機械轉向器件結構改善研究

李波，梁阿南

北京汽車研究總院有限公司 北京 101300

隨著人們對汽車乘坐舒適度的要求提高，整車噪聲控制顯得尤為重要，人們對車輛聲音和振動的印象直接決定了購買意愿。近些年來，汽車開發領域中的“聲學和振動技術”越來越突顯出其重要意義，并取得了顯著的進步。

聲學研究中把轉向系統噪聲分為操作噪聲和功能噪聲，劃分的依據是駕駛人對噪聲的影響程度和噪聲的持續時間[1]。轉向系統噪聲和異響一直是困擾汽車行業的技術難題，是轉向系統抱怨率最高的故障模式。轉向異響是衡量整車及系統質量的一個關鍵指標，也一直是國內外整車及零部件供應商重點關注的問題。隨著NVH要求的提高以及電動車的普及，如何有效遏制轉向系統異響，成為當前及未來汽車轉向系統產品開發的的重點課題。

本文基于對某款車型在產品開發前期，試驗過程中出現的轉向異響案例，展開對異響源的鎖定、異響樣件的結構參數優化以及臺架試驗，找出轉向異響的影響因素。根據各失效原因制定對應整改措施，從轉向異響的模式、原理、控制方法、臺架及整車測試方法、結構參數改進及軟件優化等方面著手，細化剖析，力求探究問題根本，以達到從設計初期降低轉向異響風險的目的，并通過試驗驗證整改措施，有效改善轉向異響問題。

問題描述

某款匹配管柱式電動助力轉向的車型在產品開發初期，動態路試時檢測到底盤異響（見圖1）。經過路試人員主觀評價，初步判斷異響為碰撞異響，來源于底盤轉向系統。動態路試轉向異響一般會與原地轉向異響同時存在，通過原地打轉向并在駕駛室內探尋異響來源，可判斷異響為車身前隔板外發動機室下部發出。準確鎖定轉向異響位置，需進行轉向傳動系統部件客觀數據采集分析。

圖1 轉向器測試部位

在異響路面，通過LMS數據采集主機測量齒條襯套位置、轉向器調整體位置及左側內拉桿（L.IBJ）和右側內拉桿（R.IBJ）位置振動加速度[2]。通過客觀測試，采用LMS.TEST.LAB將測量數據時域波形整理出來（見圖2）。經過采集車輛轉向器總成異響數據，并進行對比分析，可確定異響位置在轉向系統機械轉向器齒條襯套及齒輪齒條調整體位置。

圖2 轉向器測試數據

問題原因分析

該轉向異響是一種“嗒嗒”的碰擊聲，屬于碰撞異響。碰撞異響主要指臨近或相互接觸的零部件在動態載荷的作用下，相互撞擊產生的噪聲。轉向系統工作時，轉向器齒輪軸與齒條嚙合傳動，在這個過程中，齒條在受到軸向推力的同時，還受到來自齒輪軸的徑向推力[3]。受此推力影響，齒條會產生遠離齒輪軸的運動趨勢，為此，在齒條后部裝有調整體，齒條末端裝有支撐套，以保證轉向器運轉時性能最佳。凹凸路面時，受路面逆沖擊，如果齒條與調整體之間、齒條與支撐套之間間隙較大，將會產生碰撞異響。

根據對異響轉向器樣件的拆解分析和異響復現試驗，以及轉向異響主觀評價及客觀測試分析，確認異響原因有以下幾點。

1）齒輪齒條間隙過大。齒輪齒條的緊密貼合是靠壓塊、彈簧及調整螺塞組合所提供的壓緊力實現的。當齒條受外力作用時會遠離齒輪軸，而此時齒條與齒輪軸形成的最遠距離即是齒輪齒條的嚙合間隙。齒輪齒條嚙合間隙越大，齒條脫離齒輪軸的距離越遠，因此在受到路面沖擊時，相互撞擊產生的異響就越大。由此可知，合理控制齒輪齒條間隙成為控制轉向器異響的關鍵點。

2）調整體與殼體間O形圈硬度低，在運動過程中，調整體與殼體產生碰撞異響。調整體與調整螺塞間無軸向緩沖裝置，轉向器在承受軸向大載荷沖擊時，易發生沖擊異響問題。

3）齒條與支撐套間隙過大。支撐套在轉向器中起到支撐齒條、使齒條在運動過程中保持直線運動狀態的作用。若支撐套與齒條間隙過大，會導致齒條在運動過程中產生偏斜，從而產生異響。當車輛通過顛簸路面時，異響尤為明顯。

根據以上分析，確定導致轉向器異響原因，需對轉向器結構參數進行優化來改善異響。但隨著對轉向器間隙的控制，轉向器齒條逆向推力參數也隨之增大，需要通過調整電動助力轉向控制器阻尼補償，解決結構改進產生的性能下降問題。

制定優化方案

為滿足整車駕駛的NVH需求，同時又必須保證轉向系統在所有工況下均不得出現由于結構改進而影響轉向性能，需從如下方向進行整改，通過優化轉向系統結構解決異響問題，保證轉向性能不降低。

1.合理控制齒輪齒條間隙

通過在生產線控制齒輪與齒條的徑向嚙合間隙全行程在0.1mm以下，優化為徑向嚙合間隙在±180°范圍內0.08mm以下，其他范圍在0.1mm內[4]。控制轉向器齒輪齒條初始間隙，可有效減少耐久后轉向異響的發生。

2.合理調整體與殼體結構，增加軸向緩沖裝置

目前，常用的調整體結構主要有兩種：第一種是外圓不帶O形圈；第二種外圓只帶一個O形圈。

不帶O形圈的結構因調整體外周與殼體內壁之間無O形圈的緩沖作用，二者之間極易產生撞擊出現異響；帶一個O形圈的結構，因只有一個O形圈，調整體上下運動時導向作用較差，使調整體容易偏斜而與殼體產生撞擊異響。

為有效解決轉向器異響，對轉向器調整體結構進行優化，在外圓方向采用增加兩個O形圈，端面增加一個O形圈[5]（見圖3）。新結構可有效彌補前兩種結構的弊端，有效改善顛簸路碰撞異響。

圖3 轉向器調整體結構示意

圖4 改善結構位置視圖

3.合理控制齒條與支撐套間隙

將齒條與支撐套兩個方向間隙之和由≤0.2mm調整為≤0.15mm（在齒條末端依次施加垂向推力和拉力各60N），支撐套與齒條間隙，是齒條直徑、支撐套尺寸及剛度、殼體尺寸、O形圈線徑和硬度等因素綜合影響的結果[6]。本次更改是通過調整齒條襯套硬度，硬度由70HS改為90HS，實現將間隙控制在要求的范圍，同時在新型襯套齒條接觸面設計兩道溝槽來存放油脂，可減少滑動摩擦力，降低磨損。

4.平衡齒條逆向推力，重新進行EPS調校

轉向器結構參數調整后，轉向異響問題得到改善，但相應轉向器的逆向推力會隨著對間隙的控制而增大。逆向推力參數的增加，導致轉向系統摩擦感增強。主觀評價感受為轉向不順滑，轉向性能降低。為平衡轉向性能，基于電動助力轉向系統通過電子控制單元ECU進行性能調校工作，補償轉向逆推力帶來的性能降低。

通過電動助力調校參數的調整，在避免轉向異響的同時，有效提升了轉向性能。

效果驗證

根據上述優化方案思路，細化具體方案，通過采取轉向器嚙合間隙控制，調整體組件結構調整、齒條襯套間隙控制及阻尼補償等措施，有效改善了整車轉向異響的發生。對以上更改方案進行整車耐久路試，并進行整車客觀測試及主觀評價，以確定改善效果。測試設備采用LMS數據采集主機、傳聲器、三向加速度器及聲學標定器等。測試結果如圖6所示。

圖6 優化后測試結果

從圖6可以看出，上述方案實施后，轉向異響問題改善效果明顯，經過綜合耐久路試及主觀評價，轉向性能通過驗收。

結語

本文根據轉向異響發生的現象，對轉向器因結構設計不合理而產生轉向異響的原因進行了分析，提出了優化設計方案，并制定了相應整改措施，經試驗驗證，方案可行，可有效解決轉向異響問題并保證轉向性能。

通過本次對轉向異響問題原因分析、方案制定及試驗驗證等工作，得出以下結論。

1）針對試驗過程中或客戶反饋的異響問題，要到現場進行確認與分析，找準產生異響的部位，再根據異響產生的部位分析具體的產生原因，制定有效的改進或預防對策。通過試驗驗證，通過控制轉向器齒輪齒條嚙合間隙、調整體結構及齒條襯套間隙，可有效降低轉向異響。

2）對于轉向器結構調整引起的轉向性能不良，通過電動助力參數調校可平衡異響與性能之間的關系，達到最優效果。

通過本文的分析研究，為后續此類問題的解決提供了寶貴的開發經驗，在以后電動轉向系統開發過程中，通過對轉向系統機構的合理設計和充分驗證，以及調校參數的合理匹配，可有效防止轉向異響問題。