C-EPS電動轉向管柱顫響優化設計

楊偉

(長城汽車股份有限公司,河北保定 071000)

C-EPS電動轉向管柱顫響優化設計

楊偉

(長城汽車股份有限公司,河北保定 071000)

主要針對C-EPs管柱助力式電動轉向因尺寸、結構設計不合理而產生的石塊路顫響問題進行深度剖析，提出優化設計方案；并對優化設計前后相關零部件進行對比分析。該優化設計已經經過試驗驗證及批量生產驗證，且適用于同平臺車型。

C-EPs電動轉向管柱；顫響；優化方案

0 引言

當前公共交通事業迅猛發展，汽車作為眾多交通工具的一種，也越來越多地走進了千家萬戶。然而隨著汽車的普及所帶來的一系列的能源、環境、操控性能、維修等問題，也越來越受到大眾的重視，因此電動轉向助力系統在大環境下應運而生。

伴隨汽車數量的快速增長，電動助力轉向系統憑借自身的性能優勢與發展空間，越來越受到廣大車企的青睞。

1 問題描述分析

電動助力轉向與傳統液壓助力轉向相比，結構、助力形式有著很大的差異。表面上雖然規避了轉向油液滲、漏等諸如此類問題，但是各種各樣的的異響問題伴隨著汽車的生產越來越凸顯。

電動助力轉向系統由于沒有了轉向油液液壓阻尼緩沖作用，如圖1所示：顛簸路面高頻振動沖擊反饋的路感，在轉向系統和與其相連接各個零部件的作用下進行放大。首先輪胎左右擺動轉換成轉向器齒條沿軸線方向快速左右運動；左右運動位移量再通過轉向器齒輪齒條嚙合的線角傳動比進行轉化，形成轉向器輸入軸(小齒輪軸)快速換向轉動；運動向上傳遞最后通過傳動軸、管柱等一系列硬性連接反饋至駕駛員方向盤位置，最終表現為方向盤位置劇烈震動，并伴隨“嗡嗡”顫音異響。

對于此問題，首先初步判定問題方向。針對故障再現件方向盤“嗡嗡”顫響，通過“工業聽診器”依次對轉向管柱、轉向中間軸及轉向機進行異響源探測和大總成零部件互換試驗驗證。初步確定“嗡嗡”顫音異響源自于轉向管柱總成，采用排除法的原則剔除了轉向中間軸與轉向機總成，縮小問題范圍，初步判定問題方向。

問題方向初步確定后，再作進一步分析。轉向管柱的傳遞、運動機制如圖2所示：車輛行駛時，方向盤的轉動通過轉向軸的硬性連接傳遞給輸入軸(扭桿)；扭矩傳感器根據扭桿的變形量計算出轉向扭矩并輸入給控制單元(電動轉向電控ECU)；ECU控制轉向電機，提供的助力扭矩到蝸桿、蝸輪組合件；最后蝸桿驅動蝸輪，渦輪帶動輸出軸實現助力輸出。

進一步分析，如圖3所示，故障再現件可分別拆解為傳感器總成及機械管柱總成兩部分。

故障件拆解成兩大分總成再重新裝配成轉向管柱后裝車驗證，仍有嗡嗡顫響，首先排除分總成組裝過程中人為因素的影響。取正常件和故障件的轉向管柱拆解為傳感器總成及機械管柱總成，再重新互換裝配成轉向管柱后裝車驗證。通過上述兩輪交互試驗，發現“嗡嗡”顫響的發生跟隨傳感器單元總成部分；并且晃動或者敲擊故障再現件拆解下來的傳感器總成部分，也會有類似“嗡嗡”顫音。由此可以確定：顫音為傳感器總成內的零件碰撞、顫動而引起。

2 真因排查

進一步拆解傳感器單元分總成，并結合零部件生產組裝過程，可以確認：滾針軸承通過液壓機械壓入輸入軸(滾針軸承與輸入軸過盈配合)；扭桿也是液壓機械壓入輸出軸(扭桿與輸出軸過盈配合)；只有扭桿與滾針軸承是間隙配合這一問題風險點。

如圖4所示:扭桿與滾針軸承設計狀態為間隙配合(排除扭桿外徑或滾針軸承內徑尺寸是否符合圖紙規格要求或尺寸制造公差的人為影響因素)，整車通過石塊路時被激勵、顫動，最終導致扭桿與滾針軸承碰撞產生顫音。

Xmax=ES-ei=0.031-(-0.009)=0.040

Xmin=es-EI=0.013-0=0.013

通過理論計算與實際裝配印證得出：轉向管柱扭桿外徑與滾針軸承內徑之間為間隙配合，配合間隙由配合公差帶圖計算可得為0.013～0.04 mm。管柱扭桿與滾針軸承配合設計不合理是導致管柱顫響的真正原因。

3 對策驗證方案實施

問題真因已經鎖定，下一步通過試驗結合實車驗證，來尋找最佳的滾針軸承內徑與扭桿外徑的配合間隙，規避由此產生的顫響問題。

通過大量的、分段驗證的方法得出：配合間隙應收嚴到不大于0.020 mm，對于解決管柱顫響問題改善效果比較顯著。

根據此試驗結果，重新優化轉向管柱扭桿外徑公差帶及滾針軸承內徑公差帶，保證零部件配合基準不變的前提下，優化公差帶如圖6所示，具體實施方案有兩種：

優化后根據配合公差帶數據計算配合公差：

Xmax=ES-ei=0.014-(-0.006)=0.020 mm

Xmin=es-EI=0.002-0=0.002 mm

由此計算得出：優化后的配合間隙為0.002～0.020 mm，配合尺寸基本可以滿足試驗結果的要求。

優化更改完成后經過長達半年的生產與售后實車跟蹤：方案切換后問題發生頻率明顯降低，圖7所示問題發生頻次由20%降至0.01%。扭桿與滾針軸承都為金屬材質，如果改成過渡或是過盈配合，就是去了零部件本身的意義(首先裝配過程工藝不易實現，退一步說，就算實現后軸承滾針部位受到外力沖擊，已經破壞或存在破壞的風險隱患；其次轉向電機提供的轉動扭矩是通過施加在方向盤上的手力，使扭桿發生變形，扭矩傳感器計算變形量轉化成信號得出的。如果為過盈與過渡配合，整體可以看作是剛性連接，電動轉向就失去了其本身的意義，不提供助力)。間隙配合也只能減小問題發生的頻次，不能完全規避顫響問題。扭桿與滾針軸承的配合間隙為0.002～0.02 mm，已經接近0間隙。再通過減小配合間隙，完全消除顫音異響問題，無進一步優化空間。

通過外部對標借鑒其他公司類似平臺車型成功經驗，將滾針軸承結構更改為滑動軸承結構。如圖8所示：滑動軸承內表面為聚四氟乙烯材料。實車狀態車輛在顛簸路面行駛發生共振時，扭桿與滑動軸承發生碰撞。更改為塑料與金屬材質撞擊，能夠有效地規避碰撞顫音。

滑動軸優化完成切換后，又經過近半年的生產跟蹤驗證與售后市場反饋，完全規避顫響問題，提升車輛整體品質，消除客戶抱怨。

4 總結

零部件配合間隙在零部件生產過程中是必不可少的，傳統的工藝方法、設計只是滿足了最基本的使用要求，預留了很多優化空間。系統設計開發階段，類似問題對標工作不全面、橫向與縱向拓展不足、問題風險點識別有所欠缺等諸多因素是導致問題發生的主要原因。

通過外部對標橫展，借鑒類似平臺結構，規避新結構初次應用風險。并將知識積淀，完善零部件開發矩陣表、錄入失效FMEA庫；固化經驗、建立設計規范，來預防后期類似問題的發生。

【1】Q/CC JT365-2012汽車電動助力轉向裝置(管柱助力式)技術條件[M].

【2】Q/CC SY022-2013整車NVH主觀評價方法與指標[M].

【3】采埃孚( ZF ).體驗精湛的技術與服務[OL].

【4】王望予.汽車設計[M].北京：機械工業出版社，2004.

【5】劉惟信.機械最優化設計[M].北京：清華大學出版社，1994.

C-EPS Electric Steering Column Fibrillation Optimization Design

YANG Wei

(Great Wall Motor Co.,Ltd., Baoding Heibei 071000,China)

Due to unreasonable design of structure and size, automobile equipped with C-EPS electric steering column generates fibrillation driving on stone road.To solve the problem, in-depth analysis was done, optimal design scheme was proposed, contrast analyses before and after optimization were completed to related parts.The optimal design has been passed experimental verification and batch verification. It is fitted to same platform models too.

C-EPS electric steering column; Fibrillation ring;Optimization scheme

2015-08-21

楊偉(1981—)，助理工程師，主要從事轉向系統開發匹配研究。E-mail:41711525@qq.com。