機械轉(zhuǎn)向器壞路異響優(yōu)化設計

楊偉, 孫賓澤

(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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機械轉(zhuǎn)向器壞路異響優(yōu)化設計

楊偉1，2, 孫賓澤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)

摘要：汽車異響問題一直是困擾每個廠家的難題，尤其是在車輛運動狀態(tài)，其原因排查與方案驗證更為困難。以轉(zhuǎn)向機壞路異響為例，層層剖析異響產(chǎn)生機制，通過實驗進行驗證，提出優(yōu)化方案，最終解決轉(zhuǎn)向機壞路異響問題。

關鍵詞：轉(zhuǎn)向器；壞路異響；失效機制;優(yōu)化設計

0引言

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響是車輛在正常使用中最常見的一種故障，隨著駕乘人員對整車NVH舒適性要求越來越高，對于整車表現(xiàn)的要求也越來越嚴格。

1問題概述

自2015年4月份以來，轉(zhuǎn)向機壞路異響問題日益突出(見表1)，故將此問題作為零缺陷項目進行立項解決。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由管柱、中間傳動軸、機械轉(zhuǎn)向機3個部分組成，如圖1所示。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運動傳遞過程如圖2所示： 轉(zhuǎn)動方向盤時，扭桿受到來自轉(zhuǎn)向軸與輸入軸的扭矩產(chǎn)生變形，電子控制單元驅(qū)動蝸輪蝸桿機構提供助力到輸出軸，從而轉(zhuǎn)動中間軸與轉(zhuǎn)向機的齒輪齒條機構，驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)向；而當在顛簸路上時，來自路面的激勵會通過輪胎對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生逆向沖擊。

2問題驗證剖析

2.1故障原因可能性分析

隨機對售后返回的其中4臺故障件進行裝車驗證，結果見表2。

由實際裝車驗證得出：故障再現(xiàn)件均表現(xiàn)為卵石路的“哐哐”異響。

將故障件系統(tǒng)(WOW)與正常件系統(tǒng)(BOB)分別拆解為：轉(zhuǎn)向管柱、中間傳動軸及轉(zhuǎn)向機3個部分，進行交互試驗(主觀噪聲評估)驗證，如圖3所示。通過以上試驗得出轉(zhuǎn)向機是“哐哐”異響的異響源，需對轉(zhuǎn)向機結構進行進一步分析。

通過互換驗證分析，確認異響聲源自轉(zhuǎn)向機總成。此“哐哐”異響是由于金屬零件直接碰撞產(chǎn)生，對轉(zhuǎn)向機各部件進行分析，以下3點(見圖4)會導致該“哐哐”異響：(1)調(diào)整體內(nèi)壓塊、殼體碰撞；(2)轉(zhuǎn)向機齒條襯套與殼體撞擊；(3)橫拉桿球頭、球座碰撞。

汽車行駛過程中，如圖5所示，地面的沖擊通過車輪傳遞到齒條。過顛簸路面時，來自路面的劇烈沖擊傳遞到齒條后，如果齒條軸向、徑向擺幅過大，齒條帶動壓塊在殼體孔內(nèi)運動碰撞產(chǎn)生“哐哐”異響。調(diào)整體結構上，左端是利用壓塊壓力壓緊齒條，右端是通過齒條襯套貼緊齒條。

(1)壓塊間隙。通過調(diào)取缺陷件壓塊間隙出廠數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)值都小于0.08 mm，符合設計要求。

(2)缺陷件襯套無法拆除(見圖6)，因此隨機從生產(chǎn)現(xiàn)場抽取50件襯套進行測量，數(shù)據(jù)均合格；并且齒條襯套本身為尼龍材質(zhì)，與殼體接觸部位還有減震隔噪雙“O”形圈結構。由此可以基本排除此部位風險點。

(3)如圖7所示：橫拉桿球頭總成主要由拉桿球頭、球座以及球頭殼體壓鉚后組成。工作時拉桿連接車輪，當車輪經(jīng)過顛簸路面，接受路面帶來的反沖擊力，如果拉桿球頭與球座間隙過大，拉桿球頭與球座就會撞擊產(chǎn)生“噠噠”異響，出廠時拉桿球頭間隙要求0.1 mm。將拉桿放置在專用的檢測設備上，夾緊施加±980 N的力，由傳感器自動測量。檢測故障再現(xiàn)件的拉桿球頭間隙， 隨機抽取的4臺故障再現(xiàn)件拉桿球頭間隙檢測結果如表3所示：檢測間隙合格。檢測結果說明“哐哐”異響與拉桿球頭間隙無關，排除拉桿球頭風險點。

2.2數(shù)據(jù)測試

生產(chǎn)現(xiàn)場分別在2015年6月10日和9月6日將異響件WOW與正常件BOB安裝在同一整車上進行NVH振動加速度對比測試，貼片位置如圖8所示。

(1)6月10日測試數(shù)據(jù)(圖9)顯示：壓塊在殼體孔內(nèi)徑向振動比較大。

(2)9月6日測試數(shù)據(jù)(圖10)顯示：壓塊在殼體孔內(nèi)軸向振動比較大。

分別對壓塊徑向、軸向振動大原因進行深度剖析：

(1)壓塊徑向振動大方面。主要是壓塊在殼體壓塊孔內(nèi)擺動撞擊殼體內(nèi)壁所致。對缺陷件進行相關零件尺寸測量，選取4例售后返廠件進行拆解，測量壓塊外徑和殼體壓塊孔內(nèi)徑，數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表4所示。

配合間隙Xmax=ES-ei=0.016-(-0.045)=0.061 mm

配合間隙Xmin=EI-es=0-(-0.025)=0.025 mm

表44個列返廠件尺寸測量數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)測量并結合圖11可以得出：缺陷件壓塊與殼體壓塊孔配合間隙都符合技術要求，但靠近上極限公差。

如圖12所示：轉(zhuǎn)向機在轉(zhuǎn)向時，齒輪與齒條相接處，接觸面小齒輪給齒條一垂直接觸力F1，使齒條在軸向運動的同時與壓塊貼合。齒條在軸向運動時，摩擦力帶動壓塊一起運動，壓塊下部與壓塊孔相碰；同時齒條在軸向運動的同時會有一扭矩F2，帶動壓塊一起運動，造成壓塊與壓塊孔相碰；距離越遠，速度越快，沖擊越大。壓塊總成上有兩個橡膠“O”形圈，起到一定支撐減震的作用。異響的出現(xiàn)說明“O”形圈未起到應有的作用，需重新對尺寸進行優(yōu)化。

結論：收緊壓塊與壓塊孔間隙對壓塊徑向的擺幅有較大作用。

(2)壓塊軸向振動大方面。主要是壓塊在殼體壓塊孔內(nèi)軸向間隙大，無法壓緊齒條，齒條在殼體孔內(nèi)徑向擺動所致。

隨機調(diào)取4例故障件原始數(shù)據(jù)，見表5。功能測試臺工藝標準為壓塊間隙中間舒適區(qū)(±180°)小于0.08 mm。

表54例故障件壓塊舒適區(qū)間隙

結論：缺陷件間隙都符合工藝要求，但依然存在異響。

如圖13所示：膜片彈簧未裝配時為平面，通過調(diào)整螺母裝配到轉(zhuǎn)向器中，由壓塊中間凸臺頂住膜片使其產(chǎn)生彎曲，膜片彎曲后產(chǎn)生壓力F1使壓塊壓緊齒條與小齒輪，抑制齒條徑向擺動。在相同彎曲程度下，收小壓塊處間隙可增加壓力f1，進一步抑制齒條徑向擺動從而改善軸向異響。

結論：收緊間隙對壓塊軸向擺幅有較大作用。

通過上述故障件失效數(shù)據(jù)測量及機制分析可得：整車在顛簸路上行駛時，由于壓塊軸、徑向擺幅大導致壓塊與壓塊孔碰撞而產(chǎn)生“哐哐”異響的原因為：(1)壓塊與齒條間隙大；(2)壓塊與壓塊孔配合間隙大。

3問題優(yōu)化方案

通過對比分析轉(zhuǎn)向機同類產(chǎn)品結構，為減小壓塊處間隙和壓塊與壓塊孔配合間隙，從而抑制壓塊軸、徑向擺幅大，制定如表6所示幾種驗證方案。

并對以上驗證方案進行整車主觀噪聲評估(BI:主觀評分制)，評估結果如表7所示。

對試驗結果進行分析得出：壓塊間隙收緊到0.05 mm，壓塊O形圈槽增大0.02 mm為最優(yōu)組合。故需對齒條軸向、徑向配合尺寸重新進行優(yōu)化，如圖14所示。

在轉(zhuǎn)向機齒條外殼體上貼加速度傳感器，對比優(yōu)化前、后產(chǎn)品在顛簸路況的檢測結果。如圖15所示，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向機齒條在顛簸路況下震動微弱。

4總結

(1)通過轉(zhuǎn)向機壞路異響問題的改進，問題系統(tǒng)分析能力有顯著提高；明確了異響的影響因素，完成了產(chǎn)品的改進，提升了產(chǎn)品質(zhì)量；并且內(nèi)部橫展預防，提升了產(chǎn)品的設計預防能力。(2)優(yōu)化完成后降低了車輛售后市場的反饋與索賠，減少了客戶抱怨的風險。

參考文獻:

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【5】體驗精湛的技術與服務 采埃孚(ZF)德國之旅(下)[J].汽車與配件,2013(28):24-28.

Optimal Design for Bad Road Abnormal Sound of Mechanical Steering Gear

YANG Wei1，2，SUN Binze1，2

(1.R & D Center of Great Wall Motor Company，Baoding Hebei 071000,China；2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei，Baoding Hebei 071000,China)

Keywords:Steering gear; Bad road abnormal sound; Failure mechanism; Optimized design

Abstract:The abnormal sound problem of vehicle has always plagued each manufacturer. The investigation of the root causes and program verification are more difficult, especially the vehicle in motion. Taking the bad road abnormal sound of the steering gear as an example, the mechanism of the abnormal sound was analyzed step by step which was verified be experiments,an optimizing program was put forward. Finally,the problem of bad road abnormal sound of the steering gear was solved.

收稿日期：2015-12-20

作者簡介：楊偉(1981—)，大學專科，助理工程師，主要從事轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)匹配研究。E-mail:41711525@qq.com。

中圖分類號:U463.43

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)04-062-06