轉(zhuǎn)向器異響及優(yōu)化設(shè)計

摘 要：轉(zhuǎn)向異響是轉(zhuǎn)向器故障的常見的故障，引起故障原因主要有設(shè)計不合理、制造過程不符合工藝引起。本文為對生產(chǎn)過程中不符合工藝引起的一種異響進(jìn)行原因分析和優(yōu)化，從而解決異響問題。

關(guān)鍵詞：齒輪齒條轉(zhuǎn)向器 異響 優(yōu)化設(shè)計

1 前言

現(xiàn)在大部分乘用車基本都使用電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，C-EPS是最便宜的，所以大部分都使用C-EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由電動助力轉(zhuǎn)向管柱和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器構(gòu)成。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、傳動效率高、成本低等特點，在轎車及SUV車型上廣泛應(yīng)用，但異響問題一直都伴隨著齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，通過這么多年解決異響問題的經(jīng)驗積累和優(yōu)化，基本已規(guī)避了大部分，但新開發(fā)轉(zhuǎn)向器仍時有發(fā)生異響。

1.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點

與其他形式的轉(zhuǎn)向器相比，齒輪齒條轉(zhuǎn)向器具有以下優(yōu)點：體積小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、殼體可采用鋁合金或鎂鋁合金鑄造而成，轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量小；制造成本低；傳動效率高達(dá)85%。

1.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的缺點

因為此類轉(zhuǎn)向器的逆效率高（70%左右），汽車在不平路面行駛時，發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪和路面之間的沖擊力，大部分都能傳到方向盤，這會使駕駛員感覺到很明顯的不平路面對方向盤的沖擊，駕駛員容易疲勞經(jīng)過凹凸不平路面，轉(zhuǎn)向盤的突然轉(zhuǎn)動會造成打手；另外，機(jī)械轉(zhuǎn)向器內(nèi)各部件基本都為剛性連接或接觸，當(dāng)加工精度不夠的時候容易產(chǎn)生異響，異響是機(jī)械轉(zhuǎn)向器極易發(fā)的故障。

2 異響原因分析

2.1 某車型齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的異響癥狀

當(dāng)向左慢速轉(zhuǎn)向時，會發(fā)生清脆的異響聲。有3臺故障轉(zhuǎn)向器裝車結(jié)果全行程皆有可能發(fā)生異響，無固定異響點，該件生產(chǎn)批次雖不同，但是生產(chǎn)時間相差不是太大，都在在6個月以內(nèi)。下文是對此異響進(jìn)行拆解分析的過程。

2.2 嚙合間隙過大引起的異響排查

首先進(jìn)行嚙合間隙檢測，內(nèi)核間隙檢測主要檢測嚙合間隙及波動、齒條移動力及波動，嚙合間隙及波動可直觀的反饋其配合情況，為異響源判斷提供直接的依據(jù)。齒輪齒條嚙合間隙一般要求≤0.08mm，過大則容易產(chǎn)生異響，同時也不能太小，太小則會導(dǎo)致齒條移動力過大，影響整車轉(zhuǎn)向手力及回正效果。因此使用嚙合間隙及波動、齒條移動力及波動參數(shù)來控制器間隙，達(dá)到需要的效果。

機(jī)械轉(zhuǎn)向器齒輪齒條間隙過大異響的原因主要有以下幾點。

（1）調(diào)整彈簧預(yù)緊力和剛度過?。赫{(diào)整彈簧預(yù)緊力過小，直接導(dǎo)致齒輪齒條間隙達(dá)不到要求，從而引起異響?，F(xiàn)在生產(chǎn)過程中齒輪齒條間隙值為100%檢測。調(diào)整彈簧剛度過小，則會在齒條使用磨損后，不能很好的彌補(bǔ)其間隙，使得間隙過大產(chǎn)生異響。

（2）齒輪齒條的磨損：?齒輪齒條在車輛使用過程中，由于長期摩擦和沖擊作用，?會導(dǎo)致齒輪齒條端面磨損，?引起間隙變大，從而?在轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生異響。

（3）齒條軸與襯套間隙過大：?齒條軸與襯套間設(shè)計時設(shè)計有一定的間隙， ?然而?如果間隙由于其他原因?qū)е麓碎g隙過大，?就會容易導(dǎo)致齒條震動或共振，?進(jìn)而產(chǎn)生異響。?引起間隙過大原因可能是由于產(chǎn)品設(shè)計不合理或者或加工精度不符合要求，?或者是零部件過度磨損所導(dǎo)致。?

調(diào)整彈簧只能在一定的間隙內(nèi)使齒輪齒條嚙合間隙達(dá)到規(guī)定要求，如果嚙合間隙超過其補(bǔ)償范圍值，則需要重新調(diào)整調(diào)整螺栓，補(bǔ)償彈簧預(yù)緊力，?以保證齒輪齒條始終處于最佳嚙合狀態(tài)。

圖1為轉(zhuǎn)向器間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)：

故障件間隙檢測，檢查結(jié)果如下表1：

經(jīng)過檢測，各性能參數(shù)符合設(shè)計要求，排除齒輪齒條間隙過大導(dǎo)致異響。

2.3 小齒輪竄動檢測

小齒輪竄動引起異響原因主要包括轉(zhuǎn)向器滾針軸承和滾珠軸承設(shè)計選型不合理，及軸承與軸承擋圈間隙設(shè)計不合理，導(dǎo)致小齒輪耐久強(qiáng)度滿足不了要求而損壞，或軸承與軸承擋圈間隙過大，小齒輪沿軸向竄動，引起異響。

2.3.1 向器滾針軸承和滾珠軸承設(shè)計選型不合理

滾針軸承和滾珠軸承型號選用不合理，軸向及徑向力滿足不了使用需求，導(dǎo)致軸承損壞，從而引起上下竄動。軸承選型需根據(jù)齒條力大小計算分析來確定。

齒輪的受力分析：在斜齒輪傳動中，作用于齒面上的法向載荷Fn沿徑向分解為Fr和沿軸向分解為Fa，及分解為沿齒輪的周向分力（圓周力）Ft，如下圖3。

各力大小為：

Ft=2T1/d1

F′=Ft/cosβ

Fr=F′tanαn=Ft*tanαn/cosβ

Fn=F′/cosαn

式中：β——節(jié)圓螺旋角，對標(biāo)準(zhǔn)斜齒輪即分度圓螺旋角；

αn——法面壓力角

αt——端面壓力角

βb——嚙合平面螺旋角

T1——齒輪扭矩

d1——節(jié)圓直徑

由上公式可計算出齒輪軸向力Fa，由于小齒輪的軸向力完全由滾珠軸承承擔(dān)，因此在計算的基礎(chǔ)上，選擇一定安全系數(shù)，確定齒輪軸向力后選擇合適的滾珠軸承。

小齒輪徑向力Fr分別由滾珠軸承和滾珠軸承共同承擔(dān)，承擔(dān)比例根據(jù)齒輪齒條嚙合位置而變化，通過滾珠軸承和滾針軸承到嚙合線的距離分配其載荷大小，同時需留一定的后備系數(shù)。

2.3.2 故障件小齒輪竄動量檢測

檢查結(jié)果如下表2：

經(jīng)過檢查，小齒輪竄動量檢測滿足要求，排除小齒輪由于上下竄動導(dǎo)致異響。

2.4 軸承游隙引起異響檢測

2.4.1 軸承負(fù)游隙會產(chǎn)生異響的原理

軸承負(fù)游隙會產(chǎn)生異響的原理主要涉及到軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)的配合和運(yùn)動狀態(tài)。

軸承游戲定義：將軸承內(nèi)圈或外圈的一方固定，然后使未被固定的一方做徑向或軸向移動時的移動量，叫軸承游隙。如果得內(nèi)圈或外圈被施加其他額外力，導(dǎo)致內(nèi)外圈之間存在彈性變形，形成了負(fù)游隙。

軸承游隙?對于軸承的正常運(yùn)行十分重要。?適當(dāng)?shù)挠蜗犊梢源_保軸承內(nèi)部的滾動體在運(yùn)轉(zhuǎn)時能夠自由滾動，?減少摩擦和磨損，?從而保持軸承的穩(wěn)定性和壽命。?然而，?當(dāng)軸承存在負(fù)游隙時，會導(dǎo)致以下問題。?

摩擦力加大：?負(fù)游隙由于有其他預(yù)緊力存在，使得滾動體與內(nèi)外圈之間的摩擦力加大，會導(dǎo)致軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生額外的熱量，?加速軸承材料的磨損。?

運(yùn)動不平穩(wěn)：?由于游隙過小，?滾動體在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可能無法自由滾動，?從而導(dǎo)致運(yùn)動不平穩(wěn)，?這種不平穩(wěn)的運(yùn)動會引起振動和噪音。?

負(fù)荷分布不均：?負(fù)游隙可能導(dǎo)致軸承內(nèi)部負(fù)荷分布不均勻，?部分滾動體承受過大的壓力，?加速了其磨損和損壞。?

以上這些因素作用，使得軸承在轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生異響。因此，保持適當(dāng)?shù)挠蜗秾τ诖_保軸承的平穩(wěn)運(yùn)行和延長使用壽命至關(guān)重要。?軸承生產(chǎn)時一般不會有負(fù)游隙現(xiàn)象發(fā)誰，負(fù)游隙一般時裝配軸承時發(fā)生，如發(fā)現(xiàn)軸承為負(fù)游隙，應(yīng)采取措調(diào)整，?以確保其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.4.2 故障排查

軸承問題首先采用ABA互換齒輪軸合件驗證。

A#、B#、C#件更換齒輪-軸承合件進(jìn)行裝車驗證，轉(zhuǎn)向器異響消除，驗證后故障跟隨齒輪-軸承合件轉(zhuǎn)移，拆解后發(fā)現(xiàn)手動改轉(zhuǎn)動軸承時均有明現(xiàn)卡滯感，表現(xiàn)為某一位置點卡滯。檢測齒輪軸外徑和軸承內(nèi)徑，發(fā)現(xiàn)異響件齒輪軸外徑存在超上差0.001～0.002mm的情況，導(dǎo)致軸承內(nèi)圈外徑超差，軸承游隙為負(fù)游隙。檢測結(jié)果如下表3：

2.5 改善措施

對齒輪軸與軸承處的配合尺寸優(yōu)化，從現(xiàn)有軸外徑Φ22（+0.025/+0.018），優(yōu)化為Φ22（+0.02/+0.01），減小齒輪-軸承過盈量，采用此配合尺寸的齒輪軸合件裝回原異響轉(zhuǎn)向器上，異響消失，措施有效。

3 結(jié)論

本文通過一個異響故障排查示例，提供了一種故障排查的步驟，同時對制造過程中由于軸承軸加工尺寸不滿足要求，引起與軸承負(fù)游隙過大導(dǎo)致異響的原因進(jìn)行分析，并提出了優(yōu)化方案，對優(yōu)化前后相關(guān)零部件進(jìn)行檢測和結(jié)果對比。優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向器異響現(xiàn)象消失，該措施有效。

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