C-EPS系統中轉向器異響問題分析

曲莉范，張幫琴

（豫北轉向系統股份有限公司，河南新鄉 453003）

0 前言

隨著現代汽車技術的迅猛發展，人們對汽車轉向操縱性能的要求也日益提高。為了保證車輛在任何情況下轉動方向盤時，都有較理想的操縱穩定性，即使車輛在停車情況下轉動方向盤時也能夠輕松自如，在汽車制造業中已廣泛采用助力轉向系統。助力轉向系統具有使轉向操縱靈活、輕便、能吸收路面對前輪產生的沖擊等優點，而電子控制技術在汽車助力轉向系統中的應用，使汽車的駕駛性能達到了令人滿意的程度。在此系統中轉向器的性能好壞也直接影響到整車的轉向性能，所以如何解決轉向器常見的故障并不斷提升轉向器的性能與質量是轉向器行業及轉向器生產廠家的首要任務。

1 C-EPS的優點

電動式助力轉向系統 （EPS）是一種直接依靠電機提供輔助轉矩的電動助力式轉向系統。該系統僅需要控制電機電流的方向和幅值，不需要復雜的機械、液壓機構。其最大優點是可以隨速控制助力，在低速時提供較大的助力，保證輕便轉向、靈活;在高速時減小助力，提供駕駛員足夠的路感，從而提高了高速行駛的操縱穩定性［1］。而且EPS只在轉向時發揮作用，因此不像液壓轉向系統會一直對發動機造成額外負擔，從而減小油耗，同時沒有不可回收件，更加綠色環保，從各方面滿足環保的需求。EPS與液壓助力轉向系統 （HPS）相比，具有效率高、能耗低、結構簡單、助力特性可通過軟件調整、回正性好、對環境污染小、可以獨立于發動機工作、裝配性好等很多優點，所以被廣泛應用于轎車、MPV、SUV、面包車、輕型貨車等多種車型上。而目前市場上正在逐步推出的純電動汽車，因無發動機，轉向系統只能裝配EPS系統。隨著國家對汽車環保要求的提升，EPS系統將應用越來越廣泛。

EPS系統根據電機在轉向機構中耦合位置和方式的不同分為C-EPS、P-EPS、R-EPS，C-EPS因其結構簡單、成本低、便于在整車上布置，故被廣泛應用于轎車、MPV、SUV、面包車等多種車型上，與此系統相配的轉向器多為齒輪齒條式轉向器，此類轉向器結構簡單、成本較低。C-EPS系統如圖1所示。

2 C-EPS用轉向器常見故障模式與分析

根據目前客戶及售后市場的反饋，此類轉向器常見的故障模式主要有以下幾種:異響、回正不良、齒條彎曲、安裝部竄動、齒輪軸銹蝕、殼體斷裂、安裝座套脫出等。而異響則是此類轉向器最常見的故障模式，約占此類轉向器故障率的90%，幾乎所有的轉向器制造公司都會產生此種問題，且異響的種類也很多，產生的聲音大小、類別及產生的部位均不盡相同，根據產生的部位不同，常見的主要有以下幾類:

2.1 齒輪齒條嚙合部異響

如圖2所示，齒輪齒條轉向器的工作原理是轉動齒輪軸帶動齒條實現直線運動，此類故障模式主要是齒輪與齒條嚙合時發現的撞擊聲，主觀上可聽出有“咔噠咔噠”音，特別在方向盤換向時尤為明顯，做NVH測試時，此部位的振動加速度值明顯偏高。

造成此部位異響的主要原因有以下幾種:

（1）齒輪與齒條的嚙合間隙過大，這種原因是引起此類異響的最主要原因。按照轉向器設計規范要求，齒輪與齒條之間要設定合理的嚙合間隙，一般要求在0.1 mm以下 （中位狀態），如果轉向器的嚙合設計過大或制造過程中調整的間隙比設計規定的嚙合間隙大，均可能導致轉向器出現此類異響;另外就是轉向器在經過一段時間的使用之后，齒輪與齒條出現非正常磨損，導致齒輪與齒條的嚙合間隙變大。

（2）齒輪與齒條嚙合部潤滑脂選用不當或用量不足。齒輪與齒條嚙合部的潤滑脂種類對齒輪齒條的平穩傳動及轉向器的性能起著至關重要的作用，若選用不當很容易造成轉向器性能不良或異響，特別是轉向器使用一段時間后。齒輪齒條都為金屬材質，在高的載荷條件下要求潤滑脂具有極好的抗極壓特性，所選擇潤滑脂在添加劑方面會加入極壓劑及二硫化鉬類固體潤滑劑，稠化劑選擇通用型的鋰基稠化劑，因為鋰基稠化劑在耐高溫、耐水性、抗剪切性等方面綜合性能比較優異，基礎油多選精制的礦物油［2］。另外若潤滑脂用量太少，對齒輪與齒條的嚙合傳動起不到充分的潤滑作用，也容易出現異響。此部位潤滑脂的用量一般為7～10 g，太多容易造成浪費，太少則對齒輪與齒條的潤滑不充分，容易出現轉向器性能不良或異響等問題。

（3）齒輪與齒條嚙合參數設計或制造不良，導致齒輪與齒條不能很好地嚙合傳動，產生異響。常見的主要有以下幾種情況:重合率太低，齒輪與齒條同時參與嚙合的齒太少，齒輪與齒條傳動不平穩，導致齒輪與齒條發生撞擊，產生異響;齒輪或齒條齒傾角設計不正確或制造出現偏差，使齒輪與齒條傳動過程中由面接觸變為點接觸或線接觸，傳動不平穩產生異響;齒輪公法線長度、齒條跨徑不合格或齒輪齒條齒部加工精度不滿足設計要求，導致二者不能很好地嚙合傳動，產生異響。

（4）齒輪與齒條嚙合部有異物，影響齒輪與齒條的正常嚙合，出現異響。出現這種問題的主要原因是:齒輪或齒條熱處理前清洗不干凈，導致在熱處理時異物粘結在零件上;或者是齒輪齒條成品未清洗干凈、裝配時內部混入異物。

2.2 調整體部異響

如圖3所示調整機構的主要作用是:支撐齒條，保證齒輪與齒條正常的嚙合與傳動;調節齒輪與齒條嚙合間隙。

此部位常見的異響主要有以下兩種情況:

（1）調整體外周與殼體內壁之間摩擦或撞擊出現異響，主要表現為轉動轉向器時調整體上下運動與殼體調整體內壁摩擦或撞擊出現“咔噠、咔噠”的響聲。引起此類異響的主要原因是:①調整體與殼體之間間隙過大，在調整體上下運動時，與殼體內壁產生撞擊出現異響;②調整體與殼體之間間隙過小，使調整體外周O型圈擠壓嚴重不能在殼體孔內正常運動，導致調整體上下運動時偏斜，與殼體內壁出現偏磨，出現異響;同時若兩者之間間隙過小，會使裝配時將調整體外周所涂的潤滑脂擠出，使調整體外周與殼體內壁干摩擦，產生異響;③齒條齒背粗糙度偏大，在轉向時調整體受到齒條的軸向力過大，引起調整體擺動撞擊殼體內壁引起異響，一般要求齒背粗糙度和調整體襯墊的粗糙度在Ra0.4以下;④調整體外周未涂潤滑脂或潤滑脂涂抹太少，使調整體外周與殼體內壁干摩擦，產生異響;⑤調整體結構不合理，目前常用的調整體結構主要有3種:一種是外周不帶O形圈，另一種是只帶一個O形圈，第三種是帶二個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，使調整體容易偏斜與殼體產生撞擊產生異響;⑥殼體或調整體的形位公差設計不合理或制造出現偏差，導致裝配后調整體在殼體孔中的位置偏斜，二者之間產生偏磨，導致異響。隨著轉向器使用時間的增長，二者之間的摩擦會越來越明顯，嚴重者會引起客戶投訴。圖4和圖5是轉向器此類異響故障件的照片。

針對此類問題的預防對策主要有以下幾種:①規定調整體外周與殼體內孔之間有合理的配合間隙，一般設計二者之間的間隙為0.04～0.1 mm;②齒條齒背及調整體襯墊粗糙度要合適，一般要求在Ra0.4以下，以減小兩者之間的摩擦力;③規定調整體外周要涂抹潤滑脂，一般要求1 g;④選用帶雙O形圈結構的調整體;⑤設計合理的殼體孔及調整體形位公差，且制造過程中要嚴格保證公差要求。

（2）調整體端面與調整螺塞端面產生撞擊出現異響。產生此種現象的主要原因是調整體或調整螺塞端面與其軸線的垂直度偏大，導致二者的端面不能很好地接觸，轉向器在運動過程中，隨著調整體的上下移動與調整螺塞端面產生撞擊;另外一個原因主要是彈簧的彈性較差、耐疲勞性差，使彈簧在工作一段時間后失效［3］，不能有效地對齒輪、齒條嚙合間隙進行有效的補償，使二者之間間隙變大，產生撞擊導致異響。解決此類問題的主要對策是在調整體端面增加O形圈或涂潤滑脂。

2.3 齒條支承套部異響

如圖6所示，支承套在轉向器中起支承齒條、使齒條在運動過程中保持直線運動狀態作用，此部位異響的主要原因有以下幾點:（1）二者之間間隙過大，導致齒條在運動過程中容易產生偏斜，產生異響;（2）支承套的剛度不足，在轉向器運動過程中，齒條不僅在軸向受到較大的推力/拉力，同時徑向也將受到較大的徑向力，若支承套的剛度較小，則不足以承受此分力，從而使支承套出現變形，最終導致二者之間間隙過大，產生異響。

解決此類問題的主要對策是:規定合理的配合量，一般規定二者之間的過盈量為0.1～0.16 mm，保證二者無間隙;同時要求支承套具有足夠大的剛度，在承受一定的載荷后不會產生間隙，可根據不同轉向器的受力情況而規定不同的剛度。

2.4 拉桿部異響

轉向拉桿的作用是將齒條輸出力傳遞到車輪主銷，帶動車輪實現轉向。轉向拉桿包括內拉桿、外拉桿和六角螺母，它們之間靠螺紋聯結為組件，內、外拉桿使用球頭節的形式可實現擺動和轉動，以滿足車輪不同位置的運動需要。轉向拉桿的結構如圖7所示。

因拉桿在轉向器轉向的過程中直接承受整車的轉向輸出力，且內外拉桿要承受方向不斷變化的拉力或壓力，且隨著車輪位置不斷的變化，內外拉桿球頭部還要轉動與擺動，所以內外拉桿的球頭部很容易出現松曠導致異響。球頭異響是拉桿常見的故障模式之一，比例約占拉桿故障率的90%。拉桿的另外一種常見的故障模式是斷裂，主要是拉桿強度不足或整車受到非正常撞擊所致。拉桿球頭異響的原因較多，主要有以下幾種:

（1）拉桿球頭部強度設計不足，球頭直徑偏小，實際的受力超過了球頭能承受的理論受力值，使球碗出現異常磨損或破損，產生異響;

（2）拉桿結構設計不合理。內外拉桿的球殼、球頭及球碗的結構或尺寸設計不當，導致三者不能很好地配合，使球碗受力不均，導致球碗出現異常磨損或破損，產生異響;

（3）球碗的材料選擇不當。目前球碗的材料一般使用具有優異綜合性能的工程塑料POM，POM具有良好的物理、機械和化學性能，它不僅強度、剛度高、彈性好，耐磨性也非常好，比較適合用于內外拉桿球頭部，若球碗的材料選擇不當，會使球碗因強度或耐磨性不足而出現異常磨損或破損，產生異響;

（4）球頭部所用潤滑脂選擇不當或用量較少。如果球頭與球碗之間潤滑不良，球節間會發生異常的磨損和金屬疲勞，球頭與碗之間為鋼—塑料摩擦副，對于鋼—塑料摩擦副一般選擇含PTFE固體潤滑材料的鋰基潤滑脂［2］，用量一般為0.4 g。

2.5 球軸承部異響

球軸承在轉向器殼體內的位置如圖8所示。

轉向器齒輪軸上的球軸承在運動過程中不但要承受徑向載荷還要承受軸向載荷，該部位多使用普通深溝球軸承，而普通深溝球軸承所能承受的軸向載荷是有限的，所以如軸承結構或游隙選擇不當，當球軸承受到較大的沖擊時，球軸承在軸向上的松曠量會越來越大，最終導致異響。另外若球軸承在轉向器殼體內的軸向限位結構不合理，球軸承在殼體內的軸向位置不能完全固定，在轉向過程中，隨著方向盤不斷地換向，轉向器齒輪所受的軸向力方向也在不斷地發生變化，使齒輪軸不斷地上下竄動，球軸承與其他部件產生撞擊，導致異響。主要原因有以下幾種:

（1）球軸承結構、規格或游隙選取不當。根據每種轉向器所使用的車型及受到的載荷大小不同，計算所需要的軸承結構及規格，當普通的球軸承不能滿足承載需要時，可以選擇具有較大軸向承載能力的四點接觸軸承，但這種軸承的價格較貴，一般為同規格的普通深溝球軸承價格的1.5～2倍。軸承的游隙一般選擇C2級。

（2）設計合理的球軸承軸向限位件結構與尺寸。目前所用的球軸承軸向限位的結構主要有兩類，兩類不同的結構如圖8、9所示。第一類是螺塞壓緊結構 （如圖8所示），靠螺塞與殼體內孔的螺紋聯接，將螺塞擰入殼體孔內，螺塞的下端面壓到球軸承的外圈上，且二者之間無間隙，球軸承的內圈靠一個軸承擋圈鉚壓到齒輪軸的槽內來固定，這樣球軸承的內外圈均得到固定，二者均不會產生軸向竄動;為保證螺紋連接的牢固性，在擰入壓緊螺塞時必須施加足夠的擰緊力矩，同時為防止螺塞松脫，還要采取一定的防松措施，如在螺紋部涂緊固膠或在螺塞上端面與殼體聯接部進行鉚壓。第二類是孔用C型擋圈壓緊結構 （如圖9所示），結構簡單，成本低，拆裝性好，但C型擋圈的結構設計很關鍵，目前所用的C型擋圈的結構有兩種:一種是標準的C型擋圈，這類擋圈制造簡單，成本很低，但因結構原因，若使用此類擋圈，則擋圈與軸承之間必須要有一定的間隙量，否則擋圈無法完全裝入擋圈槽內，同時因零件存在制造誤差，此間隙無法徹底消除，所以齒輪在受到轉向力時就會上下竄動產生異響，目前這類結構使用得越來越少;第二種是帶倒角的非標C型擋圈，這種擋圈因帶有一倒角，可在一定的范圍內進行自動調整，在設計的公差范圍內可保證與球軸承端面無間隙，達到完全限制軸承軸向竄動的作用，使用此種擋圈時，擋圈及殼體孔的尺寸控制精度要求均較高，且裝配過程也用采取一定防錯措施，以保證C型擋圈不裝反且完全裝配到位。

2.6 齒輪與萬向節連接部異響

在C-EPS系統中，轉向器上的齒輪軸一般是通過花鍵與中間軸上的萬向節聯接［2］，如圖10所示，此部位出現異響的概率較高，主要原因有以下3點:

（1）二者聯結部的螺栓松脫。此部位的螺塞擰緊力矩規定偏小容易導致螺栓在受力一段時間后產生松曠。當然此部位的螺栓種類也非常關鍵，若螺栓的結構不合理 （如無防松功能或防松功能較差），也會導致螺栓松脫，此部位的螺栓一般選用帶防松功能的彈墊螺栓或者是帶法蘭面的六角螺栓;另為保證螺栓不松脫也可在螺紋部加涂螺紋緊固膠。

（2）螺栓的強度不足，導到轉向系統使用一段時間后，螺栓磨損嚴重，螺栓與齒輪上的R槽間隙變大，出現松曠導致異響，此部位的螺栓強度一般選用10.9級的高強度螺栓;

（3）齒輪軸上的外花鍵與萬向節上的內花鍵精度配合不合適，螺栓擰緊后，萬向節節叉無法與齒輪軸緊密配合，二者之間仍有間隙存在，當方向盤轉向時，二者之間出現撞擊產生異響。

3 結束語

綜上所述，C-EPS系統中轉向器中有很多部位可能產生異響，同時引起異響的原因也很復雜，所以在轉向器設計與制造過程中均需要提前采取預防措施，防止轉向器出現異響等故障。針對市場上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。隨著客戶對產品舒適性要求的提高，對轉向器噪聲的控制標準要不斷地提高，同時對噪聲的試驗驗證技術及分析技術也要不斷地提升與完善。

【1】楊艷芬.汽車電動助力轉向系統的發展和控制策略［D］.西安:長安大學，2007.

【2】聶湘.汽車電子助力轉向系統的潤滑［C］//汽車工程學會轉向分會論文集，2009.

【3】周鶴，戴峻，侯宇，等.汽車助力轉向系統異響問題分析研究［J］.汽車工業，2003（8）.

【4】劉瑞生.汽車轉向系故障分析與排除［J］.汽車維護與修理，1998（1）:28－29.

【5】郭添壁.汽車轉向系常見故障和處理方法［J］.汽車維護與修理，1996（5）:24.