電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)齒條加工工藝的研究

蔡向東

(上海北特科技股份有限公司，上海 201816)

0 引言

乘用車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)向精準、能耗低、環(huán)保性好、易實現(xiàn)自動駕駛等優(yōu)點，歐美日發(fā)達國家在2004年就開始逐步用電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，國內(nèi)在2010年開始逐步代替。近5年，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已大幅度代替了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)， 目前國內(nèi)市場占有率約90%。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)助力方式分為管柱助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[1](Column Electric Power Steering System，C-EPS)，轉(zhuǎn)向齒輪助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Pinion Electric Power Steering System ，P-EPS)，轉(zhuǎn)向齒條助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Rack Electric Power Steering System，R-EPS)。R-EPS 又有2種結(jié)構(gòu)形式，分別是雙齒輪助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Rack EPS Dual Pinon ，R-EPS-DP)和皮帶輪驅(qū)動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Rack EPS Belt Driving,R-EPS-BD),分別適用于不同級別的乘用車。通常來講C-EPS 和P-EPS齒條齒部單點受力，通常適用于A級經(jīng)濟型車，如大眾捷達、高爾夫、速騰、福特福克斯、本田思域。R-EPS-DP齒條左右有2段齒，分別為主動轉(zhuǎn)向部分齒和伺服助力部分齒。在行駛轉(zhuǎn)彎過程中，齒條2段齒同時受力，轉(zhuǎn)向部分齒由駕駛員手動轉(zhuǎn)動方向盤，通過轉(zhuǎn)向管柱、連接桿、萬向節(jié)、轉(zhuǎn)向齒輪輸入。助力部分齒由ECU、數(shù)據(jù)線、轉(zhuǎn)向馬達驅(qū)動助力齒輪輔助傳動。該轉(zhuǎn)向方式安全性好，通常應用于B級車，如奧迪A4、帕薩特、中華等車，當然也可以用于部分A級車和C級車。R-EPS-BD齒條一端齒部受力，同時齒條另一端的絲桿也受力，可以承載更大的轉(zhuǎn)向推動力，廣泛應用于C級中高檔車和 D級豪華車，如奧迪A6、奔馳S級、寶馬7系、奧迪A8、勞斯萊斯、賓利， Volvo、FORD金牛座等車。圖1清楚地表述了3類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的適用范圍及主要對應的車型等級。

圖1 轉(zhuǎn)向機類型對應的車型等級

1 C-EPS和P-EPS 齒條結(jié)構(gòu)及工藝流程

C-EPS和P-EPS技術(shù)相對簡單，國內(nèi)多家自主品牌的轉(zhuǎn)向機廠家已研發(fā)并批量生產(chǎn)，如荊州恒隆汽車零部件制造有限公司、豫北轉(zhuǎn)向系統(tǒng)股份、杭州世寶汽車方向機有限公司等，而外資JTEKT、ZF、TKP、NSK轉(zhuǎn)向機公司早已大量生產(chǎn)并使用。

CEPS和PEPS內(nèi)的齒條結(jié)構(gòu)比較簡單，如圖2所示。

圖2 齒條結(jié)構(gòu)

齒條兩端螺紋孔連接橫拉桿，齒條一側(cè)有長度約200 mm的齒部與轉(zhuǎn)向齒輪嚙合，把方向盤轉(zhuǎn)向的圓周運動變化為齒條直線移動，帶動橫拉桿來回移動從而帶動輪胎轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)機動車的轉(zhuǎn)向。

不同轉(zhuǎn)向機生產(chǎn)廠家根據(jù)不同車型設計的齒條略有不同，但該類齒條基本工藝流程如下：(1)OP10齒條材料調(diào)質(zhì)處理，滿足一定強度要求。(2)OP20 齒條兩端螺紋的車削機加工。(3)OP30齒條整體無心磨，控制齒條的外徑。(4)OP40齒部制齒( 拉齒、磨齒或銑齒)。(5)OP50齒部熱處理：表面淬火和回火。(6)OP60齒條整體校直。(7)OP70齒條齒部刷齒，去除齒部氧化皮。 (8)OP80齒條表面探傷，裂紋檢查。(9)OP90齒條圓周方向砂帶拋光及齒背部和桿部軸向拋光，進一步降低齒背和桿部的粗糙度值，從而降低齒條移動時和壓塊及襯套移動阻力。更關鍵的是通過軸向拋光，桿部及齒背部的紋路和其工作的方向一致，減少移動阻力，降低噪聲。(10)OP100清洗轉(zhuǎn)入裝配。

對于主要工藝分析如下：

(1)OP10齒條材料調(diào)質(zhì)處理。齒條是安全零件，為使齒條長久耐用，能適應各種路況，對齒條材料的強度有一定要求。原材料要預先熱處理以滿足其使用要求及后續(xù)加工的要求，材料通常有優(yōu)質(zhì)合金鋼37CrS4， 優(yōu)質(zhì)碳鋼S45SC、S48C、40Cr等。原材料在鋼廠通過自動超聲探傷檢查，確保齒條使用的鋼材內(nèi)部無裂紋等缺陷[2]。目前國內(nèi)最新最優(yōu)的齒條材料調(diào)質(zhì)處理工藝是上海北特科技股份有限公司和北京機電研究所聯(lián)合開發(fā)的齒條長料自動感應調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線具有效率高、環(huán)保性好、長料變形小、易實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)、每批材料熱處理后性能一致性高等優(yōu)點，已代替?zhèn)鹘y(tǒng)的短料網(wǎng)帶爐調(diào)質(zhì)方式。

該公司通過長期調(diào)試并優(yōu)化齒條材料感應調(diào)質(zhì)的生產(chǎn)參數(shù)，目前該公司的齒條材料調(diào)質(zhì)工序已取得如下成果：

①在調(diào)質(zhì)好的材料同一截面的1/4D位置及圖3中點1、2、3和4的位置，測量硬度HRC值?？紤]到測量誤差，散差在HRC1內(nèi)。

以外圓直徑26 mm的齒條棒料為列，測量示意圖及測量試塊如圖3所示，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

②調(diào)質(zhì)好的同一根長料通常在6 m左右， 在軸向取頭、中、尾3個截面，同時測量1/4D位置的硬度。

軸向截取的測量截面如圖4所示，測量數(shù)據(jù)見表2。

圖3 測試塊截面和測量點

表1 試塊測量點的硬度測量值(齒條硬度要求22HRC～28HRC)

圖4 軸向測量硬度的截面位置

表2 硬度測量值(齒條硬度要求22HRC～28HRC)

硬度散差在HRC3內(nèi)，適用于大批量自動化生產(chǎn)。

(2)OP40齒條齒部制齒。轉(zhuǎn)向機內(nèi)齒條齒部長度大約為200 mm, 一般有25～32個齒，模數(shù)通常在1.7～2.2 mm之間，

需主要控制齒部壓力角、齒節(jié)距、跨棒距、螺旋角及齒部表面粗糙度等， 制齒工藝目前有拉齒、銑齒、磨齒、插齒、溫鍛和擺碾。

①拉齒工藝。齒條固定在拉齒機的夾具內(nèi)，拉刀前進，完成對齒條齒部的拉削，一次加工，尺寸穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高[3]。拉刀上有前部的平面拉刀、中部的齒形拉刀及后部的齒形修正拉刀 。拉齒設備剛性大，占地面積大，投資額大，拉刀成本高，交貨周期長，拉刀拉齒4 000～8 000個后需要修磨，需要配置拉刀修磨機，更換拉刀的技術(shù)要求比較高。該工藝適合訂單穩(wěn)定、大批量、少品種的生產(chǎn)模式，如博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司采用該工藝生產(chǎn)大眾PQ35平臺、MQB平臺、上海通用D2平臺的齒條，捷太格特轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(廈門)有限公司用該工藝生產(chǎn)豐田系列的齒條。

②銑齒工藝。齒條在齒條銑削設備上被液壓夾緊，成型滾刀旋轉(zhuǎn)前進，完成齒條齒部的銑削。由于齒條整體銑削是連續(xù)切削，齒面粗糙度比拉齒好，齒部的尺寸主要由滾刀來保證，設備的剛性和夾具也起關鍵作用[3]。銑削設備的投資比拉齒少，滾刀單價為3～6萬元 ，交貨期比拉刀短，加工節(jié)拍比拉齒長。非常適合多品種中小批量的生產(chǎn)模式，也非常適合前期樣品的開發(fā)。目前上海北特科技股份有限公司、耐世特汽車系統(tǒng)(蘇州)有限公司等采用該模式生產(chǎn)齒條。

③磨齒工藝。對于精度要求高的轉(zhuǎn)向機齒條，磨齒工藝是最佳選擇，齒部的表面粗糙度比拉齒、銑齒好，齒部的尺寸精度更高。目前博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司南京分公司采用該工藝加工R-EPS-DP轉(zhuǎn)向機上的齒條，用于BMW、Volvo、奔馳等車型。齒條磨齒時，可以同時放5～8根齒條，液壓夾具夾緊齒條，成型砂輪強力磨削，齒條的齒部磨削完成。每次成型砂輪磨削時，通過成型金剛滾輪來修正，保證每次磨削后的齒條齒部尺寸一致。

④插齒工藝。 在插齒專機上夾緊齒條，盤型插刀用展成法上下插齒，齒條和盤型插刀配合移動，逐步插出齒條的齒。該工藝適合樣品試制、微小批量生產(chǎn)模式。

⑤溫鍛和擺碾工藝。主要適用于變節(jié)距的齒條，變節(jié)距齒條簡稱VGR齒條(Variable Gear Ratio)，用于線角傳動比變化的轉(zhuǎn)向機，特斯拉、歐洲的BMW、奔馳、雅閣8、保時捷等車已廣泛使用該技術(shù)。該技術(shù)的核心優(yōu)勢是轉(zhuǎn)向機的線角傳動比因方向盤位置不同而變化。汽車高速行駛時，方向盤通常在中間位置， 線角傳動比最低，方向盤轉(zhuǎn)動一個角度，齒條移動距離小，汽車轉(zhuǎn)向的角度就小，汽車能更加平穩(wěn)行駛。根據(jù)車型需要，部分車型線角傳動比需要在汽車拐彎時增大， 如賽車，其線角傳動比如圖5所示。

方向盤在初始中間位置時，線角傳動比最低為55 mm/圈，汽車高速平穩(wěn)行駛，隨著方向盤轉(zhuǎn)動，齒輪離開齒條中間齒部位置，傳動比增大，當方向盤轉(zhuǎn)動到±200°時，線角傳動比達到80 mm/圈， 汽車可以實現(xiàn)積極快速轉(zhuǎn)向。

部分車型需要在汽車低速泊車時使線角傳動比適當下降，減少轉(zhuǎn)向力，減少電動馬達的負載， 線角傳動比如圖6所示。

圖5 賽車線角傳動比

圖6 M型線角傳動比

方向盤在初始中心位置時線角傳動比是 55 mm/圈， 汽車高速平穩(wěn)行駛，當方向盤轉(zhuǎn)動到離開初始中心位置100°的過程中，線角傳動比從55 mm/圈逐步提升到80 mm/圈，該傳動比一直穩(wěn)定到方向盤轉(zhuǎn)動角度到200°位置。當方向盤轉(zhuǎn)動超過200°位置時， 線角傳動比逐步下降到62 mm/圈，此時齒輪嚙合在齒條的齒部左右兩端位置，基本是泊車時齒輪的位置，方向盤大約轉(zhuǎn)動了350°，傳動比降低，轉(zhuǎn)向力也降低。

VGR齒條實物照片如圖7所示。

圖7 VGR齒條實物照片

為實現(xiàn)變傳動比，齒條齒部的齒形狀、螺旋角度、節(jié)距、齒厚度都不相同，無法用拉齒、銑齒等傳統(tǒng)工藝完成，必須通過模具鍛壓或擺碾工藝來完成。

溫鍛工藝是把齒條的齒部加熱到800 ℃以上，再快速放入鍛壓機的模架模具內(nèi)，成型模具壓下，完成齒條齒部的加工。溫鍛工藝具有效率高、尺寸穩(wěn)定、對齒條材料要求低、模具壽命長等優(yōu)點，適合于大批量生產(chǎn)的模式。

擺碾工藝是齒條的齒部材料預先球化退火軟化，再把齒條放入擺碾機內(nèi)，通過模具擺碾成型，最后銑削工藝把齒條齒部兩側(cè)面多出的毛刺銑削掉。該工藝優(yōu)點是設備投資少，不需要對齒條齒部短時間內(nèi)加熱，但需要對材料預先處理，費用高。同時，模具壽命比溫鍛要低，綜合成本比較高。德國博世汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司采用該工藝。

在德國，目前主要是蒂森克虜伯轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司、 德國博世轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司、MVO公司使用以上技術(shù)大批量生產(chǎn)VGR齒條；國內(nèi)，部分轉(zhuǎn)向機公司正處在研究階段。

(3)OP50齒部的熱處理：表面淬火硬化。轉(zhuǎn)向齒輪和齒條的齒部長期作嚙合運動，因此必須提高齒部的表面硬度，通常要求達到55HRC～60HRC，以提高齒部長期工作的耐磨性，延長其工作年限。同時又要保證齒條有一定的強度和韌性，保證齒條的抗沖擊力。因此，通常對齒條的齒部進行表面感應熱處理， 有以下3種方法：①接觸式齒部導電淬火。通過淬火頭和齒部兩端接觸，通過高頻電流，形成集膚效應，齒部短時間內(nèi)受熱，達到淬火加熱溫度后噴淬火液急劇冷卻，形成淬火過程。②接觸式齒背、齒部導電淬火。③非接觸式齒條齒部整體感應淬火。

以上3種方法最后都要進行及時低溫回火處理或者感應回火，消除感應淬火的內(nèi)應力，淬火組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火馬氏體，減少淬火裂紋的產(chǎn)生[4]。

該工序是齒條關鍵工序，要在短時間內(nèi)把齒部加熱再急劇冷卻實現(xiàn)表面感應淬火，工件變形不能太大，否則后續(xù)校直比較困難，并有校直裂紋的風險產(chǎn)生。同時，要控制淬火裂紋率，淬火裂紋率必須要低，通?？刂圃?.2%以內(nèi)。

(4)OP60齒條的校直工序。齒條在前道工序齒部淬火回火后難免變形，通過校直工藝能保證齒條的整體直線度。在2000年左右，國內(nèi)通常采用手工壓機來校直，效率低、工人勞動強度大，后來部分合資企業(yè)如上海采埃孚轉(zhuǎn)向機有限公司購買德國MAE公司的齒條校直機校直齒條，提高了生產(chǎn)效率，但設備昂貴。國內(nèi)吉林瑞銘機電設備有限公司研發(fā)的智能齒條校直機，采用自主研發(fā)的計算模型，經(jīng)過多次試驗提高驗證精度，在齒條校直性能上和MAE基本類似，設備價格比MAE低很多，國內(nèi)多家主機廠采用該設備來校直齒條。

2 R-EPS-DP 齒條結(jié)構(gòu)和制齒工藝

R-EPS-DP齒條,有兩段齒，又稱雙齒齒條，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 R-EPS-DP雙齒齒條結(jié)構(gòu)

與C-EPS齒條相比，該齒條左右各有一段齒，與齒輪嚙合傳動。對于左側(cè)駕駛的乘用車，左端齒和驅(qū)動齒輪嚙合，驅(qū)動齒輪的力和方向是通過駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向管柱，通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的轉(zhuǎn)向連桿、萬向節(jié)和輸入軸輸入，右端齒通過ECU和數(shù)據(jù)線及伺服電機帶動的助力齒輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)同步的助力移動。R-EPS-DP齒泵可以比C-EPS承受更大的載荷力。

雙齒齒條的制造難點是第二段齒的加工，為保證兩段齒圓周方向的角度在一定公差范圍內(nèi)，通常在±24′內(nèi)，考慮到齒條材料在制齒、熱處理過程中會變形，通常將制齒工序控制在±8 min內(nèi)。

目前,第二段齒有拉齒工藝和銑齒工藝兩種加工方法。

(1)拉齒工藝。在一套組合拉齒機上先拉第一段齒，然后機械手抓緊工件，旋轉(zhuǎn)一定角度插入第二段拉齒夾具內(nèi)夾緊，拉第二段齒，保證兩段齒圓周方向的角度在一定范圍內(nèi)。該工藝效率高，一致性好，適合大批量生產(chǎn)，如博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司采用該方式大批量生產(chǎn)多種R-EPS-DP雙齒齒條。

(2)銑齒工藝。齒條左端在第一臺銑齒機完成后上第二臺銑齒設備，設備C的數(shù)控軸夾緊工件的左端并旋轉(zhuǎn)，測量頭前進測量已加工好的左端齒面，設備C的數(shù)控軸再旋轉(zhuǎn)一定角度， 銑齒夾具夾緊齒條右端后開始銑右端齒，最終完成兩段齒的加工，保證兩段齒條的周向角度一致。設備柔性強，投資比拉齒低，但效率也低，非常適合中小批量的生產(chǎn)模式。

通常R-EPS-DP雙齒齒條需經(jīng)過整體感應淬火和回火，以完成齒條的淬硬熱處理。

3 R-EPS-BD滾珠絲桿齒條

R-EPS-BD滾珠絲桿齒條結(jié)構(gòu)如圖9所示。該齒條左端是齒，與轉(zhuǎn)向齒輪嚙合；右端是絲桿，與電機皮帶驅(qū)動的螺套配合，實現(xiàn)電動助力傳動。右端的絲桿，要求高，加工量大，加工工藝是個難點，通常有以下3種工藝。

(1)齒條左端制齒后，整體淬火桿部和齒部，強力磨削絲桿。該工藝特點是磨削絲桿尺寸精度高，對原材料要求比較低，但對設備要求比較高。

(2)齒條左端制齒后，通過強力滾壓工序制絲桿。特點是工序簡單，但對原材料及強力滾壓設備要求比較高，否則會影響絲桿的尺寸。

(3)集合以上2種工序，齒條左端制齒后，通過強力滾壓工序制絲桿，預留磨削余量，再對齒條整體感應淬火回火，校直后用絲桿磨床強力磨削絲桿。該方法磨削余量少，效率高，砂輪磨損少，但缺點是設備投資總額大，工序長。

圖9 R-EPS-BD滾珠絲桿齒條結(jié)構(gòu)

R-EPS-BD轉(zhuǎn)向機對內(nèi)部零部件尺寸要求高，整體設計難度大，目前在國內(nèi)基本由博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、捷太格特、ZFTRW、耐世特汽車系統(tǒng)(蘇州)有限公司等壟斷生產(chǎn)并供應，值得一提的是國內(nèi)民族品牌杭州世寶汽車方向機有限公司正在嘗試研發(fā)該類型轉(zhuǎn)向機。

4 智能自動化生產(chǎn)

工業(yè)4.0時代, 智能自動化生產(chǎn)是主流，OP60～OP100的多道工序，通過自動上下料系統(tǒng)可以實現(xiàn)工件自動上下料，工件自動從一臺設備轉(zhuǎn)移到另一臺設備，在探傷工序時需要工人磁粉目視探傷檢測，其余過程都可以通過機械手、工業(yè)機器人、感應器、傳動裝置來實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，降低工人勞動強度。目前上海北特科技股份有限公司、東莞恩斯克(NSK)轉(zhuǎn)向器有限公司、捷太格特轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(廈門)有限公司等多家公司擁有以上齒條生產(chǎn)線 ，且生產(chǎn)線運行良好。

5 結(jié)束語

主要介紹了多種電動助力轉(zhuǎn)向器內(nèi)齒條的主要結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝。介紹了國外最新的VGR齒條制齒工藝、R-EPS-DP及 R-EPS-BD齒條的關鍵工藝。為汽車轉(zhuǎn)向機內(nèi)齒條的生產(chǎn)工藝及規(guī)劃提供一定的參考。