轉向機壓塊Stick-slip異響問題分析及優化

陳佳欣　金旭文　肖會濤　俞力銘　梁九生

摘 要：本文根據MSG型號單齒輪轉向機測試駕駛員抱怨的換向異響問題，首先進行加速度貼片測試確定換向異響振幅最大區域主要來自于壓塊，進而影響齒條襯套與拉桿同樣產生振幅，并推斷出該異響類型為stick-slip噪聲。然后采用故障樹分析方法對壓塊產生噪音的主要原因逐層分析從而確定優化方向。最后從零件表面粗糙度因素和零件潤滑因素兩個方面確定優化方案，為相同類型問題的解決提供一定的理論參考。

關鍵詞：單齒輪式電子轉向機 壓塊 壓塊襯片 故障樹分析方法

0 引言

隨著我國新能源汽車市場的蓬勃發展，人們對于汽車的功能需求已經不單單局限于基本的轉向、制動與前進。各個整車車企及零部件供應商也在不斷提升自身競爭力，比如提高駕駛員在行駛過程中的操作穩定性、轉向過程中的行駛平順性和制動性能等評價指標的標準。尤其是在新能源汽車不斷追求安靜舒適的駕駛環境，轉向機也在不斷降低自身所產生的噪聲，從而提高駕駛員與乘客的整體乘坐舒適性[1]。

本文基于MSG車型單齒輪式電子轉向機所出現的Stick-slip換向異響噪音問題進行分析，并根據換向異響問題的主要原因提出解決措施，為后續相關問題提供一定的理論參考。

1 Stick-slip噪音運動學機理及問題來源介紹

Stick-slip噪音廣泛出現在機械工程領域，其主要定義為在運動過程中兩個不同接觸面之間粘滯和滑動持續交替而引發的有害噪聲，不僅僅會影響機械件接觸界面的磨損，還會降低系統運動精度。Stick-slip的運動學機理通常為機械件在受到外力作用下，首先會因為靜態摩擦力大于外力而阻礙二者之間的相對作用而使機械件仍保持靜止狀態。然而當外力持續增長大于靜態摩擦力時，二者之間發生相對滑動，由靜態摩擦力轉變為動態摩擦力[2]。當外力逐漸下降時，物體運動狀態回到靜止，動態摩擦力再次轉變為靜態摩擦力，物體在外力作用下重新開始運動，持續反復整個流程，在機械件中形成Stick-slip噪音[3-4]，完整粘滯滑動振動所產生的時間與位移關系圖如圖1所示。

（1）

（2）

（3）

機械件接觸面不連續鋸齒狀運動軌跡主要是由于在滑動區間受到公式（1）的約束，在粘滯區間受到公式（2）約束。如圖1所示，假設兩個不同的機械件中接觸面1，在粘滯狀態中從M點移動至N點，此時兩接觸面之間的靜摩擦力需要抵抗恒定阻尼力cv和增長彈簧力kx的恢復力。從N點至Q點后，恢復力在克服峰值靜態摩擦力F?-s后，由靜態摩擦力轉變為動態摩擦力，進入滑動狀態，其中，?s為靜摩擦系數，F?-s為靜態摩擦力。長期反復這種粘滯-滑動的運動狀態，造成機械件在摩擦力作用下產生摩擦自激振動進而形成Stick-slip噪音[5-6]。隨著摩擦自激振動沖擊增大，動態摩擦力轉變為靜態摩擦力所產生的動能也大幅度提升，Stick-slip噪聲隨之增大，而與峰值靜態摩擦力最直接的相關的因素為摩擦系數，所以減小摩擦系數可以直接減小峰值靜摩擦力，從而降低或抑制Stick-slip噪聲。

MSG車型在整車組裝完畢下線試車階段，測試駕駛員發現轉向機在換向過程中方向盤在任意位置快速換向時會出現“噠”的響聲。雖然此異響暫時不影響駕駛員的正常轉向，但是并不排除長期異響會增加轉向機內部零件失效的潛在風險，因此需要針對該問題對單齒輪式電子轉向機自身結構零部件進行深入分析。

2 單齒輪轉向機異響位置確定

通常來說，駕駛員轉向過程中產生的“噠”的異響聲主要是由于轉向機結構件之間的相互接觸摩擦而產生的異響。為了確定本文異響的主要類別，首先收集試車階段存在問題的轉向機，去除電機后噪音依然存在，在臺架上固定后進行加速度貼片測試，加速度貼片位置如圖2簡化單齒輪轉向機示意圖紅框所示，主要在壓塊、襯套和拉桿三個區域進行。然后，將方向盤連續從靜止到運動左右轉動直至聽到有“噠”的異響，轉動測試時長大約為30s左右。最后，導出加速度測試結果進行分析，根據振動測試來確定噪音振幅最大區域從而對該區域的結構進行進一步的分析和優化，加速度貼片結果如圖3所示。

由于全部加速度貼片測試數據比較雜亂，為了更清晰地分析轉向過程中壓塊、襯套和拉桿三部分區域的振動規律與振幅情況，本文僅選取轉向機一次轉向0.0045s內的測試結果。根據測試結果可知：三個區域都有不同程度的振動，壓塊區域最先起振且振動幅度最大，單次振動加速度可高達10m/s2以上，然而拉桿區域振動幅度最小，x，y，z三個方向的振動幅度均在5m/s2之間。

3 單齒輪電子轉向機Stick-slip噪音機理分析

前一節已通過加速度貼片測試客觀測量單齒輪電子轉向機的振動情況，確認了Stick-slip噪音來自于壓塊區域，進而輻射影響至齒條襯套區域與拉桿區域。考慮到壓塊、殼體和齒條之間的配合緊密，運動過程中零件接觸表面并不能達到理想狀態下的光滑無摩擦，因此當兩接觸表面之間處于干摩擦、邊界潤滑或者混合潤滑的狀態下，轉向機轉向過程需要克服接觸滑動副的表面不平整性，導致摩擦力波動，當摩擦力波動足夠劇烈時則會產生持續的粘滯現象。即使在測試階段保持穩定的勻速轉向，但相互接觸的滑動副表面不穩定的摩擦振動會導致噪聲，通常被稱為Stick-slip噪聲。為了進一步確認轉向機發生Stick-slip噪音的位置，利用故障樹方法對噪聲涉及的零部件進一步劃分，不僅僅可以確定噪音的直接影響因素，還可以不斷細化分析影響因素所指向的零部件，為后面優化單齒輪電子轉向機Stick-slip噪音問題提供思路，其中故障樹問題分支圖如圖4所示。

根據異響故障樹的多層次分析可知，壓塊區域是產生異響的最主要區域，以壓塊區域為主進行發散可間接影響齒條襯套區域和拉桿球頭。想要解決Stick-slip異響，便要從壓塊區域上進行調整。根據加速度貼片測試中壓塊軸向振動結果遠高于正常水平的結果，可推測壓塊處存在摩擦力波動進而導致了Stick-slip噪音問題。首先考慮到壓塊與殼體之間只會發生沿著齒條徑向的運動，與實際加速度貼片測試結果的軸向振動不符，因此排除殼體與壓塊之間的摩擦影響，確定為壓塊與齒條兩個零部件之間的問題而產生異響，為下一節提出噪音優化方案作鋪墊。

4 單齒輪電子轉向機Stick-slip噪音優化方案

由第三節Stick-slip噪音機理故障樹分析示意圖可知，單齒輪轉向機Stick-slip噪音優化方向主要為壓塊區域。根據Stick-slip噪音運動學機理可知需要從摩擦系數?的角度進行研究分析，多方面采取措施減小摩擦系數，因此選取零件表面粗糙度因素和零件潤滑因素兩個方面提出優化方案來減小或抑制Stick-slip噪音。為了驗證優化方案的可行性，搭建了如圖5所示的試驗臺架，將兩根齒條與臺架配合，其中裝有壓塊襯片的壓塊與齒條配合，同時在三個固定點處設定繩牽正壓力的大小分別為2000N和4000N。實驗過程中利用液壓缸前后推動，觀察測量十組樣件壓塊滑移力具體數值結果，用于測試不同方案下摩擦系數結果對比，從而驗證該方案的可行性。

4.1 壓塊表面粗糙度

由于不同廠家生產的壓塊所使用的材料不同，其硬度及表面粗糙度也不盡相同。當壓塊表面粗糙度較大時，壓塊與齒條之間的相互接觸和摩擦不僅僅會導致兩個部件接觸面之間的磨損還會在粘滯振動趨于飽和時發生Stick-slip噪音，因此在為轉向機選擇壓塊時，應當在預算范圍內盡量選擇表面粗糙度較低的優化壓塊，如圖6所示。優化壓塊會在襯片外層包裹一層潤滑平整的PTFE材質，從而降低與齒條之間的摩擦力，與現用壓塊之間的摩擦系數對比情況如圖7所示。

4.2 齒背粗糙度

齒條在轉向過程中齒背直接接觸壓塊，因此當齒條表面出現磨損或是工藝缺陷時，不僅會提高整車負載狀態下發生NVH噪音的可能性，還會影響轉向過程中駕駛員原本平穩順滑的轉向手感。齒背表面上容易出現頻率較高的規律性條紋磨損，如圖8所示，其主要產生原因是由于感應淬火引起，應當及時調整拋光輪的線速度和進給速度可有效改善其表面質量，降低與壓塊之間的摩擦，進而降低Stick-slip噪聲。

4.3零件潤滑因素

除了針對性更換優化壓塊，本文還對抱怨件進行拆解，觀察壓塊零件狀態。結果發現壓塊襯片儲存油脂量過少，如圖9所示。當壓塊襯片儲油槽的儲油量降低后，壓塊襯片接觸面與齒條接觸面在轉向過程中摩擦系數增大，齒背和壓塊之間更容易因滑動副表面不穩定的摩擦振動而增大Stick-slip噪音。為了確定壓塊在潤滑狀態下與非潤滑情況下的摩擦系數，使用圖9所示的試驗臺架隨機抽取十個同批次樣件測試現用壓塊在涂油與不涂油兩種方案下的摩擦系數，從而驗證零件潤滑因素同樣對Stick-slip噪音存在較大的影響，實驗結果如圖10所示。根據實驗結果可以得知，涂油后壓塊與齒條之間的摩擦系數明顯低于未涂油情況，說明壓塊涂油后可有效降低齒條與壓塊之間的摩擦力，減小發生摩擦自激振動的可能性，進而減小或抑制Stick-slip噪音。

經過臺架測試結果可知，良好的潤滑條件可以有效降低Stick-slip噪音風險，因此將壓塊襯片表面由原本的四點涂油法更新至中心涂油法，如圖11所示。中心涂油法相較于四點涂油法的優勢在于既可以保證注油量的充足也可以確保轉向過程中壓塊與齒條都可以均勻地覆蓋油脂，盡可能地發揮油脂減噪性的優點。

5 結論

為了解決轉向機異響原因復雜難排查、難解決的問題，本文以MSG單齒輪轉向機測試駕駛員抱怨的換向異響問題為切入點，采用加速度貼片測試法確定換向異響區域，根據測試結果推斷出該異響類型為Stick-slip噪聲。然后利用故障樹方法對Stick-slip噪音影響區域進行梳理和機理分析。最后從零件表面粗糙度因素和零件潤滑因素兩個方面提出優化方案來減小或抑制Stick-slip噪音，為類似轉向機噪音問題的解決提供一定的理論參考。

參考文獻：

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