時，針對摩擦異響樣件進行檢查，發(fā)現(xiàn)蝸輪邊緣及嚙合面有磨損痕跡，蝸桿嚙合表面有磨痕，可以判斷蝸輪蝸桿在運動過程中存在干涉而導致產(chǎn)生異響，如圖1所示。

圖1 蝸輪蝸桿磨損視圖

針對上述問題，對蝸輪進行檢測，發(fā)現(xiàn)蝸輪尺寸存在較大偏差，蝸輪端面跳動偏差較大，這就會導致蝸輪蝸桿接觸不良進而導致接觸壓力的突變，這種力的突變?nèi)菀桩a(chǎn)生增大齒面件的摩擦力進而產(chǎn)生摩擦異響。同時對蝸桿尺寸檢測，發(fā)現(xiàn)蝸桿齒頂存在銳邊，銳邊粗糙比較高，這會劃傷蝸輪嚙合面，從而產(chǎn)生接觸面突變，發(fā)生異響。為解決此問題，需要對蝸輪蝸桿的關鍵尺寸進行控制、優(yōu)化。

2.1.1 蝸輪蝸桿形狀公差控制

目前電動轉(zhuǎn)向管柱系統(tǒng)使用的蝸輪外圈多采用注塑加工工藝，產(chǎn)生異響的蝸輪注塑工藝采用了4點注入孔，造成蝸輪的跳動偏差較大，在轉(zhuǎn)動過程出現(xiàn)摩擦異響。針對此問題，將蝸輪注塑工藝更改成的6點注入孔，極大的提高了公差準確度，同時提升了剛度耐久性能，如圖2所示。

圖2 蝸輪跳動偏差

2.1.2 蝸桿尺寸優(yōu)化

針對蝸桿齒頂存在銳邊的問題，將齒頂進行圓角設計，這樣可以確保不會發(fā)生機械上的粘滯，同時增加研磨工藝，控制蝸桿的表面粗糙度，減少表面劃痕。

2.2 蝸輪材料的選用

蝸輪材料的硬度、吸水率、摩擦磨損、在高低溫下尺寸變化、永久變形等特性與蝸輪蝸桿的摩擦異響有很大關系，不同材料的蝸輪的硬度、吸水率各不相同，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)蝸輪對于材料的總體要求有以下3個方面：

1）具有較低的摩擦系數(shù)和質(zhì)量磨損性能；

2）具有不同的濕度和溫度條件下的尺寸穩(wěn)定性；

3）具有較強的耐候性和老化性能。

2.2.1 蝸桿材料主要性能測試

目前電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)蝸輪材料主要為尼龍，針對不同的蝸輪材料進行主要性能測試，其影響因素如下：

1）蝸輪材料的硬度和吸水率

蝸輪的硬度決定了蝸輪齒的強度，蝸輪硬度越高，蝸輪齒的強度越高，同時也要匹配適當硬度的蝸桿，這樣兩者的兼容性更優(yōu)，更有利于異響的控制。

蝸輪的吸水率決定了蝸輪的尺寸穩(wěn)定性，吸水率越低，尺寸穩(wěn)定性越好，更有利于異響的控制。

2）蝸輪材料的耐磨性

蝸輪的摩擦系數(shù)決定了蝸輪蝸桿的磨損量，理論上講，摩擦系統(tǒng)越低，蝸輪蝸桿磨損量越少，兩者的間隙變化越小，可以減少摩擦異響。

3）蝸輪材料高低溫尺寸變化

蝸輪在低溫、高溫環(huán)境下尺寸會發(fā)生變化，低溫環(huán)境尺寸會減小，導致蝸輪蝸桿間隙增大，產(chǎn)生顛簸路異響或者換向異響。高溫環(huán)境尺寸增加，導致蝸輪蝸桿間隙減小，手力加大，甚至產(chǎn)生摩擦異響。

4）蝸輪材料永久變形

蝸輪經(jīng)過低溫后，都能恢復到原來的尺寸，但是經(jīng)過高溫后，即使冷卻到常溫后，蝸輪的尺寸不可能恢復，可能會導致產(chǎn)品卡滯異響。

5）蝸輪材料的強度

蝸輪材料在不同溫度下，力學性能也不一樣，在高低溫下，材料力學性能強度高，強度保持好，蝸輪可承受的力矩就越大，極限工況下，安全性越高。

綜合各項性能測試結(jié)果，可將各蝸輪材料的性能簡單的進行對比，結(jié)合供應商蝸輪材料使用情況，PA66、PA66G這2種材料綜合性能較好，當然針對不同的產(chǎn)品，還需要對根據(jù)產(chǎn)品的使用情況及成本進行選擇。

2.2.2 蝸輪材料臺架測試

在產(chǎn)品開發(fā)時，對于蝸輪材料選擇是否合理，也可以借助臺架試驗進行驗證，采用多組蝸輪蝸桿進行磨合測試，根據(jù)測試情況進行蝸輪蝸桿材料匹配。

2.3 潤滑脂的選用

潤滑脂用于機械的摩擦部分，起潤滑、密封、填充孔隙及防銹等作用。對于EPS蝸輪蝸桿潤滑脂，其主要功能為潤滑，影響潤滑效果的因素主要有幾個方面。

2.3.1 油脂加注量

潤滑脂太少，無法均勻覆蓋蝸輪蝸桿表面，繼而無法形成有效潤滑油膜，會造成蝸輪蝸桿嚙合面摩擦系數(shù)突變，進而產(chǎn)生摩擦異響，如圖3所示。根據(jù)產(chǎn)品驗證情況看，加注的潤滑油一般要求大于16 g。

圖3 異響件潤滑脂圖片

2.3.2 油脂的兼容性

潤滑脂使用，需要考慮兼容性，比如與機械零件表面的防銹油、機械加工中的潤滑油混合后，摩擦系數(shù)是否會增加，對于潤滑效果會有直接影響。

2.3.3 油脂的牌號影響

潤滑油脂材料配方都較復雜，需選用環(huán)境適應性較高的材料及配方，能在各個溫度范圍內(nèi)、濕度范圍內(nèi)均具有一定良好的流動性，應該充分考慮與蝸輪材料的兼容性。

2.4 蝸輪蝸桿的裝配工藝

因加工設備一致性問題，殼體、蝸輪蝸桿的尺寸、精度并不是完全匹配的，這就需要優(yōu)化殼體、蝸輪、蝸桿的選配流程，控制嚙合間隙、空載、波動和異響[5]。

一般配對原則為，同組別殼體，裝配同組別蝸輪，并裝入對零狀態(tài)蝸桿。

1）殼體分組標準及操作

殼體的中心距需要100%檢測，根據(jù)分組原則歸入不同的組別。

2）蝸桿分組標準及操作

蝸桿的跨棒距要100%檢測，根據(jù)分組原則歸入不同的組別。

3）蝸輪分組標準及操作

蝸輪的中心距需要100%檢測，根據(jù)分組原則歸入不同的組別。

殼體、蝸輪加工完，通過中心距檢測專機全檢分組，分別在殼體、蝸輪上標注檢測組別，蝸桿統(tǒng)一按照對零尺寸加工，加工完后由作業(yè)員全檢[6]。作業(yè)員將對零蝸桿裝入殼體，再將相同組別下轉(zhuǎn)向軸蝸輪總成裝入殼體中，這樣保證了最大化的減少蝸輪蝸桿的配合間隙，避免摩擦異響的出現(xiàn)。

3 結(jié)論

通過以上介紹可以看出，C-EPS蝸輪蝸桿的摩擦異響需要多方面進行控制，其主要原則就是控制蝸輪蝸桿間隙，降低摩擦系數(shù)，使其在轉(zhuǎn)動過程中，嚙合平穩(wěn)順暢。通過研究就未來轉(zhuǎn)向摩擦異響的工作方向作如下建議：1）研究潤滑油脂與蝸輪蝸桿材料的匹配性：考慮采用不同材料的蝸輪與鋼制蝸桿以及采用不用潤滑介質(zhì)的嚙合性能，進一步分析三者之前的搭配使用性能，更深入的優(yōu)化潤滑效果；2）制定多種臺架及整車測試內(nèi)容：按實際樣車出現(xiàn)的問題，將制定多種臺架驗證方案及整車測試內(nèi)容，使在產(chǎn)品開發(fā)初期，能夠更充分的驗證蝸輪蝸桿及潤滑油的搭配性能，保證產(chǎn)品開發(fā)的成功性。