某轎車轉向器回正性能分析和優化

摘 要：近幾年隨著高速公路的發展和汽車速度的不斷提高，汽車在行進中的轉向路感受到了越來越多的關注，如果汽車的前輪沒有轉向回正力矩或者轉向回正力矩過小，則它的直線行駛能力必將受到損害，只要一個微小的力就可使它轉彎，駕駛員對轉彎行駛速度和行駛性能也沒有感覺，此外還存在駕駛員在轉彎結束后不能及時回轉方向盤使汽車偏離道路的危險。由于關系著行駛中汽車的操縱感覺（路感），同時影響著行車安全，轉向回正能力是評價車輛好壞極其重要的性能之一。

關鍵詞：轉向器；回正性能；優化

前言

轉向器作為車輛將轉向操縱機構的旋轉運動轉化成輪胎轉角的重要傳動機構其回正性能是決定車輛轉向系統回正能力的關鍵因素之一。根據國家相關質量要求和法規規定，轉向器在出廠時必須使用性能測試設備對轉向器的回正性能進行檢測合格后才能出廠。本文論述了某品牌轎車轉向器在批量生產過程中遇到了大批量產品回正力測試不合格的問題后，項目開發小組利用轉向器性能測試設備所提供的測試圖形和數據對導致轉向器大批量報廢的潛在原因進行探索和分析，從零部件和制造工藝等方面總結出了很多改進轉向器回正力的方法。

1 轉向器的結構和工作原理

某轎車轉向器為液壓助力式齒輪齒條轉向器，它的結構如下圖1-1所示主要由殼體、油缸、轉向齒輪、轉向齒條、閥體、活塞、油管、轉向內拉桿、轉向外拉桿等部件組成。齒輪與齒條直接嚙合將方向盤的旋轉運動轉化成轉向所需的直線運動，轉向齒輪通過殼體里的球軸承和滾珠軸承固定，保證了軸向的定位與安裝的穩定。其上端加工出的花鍵用于和轉向中間軸的萬向節連接，下端的齒輪與殼體中的齒條嚙合。齒輪并非單純的平齒輪而是特殊的螺旋形斜齒輪，采用螺旋形斜齒輪的目的是為了保持齒輪與齒條間嚙合緊湊，牢固。齒條分成兩部分，齒輪嚙合部分和液壓助力部分，液壓助力部分的齒條上安裝了活塞，活塞在轉向器的油缸內做往復運動。轉向液壓油通過活塞將轉向助力傳遞到齒條上。油缸兩端裝有油封分別將齒輪嚙合部分與液壓助力部分以及液壓助力部分與外界之間密封，保證了轉向液不會外泄。同時外界的污染也不會進入液壓助力區域影響助力效果，磨損油封等液壓部件。齒條在與齒輪嚙合的同時兩端還連接了轉向內拉桿，轉向內拉桿上安裝了轉向外拉桿，齒條通過轉向內外拉桿與懸架上的轉向節機構相連控制了輪胎的轉向。

圖1-1轉向器的結構

2 轉向器性能測試設備的工作原理

轉向器性能測試設備的結構如下圖2-1所示。通過機臺作為測試臺的骨架安裝轉向器夾具以及伺服電機、液壓缸等執行機構；轉向器夾具用于固定和裝夾轉向器并模擬轉向器安裝位置角度等裝車狀態；通過電機和液壓泵供給轉向液壓油給轉向器，系統內的加熱裝置將液壓油加熱模擬轉向器工作溫度。伺服電機和液壓缸分別模擬方向盤的扭矩輸入和路面負載。系統通過扭力傳感器獲得轉向扭力信號；通過力傳感器和位移傳感器獲得回正力信號和齒條位移信號；通過壓力傳感器和流量傳感器獲得轉向助力壓力和系統流量信號。

在進行回正性能測試時測試臺在轉向器的輸入軸上不加載旋轉扭矩，處于自由狀態。轉向器左右兩端的液壓缸加載轉向回正力，將齒條從行程最右端推到行程最左端，再從最左端推到行程最右端。在齒條運動過程中位移傳感器記錄推動齒條的位移，力傳感器將記錄下推動齒條所需的推力并通過數據采集系統和相應軟件在電腦屏幕上將測試結果已曲線的形式顯示出來。

本文轉向器的測試標準要求回正力的平均值≤430N，回正力峰值≤600N，回正力波動≤56N。下圖2-2顯示了回正力各測試項目的計算方法，圖中的兩條曲線一條代表了左轉時回正，一條代表右轉時回正。回正力平均值為整個回正行程過程中各位移點回正力的均值，峰值為整個回正行程中回正力的最大值，回正力波動為相鄰兩個波峰與波谷之間力的差值。

一件合格產品的測試曲線在系統中顯示如下圖2-3所示橫軸顯示回正位移，縱軸顯示的回正力。整個測試曲線有兩根，分別代表了左轉回正力和右轉回正力。圖中的三根黃色虛線分別代表了測試的三個公差范圍。最上面的一根代表整個測試過程中回正力的最大值不超過600N。中間一根代表回正力平均值的上限為450N，最下面一根代表回正力的下限為150N。從圖中可以看出回正性能合格的曲線光滑、平順基本呈一條直線，該直線由很多此起彼伏的小波浪組成，該小波浪就是由齒輪滾過齒條上的一個個齒時形成的。

圖2-2回正力測試項目 圖2-3合格產品的回正力曲線

3 回正力不合格產品的測試數據分析

為了解決回正力不合格問題，項目組對于近期生產過程中因回正力問題導致報廢的零件的測試數據和圖像進行了分析，匯總后發現可根據測試圖形將問題歸類成二大類：

3.1 由齒輪尺寸引起回正力不良

由齒輪尺寸引起的不良產品性能測試曲線有顯著的特點。整個回正測試過程中曲線隨著位移的增加呈現出類似周期變化的正玄曲線形狀。這種曲線的形成與齒輪齒條轉向器的結構有關，在轉向器工作時齒輪的旋轉驅動齒條的橫向直線運動，整個回正過程中齒輪旋轉3.5圈。齒輪某個加工不良的齒形和齒條嚙合至少3次，出現周期性的回正力峰值形成周期性的波峰。曲線如圖3-1所示：

從圖中我們可以看出該曲線出現了兩個大波浪形狀其波峰分別出現在位移20mm和-25mm處，最大的峰值達到了510N。整個回正力特性由于平均值超過了450N而不合格。

3.2 回正力平均值偏高

回正力平均值偏高的曲線與前幾類曲線不同，它沒有周期性出現的波浪形狀曲線整體也沒有呈現出遞增或者遞減的趨勢。該類曲線整體超過了回正力平均值的上限。如下圖3-2所示：

4 回正力不良的原因分析

4.1 與齒輪相關回正力問題分析

為了進一步分析與齒輪相關問題的根本原因項目小組設計了一個互換實驗用來認定該類問題是否完全由齒輪不良引起。項目組選取了四件轉向器，其中兩件是合格樣件，兩件是不合格樣件。不合格樣件的失敗模式是由齒輪不良引起的。對于這四個樣件進行編號，對于這四個樣件的齒輪也分別進行標號如下表4-1。

表4-1

互換實驗將1號樣件的齒輪a與2號樣件的齒輪b進行互換以及將3號樣件的齒輪c與4號樣件的齒輪d進行互換?；Q后將四個轉向器在性能測試臺上進行測試結果如表4-2。

表4-2

從測試結果可以看出1號轉向器和3號轉向器在分別使用了齒輪b和齒輪d后測試結果出現了嚴重的惡化。相反2號轉向器和4號轉向器在分別使用了齒輪a和齒輪c后回正性能有了明顯的改善左回正平均值降低了173N，右回正平均值降低88N。整體性能從不合格變成了合格。

以2號樣件為例對互換實驗前后的測試曲線進行對比如下圖4-1和圖4-2。我們很清楚的看到實驗前2號樣件的測試曲線整體凌亂交錯，存在兩個周期性出現的波浪。實驗后我們發現整體曲線平順光滑兩個周期性出現的波浪明顯變小。

基于以上互換實驗的數據和結果我們判斷出轉向齒輪d和b存在質量問題它們是造成1號和3號樣件回正力測試不合格的根本原因。找到了不良原因我們還要思考問題究竟出在哪里我們如何改善呢？

項目組將四個樣件齒輪送到了齒輪測量的專業機構進行檢測得到了四個齒輪的齒形尺寸測量結果（見表4-4）。

分析四個齒輪的測量結果我們很清楚地看出b號和d號齒輪左側和右側的螺旋傾角誤差fHβm-L和fHβm-R都超過過了40這個產品要求的誤差上限為不合格零件。而a號和c號齒輪相應尺寸的誤差在12.4、10.4以及6.8、7.8。這就很好的解釋了為什么2號和4 號不合格樣件在換上的a號和c號齒輪后回正性能出現了質的飛躍。

從根本原因出發尋找改進回正性的方案我們需要提高該產品齒輪的加工精度。根據該產品設計要求齒輪的精度等級為1s級其螺旋傾角允許誤差為最大40？滋m。其下一級加工精度2級要求級其螺旋傾角允許誤差為最大18？滋m。齒輪b和齒輪d的螺旋傾角誤差分別54.3？滋m和54.6？滋m該誤差造成了回正力不良。齒輪a和齒輪c的螺旋傾角誤差值都12.4？滋m和6.8？滋m在2級精度要求的18？滋m以內，使用齒輪a和齒輪c的轉向器性能很好?；谏鲜龇治鰧⒃撧D向器的齒輪的精度等級從1s級提升到2級由齒輪尺寸問題引起的回正力不良問題能夠改善。

4.2 回正力平均值偏高問題分析

齒輪齒條式轉向器在齒輪和齒條配合點的上方設計了特殊的壓塊系統如下圖4-3，它由齒條壓塊，壓塊彈簧，和壓塊螺母組成。壓塊螺母通過壓塊將壓塊彈簧壓縮，彈簧力通過齒條壓塊施加在齒條上，使得齒條在運動過程中緊密地與齒輪嚙合在一起。齒條壓塊和壓塊螺母之間的間隙即為的轉向器間隙，間隙越小壓塊彈簧的壓縮量越大通過壓塊施加在齒條上的力就越大，在整個齒條回正過程中施加在齒條上的摩擦阻力就越大。

回正力平均值偏高的不合格零件可能由裝配線上間隙調整工位對壓塊間隙調整得過小所導致。轉向器間隙通常很小一般在0.02mm-0.2mm之間。間隙過小會使轉向器卡死產生轉向沉重回正不良等問題，間隙過大則會在轉向時產生機械噪音，該轉向器所要求的壓塊間隙為≤0.12mm。

選取5件樣件設定不同的轉向器間隙，使用性能測試臺驗證轉向器間隙對回正力的影響數據結果如下表4-5：

從測試數據的結果我們可以看出隨著齒輪齒條間隙的增加轉向器的左右方向回正力逐漸減小。當間隙處于0.02mm-0.06mm時轉向器的回正力較高平均處于490N以上。間隙調整到超過0.08mm后左右方向回正力都處于450N以下滿足產品要求。因此將轉向器的間隙標準設置在0.08mm-0.12mm之間能夠改善回正力不良問題。

5 結論

本文針對某轎車轉向器在批量生產過程中遇到的不合格率高的問題，通過對轉向器性能測試臺提供的測試數據和圖形進行分析將回正力的不合格模式分成了小齒輪尺寸不良，齒輪齒條間隙問題等二大種類。通過性能測試臺做交換試驗找出了造成回正力不合格的小齒輪，在對小齒輪進行測量后重新定義了小齒輪加工精度，將原先的1s級精度提高到2級精度。使得小齒輪尺寸不良造成的回正力不合格得到了改善。通過性能測試臺對不同齒輪齒條間隙的轉向器進行測試總結出了隨著齒輪齒條間隙的增大轉向器回正力漸漸變小的規律。重新定義了某轎車齒輪齒條間隙的設定值降低了因齒輪齒條間隙調整過小所造成的不合格問題。