機(jī)械轉(zhuǎn)向器件結(jié)構(gòu)改善研究

李波，梁阿南

北京汽車研究總院有限公司 北京 101300

隨著人們對(duì)汽車乘坐舒適度的要求提高，整車噪聲控制顯得尤為重要，人們對(duì)車輛聲音和振動(dòng)的印象直接決定了購買意愿。近些年來，汽車開發(fā)領(lǐng)域中的“聲學(xué)和振動(dòng)技術(shù)”越來越突顯出其重要意義，并取得了顯著的進(jìn)步。

聲學(xué)研究中把轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲分為操作噪聲和功能噪聲，劃分的依據(jù)是駕駛?cè)藢?duì)噪聲的影響程度和噪聲的持續(xù)時(shí)間[1]。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲和異響一直是困擾汽車行業(yè)的技術(shù)難題，是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抱怨率最高的故障模式。轉(zhuǎn)向異響是衡量整車及系統(tǒng)質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，也一直是國(guó)內(nèi)外整車及零部件供應(yīng)商重點(diǎn)關(guān)注的問題。隨著NVH要求的提高以及電動(dòng)車的普及，如何有效遏制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響，成為當(dāng)前及未來汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)的的重點(diǎn)課題。

本文基于對(duì)某款車型在產(chǎn)品開發(fā)前期，試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向異響案例，展開對(duì)異響源的鎖定、異響樣件的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化以及臺(tái)架試驗(yàn)，找出轉(zhuǎn)向異響的影響因素。根據(jù)各失效原因制定對(duì)應(yīng)整改措施，從轉(zhuǎn)向異響的模式、原理、控制方法、臺(tái)架及整車測(cè)試方法、結(jié)構(gòu)參數(shù)改進(jìn)及軟件優(yōu)化等方面著手，細(xì)化剖析，力求探究問題根本，以達(dá)到從設(shè)計(jì)初期降低轉(zhuǎn)向異響風(fēng)險(xiǎn)的目的，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證整改措施，有效改善轉(zhuǎn)向異響問題。

問題描述

某款匹配管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的車型在產(chǎn)品開發(fā)初期，動(dòng)態(tài)路試時(shí)檢測(cè)到底盤異響（見圖1）。經(jīng)過路試人員主觀評(píng)價(jià)，初步判斷異響為碰撞異響，來源于底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)路試轉(zhuǎn)向異響一般會(huì)與原地轉(zhuǎn)向異響同時(shí)存在，通過原地打轉(zhuǎn)向并在駕駛室內(nèi)探尋異響來源，可判斷異響為車身前隔板外發(fā)動(dòng)機(jī)室下部發(fā)出。準(zhǔn)確鎖定轉(zhuǎn)向異響位置，需進(jìn)行轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)部件客觀數(shù)據(jù)采集分析。

圖1 轉(zhuǎn)向器測(cè)試部位

在異響路面，通過LMS數(shù)據(jù)采集主機(jī)測(cè)量齒條襯套位置、轉(zhuǎn)向器調(diào)整體位置及左側(cè)內(nèi)拉桿（L.IBJ）和右側(cè)內(nèi)拉桿（R.IBJ）位置振動(dòng)加速度[2]。通過客觀測(cè)試，采用LMS.TEST.LAB將測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)域波形整理出來（見圖2）。經(jīng)過采集車輛轉(zhuǎn)向器總成異響數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對(duì)比分析，可確定異響位置在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向器齒條襯套及齒輪齒條調(diào)整體位置。

圖2 轉(zhuǎn)向器測(cè)試數(shù)據(jù)

問題原因分析

該轉(zhuǎn)向異響是一種“嗒嗒”的碰擊聲，屬于碰撞異響。碰撞異響主要指臨近或相互接觸的零部件在動(dòng)態(tài)載荷的作用下，相互撞擊產(chǎn)生的噪聲。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時(shí)，轉(zhuǎn)向器齒輪軸與齒條嚙合傳動(dòng)，在這個(gè)過程中，齒條在受到軸向推力的同時(shí)，還受到來自齒輪軸的徑向推力[3]。受此推力影響，齒條會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)離齒輪軸的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，為此，在齒條后部裝有調(diào)整體，齒條末端裝有支撐套，以保證轉(zhuǎn)向器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)性能最佳。凹凸路面時(shí)，受路面逆沖擊，如果齒條與調(diào)整體之間、齒條與支撐套之間間隙較大，將會(huì)產(chǎn)生碰撞異響。

根據(jù)對(duì)異響轉(zhuǎn)向器樣件的拆解分析和異響復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，以及轉(zhuǎn)向異響主觀評(píng)價(jià)及客觀測(cè)試分析，確認(rèn)異響原因有以下幾點(diǎn)。

1）齒輪齒條間隙過大。齒輪齒條的緊密貼合是靠壓塊、彈簧及調(diào)整螺塞組合所提供的壓緊力實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)齒條受外力作用時(shí)會(huì)遠(yuǎn)離齒輪軸，而此時(shí)齒條與齒輪軸形成的最遠(yuǎn)距離即是齒輪齒條的嚙合間隙。齒輪齒條嚙合間隙越大，齒條脫離齒輪軸的距離越遠(yuǎn)，因此在受到路面沖擊時(shí)，相互撞擊產(chǎn)生的異響就越大。由此可知，合理控制齒輪齒條間隙成為控制轉(zhuǎn)向器異響的關(guān)鍵點(diǎn)。

2）調(diào)整體與殼體間O形圈硬度低，在運(yùn)動(dòng)過程中，調(diào)整體與殼體產(chǎn)生碰撞異響。調(diào)整體與調(diào)整螺塞間無軸向緩沖裝置，轉(zhuǎn)向器在承受軸向大載荷沖擊時(shí)，易發(fā)生沖擊異響問題。

3）齒條與支撐套間隙過大。支撐套在轉(zhuǎn)向器中起到支撐齒條、使齒條在運(yùn)動(dòng)過程中保持直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的作用。若支撐套與齒條間隙過大，會(huì)導(dǎo)致齒條在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生偏斜，從而產(chǎn)生異響。當(dāng)車輛通過顛簸路面時(shí)，異響尤為明顯。

根據(jù)以上分析，確定導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器異響原因，需對(duì)轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化來改善異響。但隨著對(duì)轉(zhuǎn)向器間隙的控制，轉(zhuǎn)向器齒條逆向推力參數(shù)也隨之增大，需要通過調(diào)整電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器阻尼補(bǔ)償，解決結(jié)構(gòu)改進(jìn)產(chǎn)生的性能下降問題。

制定優(yōu)化方案

為滿足整車駕駛的NVH需求，同時(shí)又必須保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在所有工況下均不得出現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)改進(jìn)而影響轉(zhuǎn)向性能，需從如下方向進(jìn)行整改，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解決異響問題，保證轉(zhuǎn)向性能不降低。

1.合理控制齒輪齒條間隙

通過在生產(chǎn)線控制齒輪與齒條的徑向嚙合間隙全行程在0.1mm以下，優(yōu)化為徑向嚙合間隙在±180°范圍內(nèi)0.08mm以下，其他范圍在0.1mm內(nèi)[4]?？刂妻D(zhuǎn)向器齒輪齒條初始間隙，可有效減少耐久后轉(zhuǎn)向異響的發(fā)生。

2.合理調(diào)整體與殼體結(jié)構(gòu)，增加軸向緩沖裝置

目前，常用的調(diào)整體結(jié)構(gòu)主要有兩種：第一種是外圓不帶O形圈；第二種外圓只帶一個(gè)O形圈。

不帶O形圈的結(jié)構(gòu)因調(diào)整體外周與殼體內(nèi)壁之間無O形圈的緩沖作用，二者之間極易產(chǎn)生撞擊出現(xiàn)異響；帶一個(gè)O形圈的結(jié)構(gòu)，因只有一個(gè)O形圈，調(diào)整體上下運(yùn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)向作用較差，使調(diào)整體容易偏斜而與殼體產(chǎn)生撞擊異響。

為有效解決轉(zhuǎn)向器異響，對(duì)轉(zhuǎn)向器調(diào)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在外圓方向采用增加兩個(gè)O形圈，端面增加一個(gè)O形圈[5]（見圖3）。新結(jié)構(gòu)可有效彌補(bǔ)前兩種結(jié)構(gòu)的弊端，有效改善顛簸路碰撞異響。

圖3 轉(zhuǎn)向器調(diào)整體結(jié)構(gòu)示意

圖4 改善結(jié)構(gòu)位置視圖

3.合理控制齒條與支撐套間隙

將齒條與支撐套兩個(gè)方向間隙之和由≤0.2mm調(diào)整為≤0.15mm（在齒條末端依次施加垂向推力和拉力各60N），支撐套與齒條間隙，是齒條直徑、支撐套尺寸及剛度、殼體尺寸、O形圈線徑和硬度等因素綜合影響的結(jié)果[6]。本次更改是通過調(diào)整齒條襯套硬度，硬度由70HS改為90HS，實(shí)現(xiàn)將間隙控制在要求的范圍，同時(shí)在新型襯套齒條接觸面設(shè)計(jì)兩道溝槽來存放油脂，可減少滑動(dòng)摩擦力，降低磨損。

4.平衡齒條逆向推力，重新進(jìn)行EPS調(diào)校

轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整后，轉(zhuǎn)向異響問題得到改善，但相應(yīng)轉(zhuǎn)向器的逆向推力會(huì)隨著對(duì)間隙的控制而增大。逆向推力參數(shù)的增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦感增強(qiáng)。主觀評(píng)價(jià)感受為轉(zhuǎn)向不順滑，轉(zhuǎn)向性能降低。為平衡轉(zhuǎn)向性能，基于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過電子控制單元ECU進(jìn)行性能調(diào)校工作，補(bǔ)償轉(zhuǎn)向逆推力帶來的性能降低。

通過電動(dòng)助力調(diào)校參數(shù)的調(diào)整，在避免轉(zhuǎn)向異響的同時(shí)，有效提升了轉(zhuǎn)向性能。

效果驗(yàn)證

根據(jù)上述優(yōu)化方案思路，細(xì)化具體方案，通過采取轉(zhuǎn)向器嚙合間隙控制，調(diào)整體組件結(jié)構(gòu)調(diào)整、齒條襯套間隙控制及阻尼補(bǔ)償?shù)却胧?，有效改善了整車轉(zhuǎn)向異響的發(fā)生。對(duì)以上更改方案進(jìn)行整車耐久路試，并進(jìn)行整車客觀測(cè)試及主觀評(píng)價(jià)，以確定改善效果。測(cè)試設(shè)備采用LMS數(shù)據(jù)采集主機(jī)、傳聲器、三向加速度器及聲學(xué)標(biāo)定器等。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后測(cè)試結(jié)果

從圖6可以看出，上述方案實(shí)施后，轉(zhuǎn)向異響問題改善效果明顯，經(jīng)過綜合耐久路試及主觀評(píng)價(jià)，轉(zhuǎn)向性能通過驗(yàn)收。

結(jié)語

本文根據(jù)轉(zhuǎn)向異響發(fā)生的現(xiàn)象，對(duì)轉(zhuǎn)向器因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而產(chǎn)生轉(zhuǎn)向異響的原因進(jìn)行了分析，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并制定了相應(yīng)整改措施，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，方案可行，可有效解決轉(zhuǎn)向異響問題并保證轉(zhuǎn)向性能。

通過本次對(duì)轉(zhuǎn)向異響問題原因分析、方案制定及試驗(yàn)驗(yàn)證等工作，得出以下結(jié)論。

1）針對(duì)試驗(yàn)過程中或客戶反饋的異響問題，要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行確認(rèn)與分析，找準(zhǔn)產(chǎn)生異響的部位，再根據(jù)異響產(chǎn)生的部位分析具體的產(chǎn)生原因，制定有效的改進(jìn)或預(yù)防對(duì)策。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，通過控制轉(zhuǎn)向器齒輪齒條嚙合間隙、調(diào)整體結(jié)構(gòu)及齒條襯套間隙，可有效降低轉(zhuǎn)向異響。

2）對(duì)于轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)調(diào)整引起的轉(zhuǎn)向性能不良，通過電動(dòng)助力參數(shù)調(diào)校可平衡異響與性能之間的關(guān)系，達(dá)到最優(yōu)效果。

通過本文的分析研究，為后續(xù)此類問題的解決提供了寶貴的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在以后電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)過程中，通過對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和充分驗(yàn)證，以及調(diào)校參數(shù)的合理匹配，可有效防止轉(zhuǎn)向異響問題。