機械轉向器間隙對轉向系統異響的影響分析

錢雄松 高家兵 安宗權

（1.奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241006；2.蕪湖職業技術學院，安徽 蕪湖 241006）

1 前言

汽車轉向系統用來保持或改變汽車行駛方向的機構，包括轉向操縱機構（方向盤、轉向管柱、中間軸總成）、轉向器、轉向傳動機構（轉向拉桿，轉向節）等。一般對轉向系統的要求應能準確、快速、平穩地響應駕駛員的轉向指令，但隨著時代的發展以及汽車的普遍，人們越發注重對汽車舒適性的追求。而異響是汽車轉向系統的一種常見故障現象，也是影響汽車舒適性的關鍵因素。本文主要針對因機械轉向器總成的配合間隙所引起的異響問題進行論述。對于齒輪齒條式機械轉向器，各零部件的設計參數定義、加工精度控制以及裝配方法合理性使機械轉向器各零部件間存在配合間隙，這也是引起異響故障的主要原因。

①機械轉向器配合間隙主要分為三大部分：

齒輪軸、軸承、軸承擋圈配合產生的間隙；

②齒輪、齒條嚙合產生的間隙；

③齒條與支撐襯套的配合產生的間隙。

下面針對三部分配合對異響的影響進行詳細分析。

2 齒輪軸、軸承、軸承擋圈配合間隙對轉向異響的影響

異響故障現象：①向左打方向到極限后再向右回或向右打方向再向左回時，出現清脆的“鐺”的一聲，類似于金屬與金屬的撞擊聲；②非極限位置、全行程過程中，方向盤只要有換向動作就會出現清脆的金屬與金屬的刮擦聲；③全行程過程中，方向盤只要有換向動作，就會出現清脆的金屬與金屬的撞擊聲。

原因分析：機械轉向器軸承內圈與齒輪軸通過擋圈固定，軸承外圈通過壓緊螺塞固定如圖2所示。當轉動方向盤向左或向右運動時齒輪軸會受到向上或向下的分力作用，如果因軸承壓裝不到位使軸承內圈端面與齒輪軸端面之間存在間隙或因擋圈扣鉚工藝不良，使軸承內圈端面與擋圈端面之間存在間隙，就會出現上述①②所述異響情況。而①②異響表現之所以有差異，是由于軸承內圈與齒輪軸配合精度不同所致：如果齒輪軸與軸承內圈屬于過贏配合，齒輪軸若要相對于軸承內圈向上或向下運動需要克服較大的摩擦力，只有在極限位置時齒輪軸所受到的反作用力才會達到最大值，以至于可以克服齒輪軸與軸承內圈之間較大的摩擦而竄動，因此才會表現為僅在極限位置出現清脆異響的故障現象；如果齒輪軸與軸承內圈的配合屬過渡或間隙配合，那么當軸承內圈端面與齒輪軸端面或軸承內圈端面與擋圈端面存在間隙時，齒輪軸相對于軸承內圈向上或向下運動只需要克服較小的摩擦力就會竄動，因此表現為全行程換向過程中出現異響。而當殼體與壓緊螺塞的配合不能使軸承外圈固定時就會出現上述③所述的異響情況，此時軸承與齒輪軸同時上下竄動，軸承外圈端面會與殼體端面或壓緊螺塞端面上下碰撞，產生較明顯的清脆異響。

建議整改措施：針對①②所述異響情況，既要確保軸承與齒輪軸壓裝到位，又要改善軸承擋圈的扣鉚工藝，確保軸承擋圈扣鉚后，軸承內圈不能上下竄動。針對③所述異響情況，首先需確保壓緊螺塞、軸承、殼體的裝配尺寸鏈校核后可以使軸承外圈被壓緊，其次各零件加工后實際尺寸應符合圖紙設計要求。因此只有軸承內圈端面與齒輪軸端面及擋圈端面間為零間隙配合、壓緊螺塞端面與軸承外圈端面為零間隙配合時，才能徹底消除該處間隙，避免異響產生。

3 齒輪、齒條嚙合間隙對轉向異響的影響

異響故障現象：原地向左或向右大角度打方向、換向時異響，一般表現為較沉悶、聲音較大的“悾悾”聲或向一側打方向后放手回彈“咚”的一聲，同時在凹凸路、鵝卵石路等顛簸路面也會產生振響。

圖1 齒輪齒條轉向系統示意圖

原因分析：機械轉向器總成內部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脫離齒輪軸，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，這個間隙值也就是壓塊與調整螺塞的端面距離值如圖3所示。 齒輪齒條嚙合間隙越大，代表齒條脫離齒輪的距離越遠，因此大角度打方向換向時齒條回彈后產生的撞擊聲會越大。在在凹凸路、鵝卵石路等顛簸路面上，因齒條所受的反作用力方向不斷變化，因此異響聽起來也比較連續。

建議整改措施：解決該異響問題主要方向是減小轉向機的齒輪齒條嚙合間隙。但齒輪齒條嚙合間隙減小會使轉向機軸向力增加，軸向力的增加又會引起轉向沉重及轉向回正慢等系統問題。因此轉向器軸向力和間隙要求要同時提高才是解決問題的根本。機械轉向器可以解決齒輪齒條嚙合間隙與軸向力之間矛盾的方法也有很多：比如更改壓緊塊的材料，在壓緊力不變的情況下減小壓塊與齒條間的摩擦系數；提高齒輪齒條的精度，齒輪齒條加工后齒精度最低要滿足8級精度要求；控制齒條各齒之間跨棒距的變差值，跨棒距變差值定義應小于0.03mm（推薦），同時齒輪軸齒的跨棒距也應做適當控制。總之設計之初就要考慮如何在保證機械轉向器軸向力滿足要求前提下盡可能將齒輪齒條的嚙合間隙做到最小才能降低轉向換向異響出現的風險。

4 齒條與支撐襯套的配合間隙對轉向異響的影響

圖2 齒輪軸、壓緊螺塞、軸承、殼體配合剖視圖

圖3 齒輪齒條嚙合間隙示意圖

異響故障現象：①原地向左或向右打方向、換向時異響，一般表現為較沉悶、聲音較大的“悾悾”聲或向一側打方向后放手回彈“咚”的一聲；②向左或向右任何位置打方向時，出現非金屬的摩擦異響。

原因分析：機械轉向器右側齒條通過襯套支撐如圖4所示。當駕駛員向左或向右打方向時，齒條兩端會受到來自拉桿不同方向的徑向力作用，齒條因而產生擺動。當換向時齒條受力方向改變，擺動方向也會隨之改變，當齒條從一個方向擺動到另一個方向時，擺動距離較大，若齒條支撐襯套內徑與齒條配合間隙越大，齒條擺動的距離也就會越大，因此上述①的換向時的異響現象就會越明顯。而當齒條與支撐襯套配合較緊、油脂選擇不合理時就會出現上述②摩擦異響現象。

建議整改措施：理想狀態，齒條與支撐襯套應為零間隙配合才更有利于解決換向異響的問題，但零間隙配合容易使轉向器軸向力增加而不滿足系統要求，且容易出現襯套與齒條之間的摩擦異響，若既能滿足軸向力要求又能保證零間隙配合，需要通過設計較好的襯套結構來實現，例如圖5所示襯套結構。這種襯套與齒條裝配后，通過O形圈的抱緊力既可以保證零間隙配合，又可以在襯套磨損后提供間隙補償，進一步消除襯套內徑與齒條的間隙，其具有較高的耐磨持久性。此外因這種結構有較大的存脂空間，潤滑效果較好，所以不會造成襯套與齒條之間摩擦異響及系統軸向力大的問題。但通常這類襯套因結構比較復雜，其模具和材料等制造成本會比較高。如果齒輪軸、齒條加工等零件精度控制較好，齒輪齒條嚙合間隙可以控制到較小值，那么齒條與支撐襯套配合間隙的定義也可以適當放寬要求、允許有一定的間隙存在，此時也可以選擇類似圖6的襯套結構。這種襯套結構雖然間隙一旦磨損后無法補償，長時間后不能再實現襯套與齒條的零間隙配合，但只要適當提高材料的耐磨性及適當控制襯套與齒條之間的配合間隙，在齒輪齒條嚙合間隙控制較小的情況下，也會使換向異響問題得到較大改善。此類襯套與齒條的初始配合需定義襯套受齒條徑向壓縮力后的變形量，該值單方向不應超過0.06mm，前后兩個方向徑向受力后，襯套變形量之和不應超過0.12mm為宜（推薦值）。

圖4 齒條與支撐襯套配合示意圖

圖5 帶O 形圈的襯套結構

圖6 不帶O 形圈襯套結構

結論

以上僅是針對因機械轉向器總成各主要零部件間的配合間隙所引起的典型轉向異響問題進行論述，當然轉向異響的存在不僅來源于機械轉向器本身，而是屬于系統問題，是與轉向有關的各部件的間隙配合問題。只有從方向盤、轉向管柱、中間軸、轉向器、到轉向橫拉桿、轉向節等與轉向有關各零部件及各零部件的連接部位都要做好相應的控制，才能徹底有效的解決轉向異響問題。

[1]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2000.