通過球軸承改進實現對機械轉向機轉向噪聲的優化

張學斌

（上海博世華域轉向系統有限公司 201821)

1 問題分析

1.1 噪聲發生的原因

機械結構中存在必要的間隙，運動中互相的碰撞發生振動，導致了噪聲的產生。機械結構運動的核心區域是齒輪齒條嚙合區，因此對齒輪齒條嚙合位置進行分析，發現存在有2處位置存在間隙，分別為球軸承與壓塊間隙，2種間隙均會對轉向噪聲產生直接的影響。壓塊間隙直接決定嚙合區域的間隙，但涉及到移動力的控制問題，只能尋找一個平衡點；球軸承間隙直接影響小齒輪的擺動量，更小的擺動量可以減小振動能量。本文主要闡述球軸承間隙對噪聲的影響，以及相對應的改進措施。

1.2 利用振動加速度傳感器確認振動源

在試驗室利用橡膠阻尼塊與環形夾具模擬整車狀態，橡膠阻尼塊模擬整車的摩擦阻力，環形夾具模擬整車的轉向機搭建角度。并利用專業NVH設備與振動加速度傳感器更客觀、準確地得到撞擊振動的大小。

根據噪聲源可能產生的位置，筆者分別將振動加速度傳感器安裝在壓塊外殼體位置、支撐襯套外殼體位置以及嚙合位置外殼體位置進行測試。測試方法是方向盤在±40°區域內連續來回換向，并保持力度大小均勻。用專業的噪聲采集設備進行采集和分析工作。

測試結果發現，壓塊外殼體位置與嚙合位置外殼體位置的振動加速度值更大，并且大小基本相同，但嚙合位置外殼體的振動加速度波段出現的更早。因此這個位置的振動產生更早，更有可能是振動源產生的位置。實際的振動加速度測試結果確實與理論分析上保持一致。根據這一結果，開始對球軸承性能、球軸承外圈以及內圈配合進行深入的分析（圖1）。

圖1 振動加速度數據

2 球軸承性能

目前機械轉向機使用的球軸承是滾動軸承的一種，軸承也是機械結構中重要和關鍵的機械原件。在機械性能與使用壽命同時取決于所選擇的軸承時，從許多適用的變量中選擇出最優的軸承往往是困難的。

2.1 軸承基本參數

機械轉向機球軸承的輸入值需要考慮到諸多因素，如載荷、噪聲與力矩、偏心與剛度和使用壽命等。

2.2 機械轉向機所需球軸承關鍵參數

就機械轉向機輸入軸球軸承來說，機械轉向機相對低轉速、低載荷的工況下，深溝球軸承在壽命、載荷和轉速等方面都能很好地滿足實際工作狀況的要求。而回到目前主要討論的噪聲和間隙問題，球軸承的軸向和徑向游隙就會直接影響到整個小齒輪工作時的擺動情況。滾動軸承游隙在運轉時，是一個可以影響軸承壽命、振動、發熱和噪聲等的因素。

3 試驗驗證

3.1 軸承游隙與擺動量的關系

根據上述理論分析的結果，對不同游隙的深溝球軸承進行裝配分類，并分別進行擺動量測試。待測試的軸承分為10 μm、20 μm、40 μm。在40 μm自由游隙的擺動量曲線上看到，中間位置有明顯的間隙存在（圖2）

而在同樣力的作用的下，20 μm的中間擺動量會明顯少很多（圖3）。

圖2 軸承游隙40 μm

圖3 軸承游隙20 μm

經過反復的試驗確認后，筆者得到的結論是，深溝球軸承游隙

圖2 支架壓鑄件鑄造缺陷預測

3.3 第二種方案

第一種方案中的澆筑缺陷，能夠通過提高鑄件激冷能力，使縮孔及容積得到降低。但是，鑄件自身的激冷能力較大，會導致出現邊凝固或澆筑的情況，導致后注入的金屬補充液收縮量降低。那么，在具有一定壁厚鑄件的地方，第二種方案能夠利用局部水冷，將水冷替代原本的空冷，從而實現鑄件的指向性凝固[2]。

3.4 兩種方案的凝固鑄件節點溫度變化情況

通過以上描述表示，在鑄件凝固過程中能夠有效滿足需求的理想凝固就是指向性凝固，在第一個方案中逐漸節點凝固的順序比較混亂，以此無法得到質量鑄件。在第二個方案中，是以局部冷卻為基礎，能夠提高鑄件中3個節點的冷卻速度，并且保證一定的凝固順序，不僅能夠使生產效率得到提高，還能夠提高鑄件的優質性[3]。

4 結束語

以CAE技術為基礎的鋁合金汽車支架壓鑄件工藝，在設計過程中要根據分析結果改進具體方案，從而使產品開發和設計周期得到縮短，使生產成本得到降低，提高產品質量及性能。本文對CAE技術研究和數值模擬進行全面分析，模擬了有水冷和沒有水冷的方案，對鑄件中不同部位節點的溫度場進行了全面研究，對鑄件中的缺陷進行了深入分析。通過本文的分析結果可以看出來，在沒有設置水冷方案中，鋁合金的汽車支架在壓鑄過程中的凝固順序錯亂，導致鑄件成型過程出現鑄造缺陷。在有水冷方案中，節點冷卻速度得到了提高，并且凝固順序良好，鑄造缺陷有所降低。