滾珠滑動式中間軸stick-slip問題探析

李紹義 郁軍輝 劉俊峰 李小康

摘 要：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為駕駛員直接操縱的安全系統(tǒng)，不僅需要考慮駕駛安全，還應將客戶感知作為重要考慮因素，為駕駛員提供穩(wěn)定，平順的駕駛感受。文章從理論分析入手，闡述了滾珠滑動式中間stick?slip的產(chǎn)生原理，建立受力模型，并針對其結(jié)構(gòu)和受力情況提出了兩條優(yōu)化方案，抑制stick?slip問題的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：滾珠滑動式中間軸;stick slip

中圖分類號：U463.4 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-52-03

Abstract： As a safety system directly operated by drivers， steering system should not only consider driving safety， but also take customer perception as an important consideration to provide drivers with a stable and smooth driving experience. Starting with the theoretical analysis， this paper expounds the generating principle of the ball sliding intermediate stick slip， establishes its force model， and puts forward two optimization schemes according to its structure and stress condition to restrain the occurrence of the stick slip problem.

Keywords： Ball sliding intermediate shaft; Stick slip

CLC NO.： U463.4 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-52-03

1 引言

隨著整車的安全性和舒適性要求越來越高，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電氣化程度也越來越高，從早期的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）到如今普遍使用的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS），再到未來的發(fā)展趨勢：線控助力轉(zhuǎn)向（SBW），轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的噪音水平得到了很大的提升，與此同時，由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)上的限制，依然存在轉(zhuǎn)向噪音問題。這其中轉(zhuǎn)向中間軸因其受力不均勻、布置位置離駕駛員近，其噪音問題容易引起強烈抱怨。滾珠滑動式中間軸以其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，傳遞效率高等優(yōu)點被越來越多在EPS系統(tǒng)中，但在助力電機輸出負載大的車型上，中間軸內(nèi)部零件容易產(chǎn)生相對運動，導致異響，影響客戶感知。

本文從結(jié)構(gòu)入手，介紹常用中間軸的結(jié)構(gòu)、特點和設(shè)計要求，以某EPS系統(tǒng)中滾珠滑動式中間軸的噪音問題為載體，分析了該結(jié)構(gòu)中間軸異響問題的影響因素和優(yōu)化思路，為后續(xù)開發(fā)和優(yōu)化提供了理論分析。

2 中間軸結(jié)構(gòu)及設(shè)計要求

轉(zhuǎn)向中間軸作為連接轉(zhuǎn)向機和轉(zhuǎn)向管柱的中間介質(zhì)，不僅將駕駛員手力傳遞到轉(zhuǎn)向機，拉動轉(zhuǎn)向節(jié)實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向，還可以傳遞路面的激勵，給駕駛員以路面反饋。由于整車布置的原因，轉(zhuǎn)向中間軸上下連接處無法布置為直線連接，因此中間軸一般是由內(nèi)外管和萬向節(jié)組成，各軸之間有十字軸萬向節(jié)進行連接，內(nèi)外管之間可以相對滑動，以方便安裝，同時這樣的設(shè)計預留了一部分潰縮功能，起到了碰撞時吸收能量的功效。具體來講，轉(zhuǎn)向中間軸的設(shè)計要求主要包括以下三項：

2.1 扭矩傳遞

中間軸的主要功能之一就是傳遞扭矩，在實際使用中，中間軸應達到傳遞效率高，扭矩波動小，初始位置扭矩遲滯小，扭矩承載能力大的要求。摩擦副可以較大程度上決定這些性能，一般來說滾珠滑動副比摩擦滑動副具備更大的扭矩傳遞能力。

2.2 滑動力

為了運輸和安裝的方便，中間軸在安裝過程中可能會固定在不同的長度。安裝工人在將中間軸安裝到轉(zhuǎn)向機上時，往往需要調(diào)整中間軸滑動區(qū)間的長度，因此需要中間軸的滑動力滿足對應的人機要求。具體要求由各公司對此處人機要求來決定。

2.3 耐久性能

根據(jù)實際的系統(tǒng)載荷，需在中間軸的耐久試驗施加交變的負載以模擬實際的使用工況，具體的載荷大小和周期需要各家廠商根據(jù)整車情況和外部輸入自行定義。由于實際使用中，中間軸潤滑性對耐久性能影響很大，需考慮實際使用中溫度的影響，因此，常常將溫度作為單獨的試驗條件增加到中間軸的耐久性試驗中。

3 滾珠滑動式中間軸stick slip噪音產(chǎn)生原理

如上節(jié)介紹，滾珠滑動式中間軸的特點主要體現(xiàn)在滑動副，從結(jié)構(gòu)上看，在套管和軸之間，通過彈簧和滾道支撐鋼球，鋼球與套管直接接觸，如圖1所示，這樣結(jié)構(gòu)的好處在于系統(tǒng)的傳遞間隙得以降低，這是由于支撐彈簧對鋼球?qū)嵤┝祟A加載荷，同時系統(tǒng)的扭矩剛度得到保證。根據(jù)實際的使用工況，客戶在駐車時中間軸的負載較大，對于管柱式EPS系統(tǒng)，最大可以達到90Nm，但多數(shù)的工況，中間軸傳遞的扭矩較低，此時鋼珠的承載能力可以克服。相比于傳統(tǒng)花鍵式中間軸，滾珠式結(jié)構(gòu)可以有效降低系統(tǒng)摩擦力，容易滿足滑動力的人機要求，另外因為鋼球的存在，花鍵的磨損降低，系統(tǒng)的耐久性能更好。

Stick slip摩擦在工程范圍內(nèi)被廣泛的研究，概括來講就是相互擠壓的物體在突破最大靜摩擦力，達到動摩擦時，會有能量的釋放。根據(jù)文獻[1]中的論述，要想達到stick slip的狀態(tài)，這兩個物體的柔度和相對速度必須在一定的區(qū)間內(nèi)，在柔度很小，相對速度足夠高的極端情況下，stick slip現(xiàn)象不會出現(xiàn)，如圖2所示。然而在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)耐久，制造公差等情況，實際使用時往往都在stick slip區(qū)間。

中間軸周期性stick slip是轉(zhuǎn)向軸上下套管產(chǎn)生相對運動導致的，由于中間軸上套管通過上管柱和IP固定，下套管通過轉(zhuǎn)向機和副車架固定，上下套管的的相對位移比較小。在實際車輛使用工況中，急轉(zhuǎn)彎、急剎車等情況下，上管柱的軸向加速度很大，中間軸的負載比較大，存在出現(xiàn)stick slip的情況。這時由于能量釋放，內(nèi)外套管之間產(chǎn)生敲擊，發(fā)出異響，根據(jù)文獻[2]給出的仿真結(jié)果，可以采取以下措施來抑制stick slip現(xiàn)象：減小靜、動摩擦系數(shù)之差;控制轉(zhuǎn)向柱和中間軸上的軸向沖擊或塑性。但在實際中間軸使用工況中，往往很難做到。

4 某車型中間軸stick slip噪音

某車型在原地轉(zhuǎn)動方向盤時發(fā)現(xiàn)有“咔嗒”異響，初步判斷噪音來源于轉(zhuǎn)向管柱，對失效中間軸進行臺架復現(xiàn)，在中間軸兩端施加扭轉(zhuǎn)扭矩，可以復現(xiàn)噪音缺陷，從臺架可以觀察到，由于中間軸滾道在扭轉(zhuǎn)時發(fā)生了異常跳動，噪音產(chǎn)生，如圖3所示。

針對該車型中間軸結(jié)構(gòu)進行分析，建立滾道的物理模型，對其做受力分析圖如圖4所示。

根據(jù)前面的論述，在力矩C1作用下，滾道收到鋼球的壓力F1，同時滾道和軸接觸面產(chǎn)生的摩擦力，抑制了滾道翻轉(zhuǎn)的趨勢，在未突破此處最大靜摩擦力時，滾道不產(chǎn)生滑動，否則，出現(xiàn)stick slip現(xiàn)象，F(xiàn)3為力矩C1在滾道與軸接觸面垂直方向的分量，F(xiàn)4滾道與軸之間的摩擦力，即滿足不滑動的條件為：

5 總結(jié)

對于前軸載荷較小的車型來說，EPS所需的助力電機功率較小，輸出扭矩偏小，中間軸的工作載荷也較小，一般工況下的沖擊并不足以導致滾道突破最大靜摩擦力，產(chǎn)生stick slip現(xiàn)象，但在一些大扭矩的電機或者大負載的工況下，滾珠式中間軸的滾道和軸會產(chǎn)生相對運動，產(chǎn)生異響。本文通過理論分析，得出了抑制滾珠滑動式中間軸stick slip現(xiàn)象的兩條思路：控制滾道和軸之間的摩擦系數(shù)，減小壓力角β，為后續(xù)該類型的中間軸開發(fā)提供了設(shè)計指導和理論支撐。

參考文獻

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