齒輪齒條式機械轉向器異響分析及改進

郭廷++黃巨成++卜萬里++張海源

摘 要：針對配備C-EPS（管柱助力式電動轉向系統）轉向的車輛，行駛在特定路面時轉向機發出異響，通過臺架試驗甄別發生異響的部位，進行零部件優化設計結構，并對設計優化結果進行試驗驗證并批量生產。

關鍵詞：C-EPS；齒輪齒條轉向機；異響

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A

自1988年日本鈴木公司首先在其小型轎車Cervo上裝備電動轉向以來，隨著電機和電控技術的發展，在國內市場上銷售的車輛中EPS的裝車量在飛速增加。2008年EPS的裝車量為68萬輛，2009年為95萬輛，2010年為130萬輛，2016年EPS的裝車量超過1000萬輛，預計2020年場上銷售的車輛中EPS的裝車在90%以上。與液壓轉向系統（HPS）相比，電動助力轉向系統（EPS）具有節能（降低油耗0.3L/100km左右）環保（無更換液壓油引起的二次污染）以及更加優異的操縱性能。但由于電動轉向系統與液壓轉向系統相比，在不平路面行駛時缺少液壓油的緩沖衰減，更容易導致在顛簸路面行駛時產生異響。

一、問題描述、分析與異響排查

1.問題描述

某款配備C-EPS轉向系統的車型，在整車下線后進行的動態路試中，駕駛員以10km/h～15km/h的時速行駛在卵石路、凸凹路和鋼索路面時，駕駛員能夠聽到明顯、連續的rattle、click、clink異響， 同時伴隨著方向盤有明顯的振動沖擊出現。異響如果不能得到解決，后期一方面會引起客戶的強烈抱怨，另一方面也同時會導致EPS系統內零部件異常磨損而導致整個轉向系統故障。

2.異響分析

如圖1所示，改款車型裝配的C-EPS轉向系統主要構成為：電動轉向管柱總成、中間軸總成、齒輪齒條機械轉向機總成。車輛行駛在卵石路、凸凹路和鋼索路面時，輪胎受到不平路面的逆向沖擊后，通過轉向拉桿的球頭傳遞到齒條，導致齒條在受到沖擊后左右移動；齒條的左右移動通過齒輪齒條的線角傳動改變為中間軸和EPS管柱芯軸的旋轉運動。在不平路面產生振動的高頻激勵下，轉向系統內部零部件的間隙在高頻沖擊下產生異響。

3.異響排查

首先確認零部件連接點是否配合到位：方向盤與轉向管柱花鍵緊固螺母、中間軸與轉向柱花鍵緊固螺栓、中間軸與轉向機輸入軸緊固螺栓、內拉桿與外球頭緊固螺母、外球頭與轉向節緊固螺母以及底盤其他系統緊固件力矩。確認連接件無松動緊固到位后，進行內部結構分析確認異響源頭。具體方法：在轉向系統零部件的不同位置（外球頭、齒條支撐端、齒條嚙合端、中間軸、EPS渦輪箱處等）設置振動加速度傳感器，記錄車輛在通過卵石路、凸凹路和鋼索路面時的音頻和加速度值，對比異響聲音出現時不同位置的加速度數值，確定異響源，如圖2所示。本文主要對轉向機在卵石路、凸凹路和鋼索路產生異響進行分析、結構優化及試驗驗證。

二、齒輪齒條轉向機異響排查及驗證

1.故障件臺架測量

將轉向機帶橫拉桿總成以整車狀態固定在試驗臺上，將一慣性飛輪固定在轉向機輸入軸上，固定齒輪齒條嚙合端外球頭，在齒條襯套端施加特定載荷、頻率和波形的負載。在間隙調整托座和齒條支撐端安裝振動加速度傳感器，測量施加載荷后兩個位置的振動加速度，如圖3所示，測量結果如圖4所示。

故障件轉向機的間隙調整托座和齒條支撐端的振動加速度測量值與數據庫中不存在異響的其他車型轉向機相同位置的測量結果對比，發現此兩個位置的振動加速度峰值異常（較大），認定此轉向機調整托座和齒條支撐端結構設計不合理，需要進行改進。同時發現調整托座處比齒條支撐襯套處振動加速度高點出現的頻率高和峰值大，說明異響主要來源于此，為重點改進方向。

2.改進方案及整車評價

車輛在卵石或其他不平路面行駛時，車輪受到路面激勵后，帶動齒條快速左右換向，齒條左右移動導致調整托座上下運動。現結構為調整托座與殼體有一個O型圈，調整托座在齒條移動導致的上下運動時，單O型圈結構導向差，托座外周與殼體內壁之間、托座端面與緊固螺塞摩擦或撞擊產生。改進方案為調整托座上的O型圈由一個增加為兩個，在調整托座和緊固螺塞之間增加一個O型圈，同時調整壓緊彈簧的剛度，如圖5所示。

齒條支撐端現結構為單O型圈，此結構支撐套的剛度不足，在路面激勵導致齒條的運動過程中，齒條在軸向和徑向都受到較大的力，支撐套的剛度不足在受力下變形，最終導致二者之間間隙過大產生振動異響。此處改進方案為：支撐套與殼體配合O型圈增加為兩個，增大支撐剛度，同時增加齒條與支撐套的過盈量，如圖6所示。

對調整托座增加O型圈、緊固螺塞端面O型圈、彈簧剛度、齒輪齒條嚙合間隙等方案進行DOE試驗，做出7套樣件進行整車卵石路、凹凸路、鋼索路面異響驗證，同時對整車的轉向性能（原地轉向力、中高速轉向力、低速和高速回正性能）進行了評價，最終選定調整托座雙O型圈、端面O型圈、彈簧剛度250、嚙合間隙0.07、齒條支撐端雙O型圈作為最終解決方案。驗證記錄及評價見表1。

3.性能耐久驗證

經過整車路試和轉向性能評價確認最終的改進方案，在理論分析上存在轉向機下線和耐久的正逆驅動力不符合轉向機性能定義的風險。如何通過產品加工工藝參數和尺寸公差設置，需要經過計算分析和臺架性能可靠性驗證。

公差尺寸和工藝參數的具體驗證過程不做詳細敘述，為了滿足間隙和轉向機正逆驅動力，工藝需做如下改進：如襯套端涂脂量≥8g、支撐座端涂脂量≥6g以達到輔助潤滑效果，與襯套、支撐座接觸的齒條齒面，粗糙度需≤Ra0.35以減少對支撐件的摩擦等。經過工藝改進后，轉向機臺架試驗合格，見表2。

結語

為了解決EPS轉向系統中齒輪齒條式轉向機在卵石路、凸凹路和鋼索路產生rattle、click、clink異響，在試驗臺上完成了小載荷和大載荷兩種工況下的振動加速度試驗，進行了振動加速度的時域和頻域分析，得出異響產生的位置，并提出了優化方案。并對優化方案進行了臺架試驗和整車評價，效果良好。值得注意的是隨著客戶對汽車NVH性能的要求越來越高，作為工程師應該建立異響庫，建立設計規范和固化先進設計結構，直接應用到新開發車型中，避免后期類似問題重復發生。

參考文獻

[1]王迅.電動助力轉向系統（EPS）技術現狀與發展[J].湖北汽車工業學院學報，2008，22（3）：21-24.

[2]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.

[3]鄒鵬飛，黃立建.轉向器異響的一種振動檢測方法[J].黑龍江科技信息，2015（12）：70.

[4]王靈犀，黃立建.齒輪齒條式轉向器浮動支撐剛度的優化[J].科技通報，2017（5）：192-197.

[5]劉陽峰，王京，吳增月，等.間隙調整機構預緊彈簧對轉向器異響的分析[J].中國新技術新產品，2015（8）：33.

[6]錢雄松，高家兵，安宗全.機械轉向器間隙對轉向系統異響的影響分析[J].中國新技術新產品，2015（20）：109-110.