間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)預(yù)緊彈簧對(duì)轉(zhuǎn)向器異響的分析

劉陽(yáng)峰 王 京 吳增月 王英歡 劉增利（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)預(yù)緊彈簧對(duì)轉(zhuǎn)向器異響的分析

劉陽(yáng)峰 王 京 吳增月 王英歡 劉增利
（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

本文分析了齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器撞擊音的產(chǎn)生原因，并通過更改壓緊彈簧的結(jié)構(gòu)形式來控制調(diào)整體的壓緊力，進(jìn)而降低齒輪齒條的撞擊音。

齒輪齒條；壓緊彈簧；撞擊音

1 背景

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、重量輕、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用在乘用車當(dāng)中。汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員通過轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)向力傳遞至轉(zhuǎn)向器的輸入軸，轉(zhuǎn)向器輸入軸與小齒輪為一整體，并且齒輪與齒條相嚙合，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)齒條產(chǎn)生軸向位移，進(jìn)而操控轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)車輛轉(zhuǎn)向。但是當(dāng)整車在顛簸路行駛或者整車快速換向時(shí)，齒輪齒條會(huì)相互撞擊從而產(chǎn)生異響，影響整車品質(zhì)。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)異響產(chǎn)生機(jī)理

現(xiàn)在乘用車普遍采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，主要由小齒輪、齒條、間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)及殼體組成。其中，間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)通常采用螺旋彈簧壓在調(diào)整壓塊上來對(duì)齒條施加預(yù)緊力的形式。轉(zhuǎn)向器裝在整車上加載后，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪齒條嚙合部位會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)齒條軸向移動(dòng)，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿著齒條徑向的分力，使齒輪齒條之間產(chǎn)生相互分離的趨勢(shì)。當(dāng)齒輪齒條處于無負(fù)荷狀態(tài)或小負(fù)荷狀態(tài)下，齒條在間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)的預(yù)緊力作用下克服受到的徑向分離力，此時(shí)齒輪齒條處于完全嚙合狀態(tài)；但是當(dāng)駕駛員進(jìn)行緊急避讓動(dòng)作，或者車輛行駛在顛簸路面時(shí)，轉(zhuǎn)向器齒輪齒條將承受較大的沖擊，此時(shí)齒輪齒條嚙合時(shí)產(chǎn)生的徑向分離力大于調(diào)整體的預(yù)緊力，使得兩者之間產(chǎn)生間隙，當(dāng)突然換向時(shí)齒輪齒條之間產(chǎn)生沖擊異響，如圖1所示。

3 異響改善方案

為避免大負(fù)荷時(shí)沖擊異響的產(chǎn)生，需將預(yù)緊力加大。根據(jù)胡克定律：F=k*x可知，增加預(yù)緊力的方式有兩種：一是加大彈簧的壓縮行程，由于調(diào)整機(jī)構(gòu)處的間隙非常小，故增加壓縮行程的方案不可行；二是加大彈簧的彈性系數(shù)，此方案具有可實(shí)施性。由于調(diào)整結(jié)構(gòu)普遍采用螺旋彈簧，但螺旋彈簧的彈性系數(shù)是定值，即彈簧施加的力與變形量成線性比例增加，提升螺旋彈簧的彈性系數(shù)會(huì)導(dǎo)致小負(fù)荷時(shí)的預(yù)緊力同時(shí)得到增大，過大的預(yù)緊力將導(dǎo)致齒輪齒條嚙合處及調(diào)整體與齒條接觸的部位的摩擦力提高，會(huì)導(dǎo)致該處的磨損加劇，進(jìn)而降低產(chǎn)品的可靠性。因此，現(xiàn)在部分轉(zhuǎn)向器總成的調(diào)整機(jī)構(gòu)選擇膜片彈簧來替代螺旋彈簧，膜片彈簧具有變剛性的特性，彈簧強(qiáng)度與變形量存在非線性關(guān)系，當(dāng)變形量加大時(shí)，彈性系數(shù)會(huì)增加，進(jìn)而加大預(yù)緊力，如圖2所示。通過計(jì)算選取合適的膜片彈簧，可同時(shí)滿足轉(zhuǎn)向器在不同負(fù)荷時(shí)對(duì)預(yù)緊力的要求。

4 試驗(yàn)分析

對(duì)齒輪齒條受力進(jìn)行驗(yàn)證分析：首先進(jìn)行間隙測(cè)試，當(dāng)齒條處于中間位置，在齒條徑向施加與預(yù)緊彈簧相反的力，使壓塊與調(diào)整螺母接觸，測(cè)量設(shè)備指針與壓塊接觸，標(biāo)定此時(shí)的壓塊間隙為0。釋放齒條上的徑向力，此時(shí)在預(yù)緊彈簧的壓力下，壓塊與調(diào)整螺母之間產(chǎn)生間隙，此處測(cè)得的壓塊唯一變化量即壓塊間隙，由于壓塊間隙越大齒輪齒條嚙合間隙過小，從而間接測(cè)量出齒輪齒條嚙合的間隙。

然后進(jìn)行換向模擬測(cè)試：將轉(zhuǎn)向器固定在臺(tái)架上，齒條兩端加載荷，快速換向，同時(shí)記錄齒輪齒條嚙合間隙數(shù)值。在轉(zhuǎn)向機(jī)換向瞬間，壓塊受到一個(gè)向外的力，使壓塊向外運(yùn)動(dòng)，此時(shí)壓塊間隙減小，即齒輪齒條嚙合間隙增大。

以某款車型為例：齒條最大輸出力為7150N，通過力矩平衡計(jì)算，正常轉(zhuǎn)向過程中齒輪齒條產(chǎn)生的沿齒條徑向的分離力為300N，此時(shí)螺旋彈簧預(yù)緊力與膜片彈簧預(yù)緊力基本一致，均能滿足轉(zhuǎn)向器的需要，使齒輪齒條處于接觸狀態(tài)或小間隙狀態(tài)；當(dāng)車輛進(jìn)行緊急避讓時(shí)或行駛在顛簸路面時(shí)，齒條承受劇烈的沖擊，此時(shí)壓塊間隙迅速間隙，即齒輪齒條嚙合間隙加大，所需要的預(yù)緊力為1150N，螺旋彈簧已不能滿足需求，齒輪齒條產(chǎn)生較大的間隙，導(dǎo)致異響產(chǎn)生，但膜片彈簧的變剛性特性則能夠滿足所需的預(yù)緊力，會(huì)保證齒輪齒條的解除狀態(tài)或者小間隙狀態(tài)，進(jìn)而消除異響。

5 結(jié)論

對(duì)于小型車輛，車輛的前軸載荷較小，轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向時(shí)的負(fù)載偏小，轉(zhuǎn)向器的調(diào)整機(jī)構(gòu)采用螺旋彈簧就能夠提供合適的壓緊力以保證整車在顛簸路面行駛時(shí)或進(jìn)行緊急避讓時(shí)不會(huì)產(chǎn)生異響問題。但對(duì)于載荷較大的車型，由于其前軸載荷較大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器在轉(zhuǎn)向過程中有一個(gè)較大的負(fù)載，此時(shí)如果轉(zhuǎn)向器調(diào)整機(jī)構(gòu)仍采用螺旋彈簧來提供預(yù)緊力，是不能滿足整車在壞路上行駛時(shí)保證齒輪齒條具有較小間隙的預(yù)緊力的，故需要使用具有變彈性系數(shù)的膜片彈簧來作為壓緊彈簧，進(jìn)而消除快速換向及顛簸路行駛時(shí)的沖擊異響問題。

[1]張鐵山，孫寧，劉科陽(yáng).齒輪齒條調(diào)整體rattle噪音分析與研究[J].第十屆河南省汽車工程技術(shù)研討會(huì)：162-163.

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