電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向管柱顛簸路異響優(yōu)化設(shè)計(jì)

梁阿南，丁 寧

（北京汽車集團(tuán)有限公司，北京 101300）

0 引 言

EPS（Electric Power Steering，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向）系統(tǒng)是一種直接依靠電動(dòng)機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是為了滿足人們對(duì)駕駛輕便性的要求而產(chǎn)生的，可以根據(jù)不同的使用工況控制電動(dòng)機(jī)提供不同的輔助動(dòng)力，符合當(dāng)前電控技術(shù)與汽車技術(shù)相結(jié)合的趨勢(shì)[1]。由于EPS內(nèi)部集成的零部件數(shù)量較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，容易導(dǎo)致顛簸路面行駛時(shí)產(chǎn)生噪聲。同整車大多數(shù)噪聲一樣，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的噪聲一般不能完全消除，需要控制在人耳能接受的正常范圍內(nèi)。如果零部件及之間的匹配發(fā)生異常，噪聲會(huì)高于能接受的范圍，這種噪聲稱之為異響。常見的有轉(zhuǎn)向操作異響、顛簸路面異響、起步異響、轉(zhuǎn)向盤怠速抖動(dòng)甚至異響[2]。因電動(dòng)助力管柱通常布置在乘員艙，距離駕駛員較近，在發(fā)生異響時(shí)更容易被駕駛員發(fā)覺，且異響發(fā)生時(shí)常常伴有轉(zhuǎn)向盤上的手感振動(dòng)沖擊，因而對(duì)于異響需要更加嚴(yán)格控制。基于以上，提出一種解決顛簸路異響的方法，對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向管柱設(shè)計(jì)優(yōu)化，經(jīng)過驗(yàn)證，達(dá)到預(yù)想的效果。

1 問題描述

某款車型在試驗(yàn)行駛1萬km，車速為15～20 km/h情況下，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)“噠噠”異響，且轉(zhuǎn)向盤有振動(dòng)感。對(duì)異響車輛進(jìn)行檢查，首先檢查轉(zhuǎn)向盤與護(hù)罩、轉(zhuǎn)向中間軸節(jié)叉與車體通過孔周邊間隙，轉(zhuǎn)向拉桿與擺臂的間隙，結(jié)果無干涉。經(jīng)過NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度）專業(yè)人員主觀評(píng)價(jià)，初步判斷異響源來自轉(zhuǎn)向管柱，后續(xù)通過麥克風(fēng)采集聲音數(shù)據(jù)和LMS數(shù)據(jù)采集主機(jī)測(cè)試轉(zhuǎn)向管柱蝸輪蝸桿、中間軸、轉(zhuǎn)向器調(diào)整體、轉(zhuǎn)向器支持襯套處的加速度值，綜合分析進(jìn)一步鎖定異響源為轉(zhuǎn)向管柱。更換新轉(zhuǎn)向管柱后，重新進(jìn)行評(píng)價(jià)，轉(zhuǎn)向“噠噠”異響消失。

典型顛簸路面如圖1所示。

圖1 異響發(fā)生的典型路況

2 原因分析

針對(duì)問題的描述，利用簡(jiǎn)單實(shí)用、深入直觀的魚骨圖進(jìn)行分析，如圖2所示，結(jié)合主觀評(píng)價(jià)及客觀數(shù)據(jù)的分析結(jié)果鎖定顛簸路異響問題原因，對(duì)轉(zhuǎn)向管柱伺服單元蝸輪蝸桿部位進(jìn)行重點(diǎn)分析。通過客觀測(cè)試，轉(zhuǎn)向管柱蝸輪蝸桿處的振動(dòng)較大，確定為異響來源。車輛在路面特殊路譜的激勵(lì)下，激勵(lì)傳遞到轉(zhuǎn)向管柱蝸輪蝸桿，導(dǎo)致蝸輪蝸桿處產(chǎn)生“顛簸路異響”。蝸輪蝸桿處產(chǎn)生異響的因素包括材料選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、無間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)、軸向緩沖機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑脂牌號(hào)及加注量、零部件加工工藝和產(chǎn)線噪聲檢查等。

圖2 轉(zhuǎn)向異響魚骨圖

抽取其他主機(jī)廠197臺(tái)同結(jié)構(gòu)異響產(chǎn)品進(jìn)行原因分析，異響主要發(fā)生在2萬km內(nèi)，且與行駛里程關(guān)聯(lián)，如圖3所示。經(jīng)過故障件的拆解分析發(fā)現(xiàn)，故障件普遍存在蝸輪蝸桿嚙合處油脂量偏少情況，且蝸輪盤有磨損痕跡。對(duì)于行駛里程小于500 km的故障件進(jìn)行蝸輪蝸桿間隙檢查，發(fā)現(xiàn)異響件間隙大于3′。

圖3 異響故障里程統(tǒng)計(jì)

綜合分析轉(zhuǎn)向管柱蝸輪蝸桿異響主要原因?yàn)椋?/p>

（1）轉(zhuǎn)向管柱伺服單元內(nèi)蝸輪蝸桿潤(rùn)滑不良，經(jīng)拆解對(duì)比渦輪蝸桿處的潤(rùn)滑脂存量，發(fā)現(xiàn)故障件內(nèi)油脂比無異響件油脂少4 g左右；

（2）電動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的蝸輪蝸桿間隙不可調(diào)整，不可調(diào)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，如果應(yīng)用在前軸荷大的車輛上，隨著行駛里程增加，蝸輪蝸桿磨損產(chǎn)生間隙，當(dāng)車輛行駛在顛簸路面上時(shí)，容易產(chǎn)生撞擊異響；

（3）通過分析行駛里程在500 km以內(nèi)的異響車輛，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱初始間隙未得到有效控制是造成異響的主要原因。

綜上所述，該車型顛簸路異響的主要原因?yàn)殡妱?dòng)助力轉(zhuǎn)向管柱總成潤(rùn)滑不良、無間隙自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)。

3 優(yōu)化方案

通過深入分析轉(zhuǎn)向管柱異響部位發(fā)現(xiàn)，控制潤(rùn)滑性能、結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制工藝是解決異響的根本措施。

（1）針對(duì)蝸輪蝸桿嚙合部位潤(rùn)滑脂狀態(tài)，由于人工加注涂抹不均勻及設(shè)定加注參數(shù)計(jì)量偏小，導(dǎo)致耐久后潤(rùn)滑不良磨損嚴(yán)重，蝸輪蝸桿磨損產(chǎn)生間隙后出現(xiàn)撞擊異響。對(duì)加注工藝進(jìn)行優(yōu)化，將人工加注10 g油脂改為設(shè)備定量加注16 g油脂，保證潤(rùn)滑效果，如圖4、圖5所示。

圖4 優(yōu)化前人工加注

圖5 優(yōu)化后設(shè)備定量加注

（2）采用蝸輪蝸桿及殼體分組選配，增加嚙合過程的平順性，減輕磨損；同時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，將蝸輪蝸桿間隙參數(shù)調(diào)整在3′以內(nèi)，有效消除了零公里異響。

（3）經(jīng)過對(duì)標(biāo)分析，優(yōu)化前蝸輪蝸桿間隙不可調(diào)，如圖6所示，優(yōu)化后采用蝸輪蝸桿間隙自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，即通過彈性元件，將蝸桿小浮動(dòng)軸承部位壓向蝸輪，使得蝸桿實(shí)現(xiàn)偏擺，保證蝸輪蝸桿傳動(dòng)過程中能夠始終保持嚙合，最終達(dá)到消除異響的目的。如圖7所示，采用間隙自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)能夠消除蝸輪蝸桿配合間隙，降低異響風(fēng)險(xiǎn)[3]。

圖6 優(yōu)化前蝸輪蝸桿間隙不可調(diào)

圖7 優(yōu)化后蝸輪蝸桿間隙自動(dòng)調(diào)整

4 效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化方案的效果，利用LMS數(shù)據(jù)采集設(shè)備、傳聲器、三向加速度器、聲學(xué)標(biāo)定器等，對(duì)故障件與改進(jìn)件的間隙分別測(cè)量，傳感器布置在蝸輪蝸桿嚙合部位殼體靠近蝸桿處外側(cè)，同時(shí)在駕駛室內(nèi)布置麥克風(fēng)采集噪聲，如圖8所示。

圖8 傳感器測(cè)試位置

用LMS.TEST.LAB將數(shù)據(jù)時(shí)域波形整理出來，將振動(dòng)傳感器采集的數(shù)據(jù)采用相同坐標(biāo)范圍進(jìn)行對(duì)比。在同一范圍內(nèi)，比較傳感器采集的振動(dòng)量級(jí)、振動(dòng)平穩(wěn)性。通過客觀測(cè)試對(duì)比及駕駛室麥克風(fēng)采集聲壓的綜合評(píng)價(jià)，經(jīng)過對(duì)①、②、③、④的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向管柱進(jìn)行改進(jìn)后，顛簸路轉(zhuǎn)向異響改善效果明顯，如圖9、圖10所示。

圖9 異響件①②③測(cè)試數(shù)據(jù)

圖10 改善件④測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

（1）顛簸路逆向沖擊傳遞到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，因轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件在動(dòng)態(tài)載荷的作用下，相互敲擊產(chǎn)生了噪聲異響，該異響可通過對(duì)整車客觀測(cè)試確定異響源。

（2）增加蝸輪蝸桿間隙自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，通過彈性元件在蝸桿小浮動(dòng)軸承部位壓向蝸輪，使得蝸桿實(shí)現(xiàn)偏擺，保證蝸輪蝸桿傳動(dòng)過程中能夠始終保持嚙合，最終達(dá)到消除異響的目的。

（3）蝸輪蝸桿及殼體分組選配，控制嚙合間隙可有效消除短里程顛簸路轉(zhuǎn)向異響。

通過電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向管柱改進(jìn)前、后對(duì)比分析，確定轉(zhuǎn)向異響改進(jìn)效果明顯，研究成果可直接應(yīng)用于工作實(shí)踐，避免類似問題重復(fù)發(fā)生。