汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問題分析研究

王文龍，陳自新

（華晨汽車工程研究院 路試處，遼寧 沈陽 100141）

汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問題分析研究

王文龍，陳自新

（華晨汽車工程研究院 路試處，遼寧 沈陽 100141）

以某A0級轎車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對象，闡述了排查汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問題的一般方法，之后對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)進行了分析，最后對各關(guān)鍵部件異響的形成機理進行了研究，形成了分析排查電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響的一般流程，具有一定的參考意義。

汽車；電動轉(zhuǎn)向；異響

CLC NO.:U463.4Document Code:BArticle ID:1671-7988(2014)07-21-03

前言

車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車中重要的底盤結(jié)構(gòu)，隨著對汽車駕駛舒適性和安全性要求的提高以及轉(zhuǎn)向技術(shù)的不斷發(fā)展，助力轉(zhuǎn)向已經(jīng)漸漸取代了傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向。當今中國較為流行的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分別為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，2011年液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以56.6%的市場份額占據(jù)著中國汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主動地位，電動助力和電子液壓助力系統(tǒng)分別占24.8%和10.5%。三大助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在未來的占有率將會不斷攀升，預(yù)計2015年在中國汽車行業(yè)的占有率將超過40%，而在乘用車市場將會更高【1】。

本文以某A0級車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對象，參考產(chǎn)品驗證階段規(guī)范要求和客戶實際駕駛操作習慣，對車輛轉(zhuǎn)向時異響的發(fā)生機理和結(jié)構(gòu)進行了分析，并探討了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可靠性因素對轉(zhuǎn)向異響的影響，為電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計及產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了一定的參考意義。

1、汽車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問題分析的一般方法

本文所研究的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)搭載于某A0級轎車上，助力電機布置在轉(zhuǎn)向管柱上，按照助力單元布置位置劃分，屬于C-EPS類型。電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由電動轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向傳動中間軸和機械轉(zhuǎn)向器組成，如圖1所示：

轉(zhuǎn)向管柱總成主要由轉(zhuǎn)向柱管、轉(zhuǎn)向軸、助力電機和電動轉(zhuǎn)向控制器等零部件組成。轉(zhuǎn)向器總成主要齒輪軸、轉(zhuǎn)向殼體、轉(zhuǎn)向齒條和轉(zhuǎn)向拉桿組成。轉(zhuǎn)向管柱與轉(zhuǎn)向器之間由中間傳動軸通過螺栓進行連接。理論分析和試驗表明：轉(zhuǎn)向異響的根本原因是連接部件之間的間隙或是嚙合部件的傳動不連續(xù)。所以在對電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問題進行排查分析的時

候，重點對轉(zhuǎn)向傳動的連接區(qū)域進行分析，考察其異響可能性。

電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的異響問題可按其形成機理分為常規(guī)轉(zhuǎn)向異響和助力轉(zhuǎn)向異響。常規(guī)轉(zhuǎn)向異響指的是電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)時存在的機械異響，此時的異響是由機械結(jié)構(gòu)傳遞力或扭矩時存在間隙導致的，可通過臺架對管柱、中間傳動軸和轉(zhuǎn)向器逐一進行鑒定。助力轉(zhuǎn)向異響指的是電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時存在的異響，此時的異響排查需要借助于常規(guī)轉(zhuǎn)向異響的排查方案和步驟，常規(guī)轉(zhuǎn)向異響可導致助力轉(zhuǎn)向異響，也就是說，診斷助力異響問題時需要保證不存在常規(guī)轉(zhuǎn)向異響，否則會對助力轉(zhuǎn)向異響的排查形成干擾。

2、電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)易形成異響部件的結(jié)構(gòu)特征

前文所述，電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的異響原因主要來自于轉(zhuǎn)向傳動的連接部位，其關(guān)鍵連接關(guān)鍵點可分為以下六個部分，如圖2所示：

2.1 上轉(zhuǎn)向軸

按照整車安全性能的要求，需要在車輛發(fā)生碰撞時對駕駛員進行保護，故轉(zhuǎn)向管柱需要設(shè)計成可潰縮式，以保證在受到軸向壓縮力（碰撞時駕駛員對方向盤沖擊的分力）時方向盤可以向下移動，同時吸收掉一部分駕駛員的沖擊能量，以減少駕駛員受傷害程度。

2.2 蝸輪蝸桿機構(gòu)

蝸輪蝸桿又稱為減速機構(gòu)，主要功用是改變助力電機扭矩方向和減速增扭。蝸輪蝸桿只在電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時進行大扭矩傳動，蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)如圖3所示，考慮傳動時降低噪聲、吸收震動，蝸輪連接部位多采用尼龍材料。尼龍材料的耐磨損性能不及蝸桿，所以工作一段時間后，蝸輪蝸桿機構(gòu)的間隙會有一定程度的增大，蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)如圖3所示。

對性能要求高的產(chǎn)品會考慮在蝸輪蝸桿機構(gòu)上增加一個間隙補償裝置，以保證蝸輪蝸桿的傳動間隙一直處于一個穩(wěn)定的區(qū)間，提高耐磨損性能【2】。

2.3 管柱輸出軸與節(jié)叉連接處、中間傳動軸伸縮處、節(jié)叉與齒輪軸連接處

此三處連接均是花鍵連接、螺栓擰緊的結(jié)構(gòu)，節(jié)叉示意圖如圖4所示：

花鍵和螺紋的參數(shù)及精度對轉(zhuǎn)向性能及可靠性能有很大的影響。

2.4 齒輪齒條連接處

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時，轉(zhuǎn)向器齒輪軸與齒條嚙合傳動，在這個過程中，齒條受到軸向推拉力的同時，還受到來自齒輪軸的徑向推力。受此推力影響，齒條會產(chǎn)生遠離齒輪軸的運動趨勢，為此，在齒條后部裝有推力彈簧和支撐座，以保證齒輪齒條傳動時的穩(wěn)定壓緊力，最終保證轉(zhuǎn)向器運轉(zhuǎn)時性能最佳。

3、電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響形成機理及排查流程

電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征是密切相關(guān)的，連接部位的結(jié)構(gòu)特點對異響問題的促成有重要的意義。主要連接部位的結(jié)構(gòu)特點如前文所述，其各部位異響形成機理如下：

3.1 上轉(zhuǎn)向軸

為實現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱可以進行潰縮，上轉(zhuǎn)向傳動軸要做成軸向可滑動式，如圖3所示，此上下軸采用內(nèi)外花鍵連接，在傳遞扭矩的同時可吸收軸向位移。如果此處花鍵參數(shù)設(shè)置不合理、質(zhì)量控制不精準或密封措施失效，均會導致轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生“咯噔”異響。

此處異響排查可利用臺架完成：首先將管柱裝在臺架上，將管柱輸出軸鎖死并固定于臺架上。其次，按照逐漸變大的轉(zhuǎn)動頻率和轉(zhuǎn)動行程轉(zhuǎn)動方向盤，仔細聆聽是否存在“咯噔”

異響以及響聲頻率，同時感受方向盤上的振動情況。如果試驗過程中存在異響，且響聲與方向盤上的振動同頻率增大，可判定轉(zhuǎn)向軸連接處存在間隙，導致轉(zhuǎn)向異響。

3.2 蝸輪蝸桿機構(gòu)

蝸輪蝸桿機構(gòu)主要由蝸輪和蝸桿兩部分組成，如圖5所示：

在產(chǎn)品生產(chǎn)時蝸輪與蝸桿在徑向上的間隙需要嚴格進行控制（無間隙補償機構(gòu)），主要是由于蝸輪蝸桿在大負荷作用下會生熱，而蝸輪材料尼龍受熱膨脹率要明顯高于蝸桿，蝸輪受熱膨脹后使蝸輪蝸桿間隙減小，滾動阻力加大，嚴重影響轉(zhuǎn)向性能。所以產(chǎn)品生產(chǎn)時會將此間隙控制在一個區(qū)間，過大會造成異響，過小會影響轉(zhuǎn)向性能。車輛行駛一定里程后，蝸輪材料會發(fā)生磨損，間接造成間隙增大，產(chǎn)生異響。

蝸桿與蝸輪嚙合后的軸向齒間間隙過大也會造成轉(zhuǎn)向換向時的異響，需要嚴格控制蝸輪和蝸桿齒形的參數(shù)和精度。

此處異響排查要借助于排查上轉(zhuǎn)向軸異響時使用的臺架，安裝固定方式不變，將電動轉(zhuǎn)向管柱工作所需的電源以及信號模擬出來，并輸入到控制器中，使電動轉(zhuǎn)向處于工作狀態(tài)。如果只有在電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時才存在異響，則說明異響問題出自蝸輪蝸桿機構(gòu)。

3.3 中間傳動軸

中間傳動軸通過兩端節(jié)叉的三角花鍵將轉(zhuǎn)向管柱輸出軸與轉(zhuǎn)向器齒輪軸連接起來，并利用三個螺栓將中間軸緊固于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中。三角花鍵、螺栓和螺紋的參數(shù)以及強度對轉(zhuǎn)向性能和耐久性能有著重要的影響。十字軸與節(jié)叉的配合尺寸以及裝配對也直接關(guān)系著轉(zhuǎn)向性能。

此處異響問題的排查：需要一套能夠?qū)⒐苤凑照囇b配角度固定的臺架，同時需要一套無異響問題的轉(zhuǎn)向管柱（這種方式較為方便）。管柱（帶中間傳動軸）固定于臺架上，將轉(zhuǎn)向器齒輪軸按整車位置及角度焊接在臺架上，連接中間傳動軸和齒輪軸，即：中間傳動軸按照整車相位角進行布置。具體的異響驗證手段與上轉(zhuǎn)向軸的驗證手段相同，如果試驗過程中存在異響，且響聲與方向盤上的振動同頻率增大，可判定是中間傳動軸導致轉(zhuǎn)向異響。

3.4 轉(zhuǎn)向器齒輪齒條間隙

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器通過齒輪傳動將齒輪軸的扭矩轉(zhuǎn)變成齒條軸向的推拉力。齒輪齒條嚙合工作時，齒輪齒條的中心距在實時發(fā)生變化，車輛行駛一定里程后，支撐彈簧受疲勞和耐久性能影響會發(fā)生變形，此變形直接影響齒輪齒條間隙量，從而導致異響。

除此之外，轉(zhuǎn)向器殼體的支撐座安裝孔內(nèi)徑、支撐座外徑、0型圈耐久性能、齒條襯套尺寸以及齒輪軸軸向鉚接質(zhì)量都會對轉(zhuǎn)向基本性能產(chǎn)生影響，甚至導致轉(zhuǎn)向異響。

排查此處異響所需的臺架只需將排查中間傳動軸異響的臺架中的齒輪軸（焊接于臺架上）去除，取而代之將問題轉(zhuǎn)向器固定于該位置，即：將整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照整車角度布置，同時將轉(zhuǎn)向器外拉桿球頭固定于試驗臺架上。具體的異響驗證手段與前者的驗證手段相同。

綜上所述，汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響的排查流程圖6所示：

4、結(jié)束語

轉(zhuǎn)向異響是工程實際中經(jīng)常遇到的問題，異響的來源和產(chǎn)生機理也千差萬變。本文根據(jù)工程實際經(jīng)驗，初步建立起一套分析排查異響的方法。從常規(guī)轉(zhuǎn)向異響和助力轉(zhuǎn)向異響兩個方面進行分析，從各連接點傳動副的連接形式以及配合方式出發(fā)，對異響的產(chǎn)生機理和解決方式進行了較全面闡述說明。

經(jīng)過幾個整車項目的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)驗證表明，這套分析流程可以排查工程實際中大部分轉(zhuǎn)向異響問題。對實際工程應(yīng)用有著一定的實際指導意義。當然，由于目前的工程經(jīng)驗還不夠豐富，還有很多細節(jié)問題有待繼續(xù)探索。在今后的工作研究過程中，還會對該分析體系不斷的改進和完善。

[1] 2011-2012年中國汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)行業(yè)研究報告[R].水清木華研究中心，2008.3.

[2] 侯宇. EPS系統(tǒng)特性匹配及其評價技術(shù)研究[D].吉林大學工程碩士論文,2012.4.

Noise Research of Vehicle EPS System

Wang Wenlong, Chen Zixin

（Brilliance Automotive Engineering Research Institute Product Verification Section, Liaoning Shenyang 110141）

EPS noise was analyzed in this text based on A0 vehicle. Firstly, some methods about EPS noise analysis was described, then do some research on the key structure of EPS. At last, given a detailed describe of EPS noise analysis and form a process , which is very useful to Engineering practice.

Vehicle；EPS；Noise

U463.4

B

1671-7988(2014)07-21-03

王文龍，就職于華晨汽車工程研究院。