C-EPS電動轉向系統異響解決方案

楊偉,趙志元

(1.長城汽車股份有限公司技術中心, 河北保定 071000;2.河北省汽車工程技術研究中心,河北保定 071000)

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C-EPS電動轉向系統異響解決方案

楊偉1，2,趙志元1，2

(1.長城汽車股份有限公司技術中心, 河北保定 071000;2.河北省汽車工程技術研究中心,河北保定 071000)

從轉向系統各零部件配合間隙尺寸，相關聯零部件剛度、硬度等角度出發，舉例闡述、剖析系統異響問題及其優化方案,為解決轉向系統異響類問題提供依據與參考實例。

C-EPS電動轉向系統;配合間隙;異響;優化方案

0　引言

異響和漏油為轉向系統本身存在的兩大疑難性問題。C-EPS電動轉向系統雖將漏油問題直接規避，但是異響卻造成后序客戶強烈抱怨，更有甚者導致系統內各個配合零部件早期磨損與失效。因此如何降低或抑制異響問題，成為轉向系統工程師燃眉之急與不斷努力的方向。

1　問題描述解析

如圖1所示，電動轉向系統主要由C-EPS轉向管柱總成、轉向傳動軸總成、機械轉向器總成。

從圖2可以看出：輪胎受顛簸路路感逆向沖擊，通過球頭連接傳至轉向器齒條；齒條沿軸向方向左右位移，被花鍵連接傳至上部，轉向傳動軸、管柱轉軸繞軸線左右高頻擺動。系統間各個配合間隙相對運動產生異響。

2　轉向系統異響風險點闡述

首先確認各個配合連接，如：方向盤與管柱花鍵、管柱與傳動軸、傳動軸與轉向器花鍵、轉向器左右拉桿與球頭螺紋等連接是否牢固，不允許出現松曠、松動現象。確認外部相關聯部分無問題后再按照圖3進行內部詳細分析。

內部結構分析之前首要工作為：轉向系統主要零部件振動加速度數據采集。通過在不同位置安裝加速度傳感器測試發現(如圖4所示)：轉向傳動軸振動波形最早出現，其次為轉向器、轉向管柱，異響大小取決于各個單獨零部件不同貢獻量。作者按照此順序對轉向系統能夠產生間隙部位進行詳細剖析。

(1)轉向傳動軸扭轉間隙、剛度

扭轉剛度、扭轉間隙是轉向傳動軸異響產生的直接原因。如圖5中標示部分為伸縮尼龍花鍵。排查生產現場：壓裝轉向傳動軸時，卡具卡緊軸管工作區域，導致軸管輕微變形，產生異響。

通過調整傳動軸節叉與軸管壓裝時卡具卡緊軸管的位置，在軸管花鍵非工作區域卡緊。規避微觀變形對異響的影響。

對比表1可以發現：更改后樣件整體剛度和間隙性能表現優于更改前狀態，特別是在0～2N·m段，滑動副和總成的剛度要明顯優于優化前狀態，同時總成間隙也要小許多。

表1　　　　調整傳動軸節叉與軸管壓裝時卡具卡緊軸管的位置前后關鍵參數的變化

“0～2N·m段”的剛度通常反映的是車輛轉向系統On-Center(不轉向或小角度轉向)時的工況，是駕駛員駕駛時最常見的情況，其主要考察的就是傳動軸滑動副(注塑部分)的剛度。例如福特、日產及TRW等高端客戶都會重點關注中間軸在0～2N·m段的剛度表現。這是因為注塑齒的剛度較難提升(對零件精度及注塑控制工藝要求高)，但卻直接影響到產品的后期使用反饋。

管柱助力式電動轉向系統對轉向傳動軸的要求較苛刻。設計之初可以采用滾珠式傳動設計(如圖6所示)。此種設計間隙可以降至5′以下，用于承受高扭矩。還可消除使用不當造成的早期磨損現象,提高零部件可靠耐久性能。

(2)轉向器齒條支撐套“O”形圈

轉向器齒條支撐套“O”形圈硬度由NBR70提高至NBR90，如圖7所示。為保證轉向系統齒條襯套部位在顛簸路面表現優良，目前主流供應商(如采埃孚、TRW等)在此部位都由單“O”形圈變更為雙“O”形圈設計，以降低顛簸路面齒條徑向晃動量，減小齒條襯套與轉向機殼體敲擊異響。根據驗證經驗類推，提高“O”形圈橡膠硬度與減小“O”形圈環槽徑向尺寸都能夠達到減小晃動量的效果。

(3)轉向器調整體組合方案

導致顛簸路異響問題原因之中，轉向器齒輪齒條嚙合間隙是其中重要的一環。如圖8所示：螺旋彈簧、膜片彈簧作用與原理一樣，提供彈簧預緊力。預緊力壓緊調整體，緩解顛簸路高頻快速換向過程中調整體與齒條受徑向力作用撞擊產生的金屬異響。如表2所示：同樣的嚙合間隙,不同狀態彈簧提供的預緊力也不一樣。

與齒條支撐套“O”形圈原理一樣，調整體部位更改為雙“O”形圈，同樣有助于緩解壓塊外側對轉向機殼體的撞擊異響。

(4)管柱傳動機構內增加預載彈簧

在傳感器單元總成里，如圖9所示：波形彈簧與端蓋和封油盤直接接觸；端蓋通過螺栓固定于伺服電機殼體上。封油盤內圈與軸承過盈配合，封油盤外圈與殼體間隙配合(間隙量0.012～0.082mm)，軸承與輸出軸間隙配合(間隙量0.015～0.028mm)。

為保證蝸輪蝸桿機構正常嚙合運轉而不至于卡死，設計時兩者之間會預留一定的間隙量。如圖10所示：在負載條件下轉動方向盤，蝸輪受切向力轉動的同時還受輸出軸處傳來的徑向力F，因配合間隙的存在蝸輪將產生輕微的蠕動，造成封油盤與預載彈簧之間也隨之發生蠕動。

預載彈簧依靠自身彈力壓緊封油盤，若預載彈簧彈力不足，將無法壓緊封油盤，無法遏制兩者之間的蠕動。起步時整車帶動管柱振動，封油盤與殼體配合位置敲擊發出異響。

類似緩解蠕動敲擊異響的設計結構有：普通波形彈簧、裹塑波形彈簧、橡膠彈簧等，它們的優缺點如表3所示。

表3　緩解蠕動敲擊異響設計結構的優缺點

(5)管柱蝸桿襯套間隙、自動調節結構

圖11中襯套內外圈設計間隙為1mm。

蝸桿高速旋轉徑向跳動，襯套位置產生撞擊音。經過多次的實車優化驗證，將此間隙減小至0.8mm，主觀評價能夠有效降低撞擊音。

通過橫展對標，管柱蝸桿間隙(如圖12所示)還有如下幾種設計：其設計原理同為依靠彈簧彈力自動對襯套間隙進行調節。此類結構間隙保持在一定范圍內，能夠彌補襯套結構早期磨損產生的不足。因此越來越多的主流供應商采用這類自動調整結構，以滿足越來越苛刻的安全、穩定的市場需求。

(6)管柱扭桿滾針軸承配合尺寸

管柱扭桿滾針軸承配合如圖13所示。軸承外圈與輸入軸過盈配合，內圈與扭桿間隙配合。配合間隙設計大小直接導致整車異響程度不同。

由于滾針軸承內徑與扭桿外徑配合間隙大導致異響，通過3個階段兩次優化，如表4所示：故障發生頻次明顯降低(金屬與金屬材質接觸)。扭桿與滾針軸承的配合間隙為0.002～0.02mm，已經接近0間隙，無進一步優化空間。

改變問題思路，從異響接觸部位配合材質考慮，如表5所示：將滾針軸承結構更改為滑動軸承結構。滑動軸承內表面為聚四氟乙烯(PTFE)(類似于塑料的材質),自潤滑厚度為0.3～0.5mm。

表5　軸承結構和材質的優化

(7)管柱蝸輪蝸桿中心距減小

蝸輪蝸桿嚙合間隙設計不合理，也會導致顛簸路碰撞異響。如圖14所示，將中心距減小(由52.67mm減小至52.62mm)，嚙合面積增大，對異響有一定的改善作用。

(8)副車架轉向器安裝支架剛度加強

系統受路面逆向沖擊，由于副車架轉向器安裝支架剛度低，導致轉向器輸入軸受到沖擊后產生擺動，輸入軸擺動帶動管柱下軸承軸向曠動，產生異響。

增加副車架轉向器安裝支架剛度如圖15所示：更改轉向器安裝支架形狀，支架翻邊，增加錐度(11°)，料厚由2.5mm變更為4mm，都可以加強剛度，有效消除管柱下軸承竄動引發的異響問題。改進結果見表6。

3　總結

從以上問題的整改過程中可以發現：異響問題主要為零部件、系統、相關聯零部件配合間隙導致的。作為系統設計工程師，這些細節是必須控制和注意的。

問題處理時要以實際確認的故障現象為導向,并結合以往車型開發提供的例證、經驗深層次挖掘分析，快速有效地解決問題，力爭將問題規避于設計之初。

顛簸路、壞路異響是一個系統、綜合性問題，并且在車輛評定過程中人為主觀影響因素較大。因此整改過程中，應該以數據測量與主觀評價相結合的方式綜合評定。

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SolutionfortheAbnormalSoundProblemoftheEletricPowerSteeringSystem(C-EPS)

YANGWei1，2,ZHAOZhiyuan1，2

(1.Research&DevelopmentCenterofGreatWallMotorCompany,BaodingHebei071000,China;2.AutomotiveEngineeringTechnicalCenterofHebei，BaodingHebei071000,China)

Thesteeringsystemabnormalsoundproblemanditsoptimizedsolutionswerediscussedfromthepointsofthefitclearancebetweenthesteeringsystemparts,thecomponentstiffnessandhardness.Itprovidesbasisandreferenceforsolvingtheabnormalsoundproblemofthesteeringsystem.

C-EPSelectricpowersteeringsystem;Fitclearance;Abnormalsound;Optimizedsolution

2016-03-14

楊偉(1981—)，助理工程師，大學專科，主要從事轉向系統開發匹配研究。E-mail:41711525@qq.com。

U463.43

B

1674-1986(2016)07-073-06