一種新型設計的轉向機壓塊預緊機構

摘 要：壓塊預緊機構作為轉向機重要組成部分，主要作用為齒輪齒條嚙合提供預緊力，保證齒輪齒條一直處于嚙合狀態，消除齒輪齒條間隙；其次為轉向機在沖擊工況下提供緩沖作用，保護各個零件，防止零件破壞引起噪音問題；最后為齒條提供支撐作用，防止齒條旋轉。因此壓塊預緊機構的好壞直接影響轉向機各個性能，而現有設計的膜片彈簧耐久磨損后，由于明顯的剛度下降，為齒輪齒條提供的預緊力大大減小，導致轉向機在耐久后易出現壓塊間隙變大，造成轉向機噪音問題。本文新型設計的蝶形彈簧，解決了現有技術的不足，大大提高了壓塊機構的承載能力以及壽命。本文從材料性能、剛度、預緊力衰減以及工藝裝配流程進行具體分析。

關鍵詞：膜片彈簧 蝶形彈簧 壓塊機構 剛度 預緊力臺

0 引言

由于電動汽車行業的快速發展，電動汽車市場占有率越來越大，而電動汽車所需零件越來越多，整車布局越來越復雜。整車廠對各個零部件供應商要求也越來越高，希望各級零部件體積越來越小，重量越來越輕，但是容量以及質量越來越高。轉向機作為汽車零件的一個非常重要的部件，直接關系著駕駛人員生命安全，同樣也面臨著整車廠各種要求。并且轉向機性能的好壞直接影響駕駛人員的操作手感，目前轉向機面臨著噪音、傳感器失效、丟失助力、拉桿球頭斷裂等諸多問題，因此優化轉向機性能勢在必得。

壓塊預緊機構作為轉向機重要組成部分，其作用有以下幾個方面：1、為齒輪齒條嚙合提供支撐以及預緊力，防止耐久后各零件磨損導致壓塊間隙增大，引起各種噪音問題[1-2]。2、為轉向機在各種沖擊工況下提供緩沖作用，防止在沖擊作用下，各個零件破壞失效，從而引起click、rattle等噪音。3、為齒條傾覆旋轉提供支撐，防止齒條旋轉。4、為轉向機提供密封性能，防止轉向機進水引起各個零件生銹腐蝕以及電器件損壞丟失信號，造成轉向機丟失助力。因此壓塊預緊機構性能的好壞直接影響轉向機性能。

1 現有壓塊預緊機構設計

現有壓塊預緊機構如圖一所示，組成零件分別為：壓塊、襯片、壓塊O型圈、膜片彈簧、密封圈、調整螺母、調整螺母塞。每一個零件作用分別如下：壓塊包裹著齒條齒背，一直為齒輪齒條嚙合提供支撐作用，但是金屬壓塊與金屬齒條相接觸時，由于來回摩擦，會造成壓塊磨損嚴重，引起耐久后噪音問題，因此塑料襯片的作用提高耐磨性。壓塊上的O型圈為在沖擊工況下，提供緩沖作用，防止在沖擊工況下，壓塊傾斜與殼體碰撞產生噪音。膜片彈簧能夠提供較大的預緊力，為齒輪齒條一直處于嚙合狀態提供預緊作用。壓塊頂端處密封圈起到密封作用，防止外界水分進入轉向機。調整螺母與殼體螺紋配合，固定整個壓塊小總成。調整螺母塞裝配前產線需測量壓塊間隙，壓塊間隙測量方法[3]，探針需要伸入調整螺母孔內，頂在膜片彈簧上，然后轉動齒輪齒條，讀取該區域沿著壓塊軸線的間隙變化，壓塊間隙測量完成后安裝上調整螺母塞進行密封。

該設計在耐久后由于齒輪齒條磨損，并且齒條不同區域磨損量也不一致，中間區域磨損量最大，壓塊預緊位置發生變化，彈簧預緊力下降，壓塊間隙變大，造成齒輪齒條區域各種噪音。初始狀態壓塊間隙產線會控制在0-0.1mm內，耐久后由于磨損，預緊力不足，壓塊間隙會增加到大于0.2mm，造成各種換向和rattle噪音。

2 新型壓塊預緊機構設計

為了提高耐久后的預緊力以及疲勞壽命，設計一種新型的蝶形彈簧結構。相比于現有設計，優化膜片彈簧設計，如圖一和二所示，原設計膜片彈簧為一個圓盤結構，而新設計的膜片彈簧為環形設計，命名為蝶形彈簧。除了形狀結構有差異外，該蝶形彈簧材料、剛度、耐久后預緊力表現、裝配工藝等都明顯優于老設計。以下進行詳細說明。

2.1 原材料性能差異性

原設計的膜片材料為C75S鋼，新設計的材料為50CrVA鋼，屈服強度和抗拉強度值詳見表格1。從棒料角度考慮，新設計的抗拉強度比原設計大95 N/mm2，屈服強度大245 N/mm2，屈服強度明顯提高。表明新設計的材料性能更優，承載能力更強。延伸率水平相當。

2.2 剛度性能對比差異性

剛度性能通過膜片彈簧與壓塊和調整螺母的配合長度以及彈簧本身的剛度曲線進行對比分析。

2.2.1 彈簧與壓塊和調整螺母的配合長度對比分析

膜片彈簧和蝶形彈簧分別與壓塊和調整螺母配合設計參考圖3。ra為彈簧與壓塊徑向配合重合長度，rb為彈簧與調整螺母徑向配合重合長度，軸向硬限位距離為膜片彈簧與調整螺母軸向配合長度以及蝶形膜片與壓塊軸向配合長度。通過尺寸鏈計算得出軸向和徑向重合長度見表2。原設計徑向最小支撐長度為1.05 mm，新設計為1.28 mm，原設計軸向最小支撐長度為0.54 mm，新設計為0.8 mm，新設計的徑向和軸向重合長度都遠遠大于原有設計。重合長度越長，硬限位剛度越高，對高負載工況的支撐功能越有利，因此從配合長度角度考慮，新設計優于原設計。

2.2.2 膜片彈簧與蝶形彈簧耐久前后剛度衰減差異性

圖4和5五分別為兩種設計耐久前后剛度衰減曲線，剛度衰減值公式為

K=ΔF/Δλ （1）

K：為剛度衰減值；

ΔF：為耐久前后預緊力差值；

Δλ：為耐久前后彈簧變形量。

兩種設計耐久前后預緊力值如表格3所示。可以得出原設計剛度衰減值K為1.6，新設計剛度衰減值K為0.27，衰減值遠遠小于原設計，表明轉向機在耐久后，即使膜片彈簧有少量的磨損，壓塊間隙有一定的增加，但是彈簧仍然能夠提供足夠大的預緊力和彈簧力，依舊能夠保證齒輪齒條之間良好的嚙合。因此，可以預防耐久后噪音的產生，提高轉向機噪音表現。

2.3 耐久前后預緊力性能對比差異性

按照耐久前后磨損量變化值0.3mm，實測兩種設計的預緊力，分別為：原設計耐久前后預緊力分別為680N和200N，衰減量為480N，衰減百分比為70.5%。而新設計的耐久前后預緊力分別為830N和750N，衰減量僅為80N，衰減百分比僅為9.6%。預緊力耐久后會降低，但是即使降低，新設計耐久后的預緊力相比于原設計耐久前的預緊力更大，更有利于齒輪齒條嚙合。

2.4 裝配工藝差異性

原設計膜片彈簧與調整螺母通過鉚壓固定在一起，組成調整螺母小總成，如圖六所示，相比于新設計優點為由于鉚壓工藝在供應商處實施，為轉向機裝配節省節拍。缺點如下所示：目前供應商鉚壓工藝不穩定，易造成諸多問題，比如調整螺母小總成在運輸過程中，膜片彈簧易脫落，若產線未識別出，將造成膜片彈簧缺失，齒輪齒條嚙合力不足，產生噪音問題，其次在測量壓塊間隙時被頂針頂開，造成膜片彈簧脫落或者傾斜，導致壓塊間隙變大，依舊出現噪音問題。

而新設計的產線采用真空吸頭向下裝配蝶形彈簧，如圖6所示，真空吸頭帶角度進行正反防錯，并通過照相機進行監控，蝶形彈簧外圈被調整螺母固定，內圈安裝在壓塊凸臺上，取消了鉚壓工藝，并且測量壓塊間隙時，與頂針不接觸，因此不會出現被頂針頂脫落或者頂歪現象，防止假間隙的發生，有利于噪音優化。

3 結束語

隨著電動汽車以及乘用車的快速發展，整車對轉向機的性能要求越來越高，除了具有很強的承載能力外，還需要具有很高的靈敏度，優異的手感表現以及噪音表現。因此本新型設計蝶形彈簧相比于現有膜片彈簧，無論從材料性能方面具有更高的屈服強度和抗拉強度外，還具有剛度大，剛度衰減小，預緊力大，以及工藝裝配優越等優勢。

優異的材料性能以及剛度性能為轉向機壓塊機構提供了更大的預緊力，提高了轉向機的承載能力以及使用壽命，穩定的剛度變化，為轉向機耐久后優異的噪音表現提供依據。

參考文獻：

[1]劉長軍.汽車轉向系統異響的問題解決方案[J].現代零部件雜志，2013（1）：81-83.

[2]曲莉范，張幫琴.C-EPS系統中轉向機異響問題分析[J].汽車零部件，2014（7）：47-53.

[3]王亞平，等.帶異響“檢測-反饋”系統的轉向機設計[J].時代汽車，2023（02）：125-127.