C-EPS轉向管柱在壞路上異響問題探討

黃巨成 張海源 朱釗 古紅曉

摘? 要：某車型在試生產期間，發現整車在壞路做動態路試時，前底盤與方向盤之間傳遞一種click異響。針對此異響，從測試、分析、驗證以及最終制定解決方案四個維度介紹了解決此次問題的思路與方法。為后續異響解決提供一種參考。

關鍵詞：C-EPS;蝸輪箱;振響

中圖分類號：U461.5+6? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2019）02-0080-04

前言

汽車在工作時各機構存在的振動，會發出多種性質的響聲，有的響聲頻率較快、聲音較大，就會形成異響。

用來改變或保持汽車行駛或倒退方向的一系列裝置稱為汽車轉向系統（steering system）[1]。駕駛員通過方向盤直接控制車輛進行轉向，因此轉向系統引起的異響與振動會直接傳遞給駕駛員，影響駕駛員的駕駛舒適性。所以，轉向系統在車輛行駛過程中不能發出干擾駕駛員的振動與異響。

1? ? 問題確認

圖1為某車型搭載的管柱式電動助力轉向系統。轉向系統主要由C-EPS（管柱式助力電動轉向管柱帶中間軸總成，下文簡稱C-EPS）和機械轉向器帶橫拉桿總成（MSG）。

此車型在生產試制階段，發現在經過壞路面或者碎石路面時（如圖1所示），前底盤與方向盤之間出現click異響。經過實車確認排除轉向機引起的異響。初步鎖定異響為轉向管柱附近出現連續的類似“嘚嘚”聲。針對此異響利用設備進行精確的異響部位鎖定。

利用LMS振動噪聲測試分析儀三通道振動測試儀，在轉向管柱疑似異響點貼傳感器測試。

車輛以15Km/h速度經過壞路面或者碎石路面時，通過傳感器測試振動聲源及方向。

由圖5可以看出振動發生在車輛的X方向。表現為中間軸上節叉振動較大。從圖4中傳感器位置可以排除掉轉向機因素。

圖4中間軸上端十字軸測試結果顯示也是為X向有明顯兩處振動。將中間軸總成間隙從10′縮小到總成間隙7.2′與7.0′進行驗證，異響無任何改善。排除掉中間軸十字軸間隙導致的異響。因此，異響位置初步鎖定為圖3中減速機構內部的徑向竄動。

2? ? 異響部位結構分析

電動助力轉向系統（Electric Power Steering，EPS）是一種依靠電機提供輔助轉矩的助力轉向系統，主要由傳感器（轉矩和轉角傳感器）、助力電機、減速機構、控制器等組成[3]。

減速機構主要包括蝸輪箱、電機、蝸輪、蝸桿，其中蝸輪箱、蝸桿、蝸輪三者之間的配合間隙，直接關系到轉向管柱總成的間隙。如果配合間隙過大則會由于振動產生撞擊異響，如果間隙過小則會影響到作用在方向盤上的手力與車輛的主動回正。

圖6為本文分析的減速機構剖面圖。蝸桿的軸向由兩端一大一小軸承限位，蝸桿徑向由蝸輪與電機的配合限位。徑向振動主要懷疑為大小軸承的徑向跳動或者蝸桿的徑向擺動。

從圖6中左側可以看出蝸桿小軸承端與蝸輪箱為間隙配合。由于此產品結構設計為蝸桿與蝸輪的中心距可以進行調整，通過蝸桿的擺動來實現中心距可調。所以將蝸桿的擺動調整端放在了小軸承端。

通過圖7的剖視圖可以看出，間隙調整機構處，渦輪箱殼體內徑與小軸承為偏心圓，間隙調整范圍為0.10-0.20mm。

由于小軸承與殼體之間屬于剛性接觸，所以當地面給予輪胎沖擊較大，頻率較高時，軸承與殼體之間就會頻繁出現碰撞，產生異響。所以，針對上述分析，出具下面的整改方案進行驗證。尋求最優的異響解決方案。

3? ? 整改方案

針對蝸桿小軸承端與蝸輪箱處，為了消除軸承與蝸輪箱的剛性接觸，增加柔性連接。將軸承與蝸桿用尼龍襯套（圖中紅色，厚度1mm）隔離，進行實車評測。如下圖8所示：

并同時開展多項優化方案，目的在于將異響對車輛駕乘人員的影響降為最低。詳細的驗證方案及評價效果詳見上表1中所述。根據表1中驗證結果得出如下結論：

此次轉向系統發生的異響處為：小軸承與蝸輪箱間隙配合引起的金屬碰撞異響。

最終整改的具體方案為（見圖9）：

1.在蝸桿小軸承處增加保護套（材料為尼龍或者EPDM+O型圈），將剛性接觸改為柔性接觸;

2.小軸承與蝸桿的配合改為過盈配合，消除小軸承與蝸桿的間隙;

3.間隙調整彈簧力加大，由20N增大到30N。當受到振動激勵后減小蝸桿的擺動。

4? ? 方案驗證

4.1? ?實車驗證

將最終方案按照嚴格的機械加工工藝與公差尺寸要求進行工裝件生產，裝配10臺份樣件[4]。搭載實車，進行動態路試驗證，車速為15-20km/h，勻速行駛。異響小組人員作為駕駛員進行實車確認，人耳評判無振響出現。方向盤手力適中，主動回正速度符合設計要求，回正過程中方向盤無卡滯，主動回正結束后方向盤殘余角滿足設計要求。

4.2? ?臺架試驗

根據整車安裝角度，將轉向管柱總成搭建臺架進行驗證。通過正逆向臺架耐久驗證，確保耐久后小軸承與蝸桿的間隙、蝸桿與蝸輪的間隙滿足產品性能要求。同時對新增加的尼龍襯套的材料進行材料試驗與性能檢測，保證材料的可靠性。本文采取的異響方案，經臺架耐久試驗驗證后滿足零部件性能要求。

5? ? 結語

對于C-EPS，蝸輪箱、蝸輪、蝸桿以及電機的配合結構和間隙對于轉向管柱的性能具有非常大的影響，各元件之間良好的配合可以提高EPS的駕駛感覺，如果出現較大結構間隙則會通過方向盤直接傳遞給駕駛員，引起駕駛員的煩躁與抱怨，從而影響駕乘舒適感。

本文通過分析測試儀檢測到的蝸輪蝸桿振動噪聲曲線圖，得出異響來源于軸承與蝸桿箱的配合處，參考行業內轉向系統結構，對此處進行結構優化，最終結合裝車驗證效果，解決了轉向系統異響的問題。通過這種方法，縮短了驗證周期，降低了試驗驗證費用，并取得良好的改進效果。

參考文獻：

[1]劉濤，汽車設計[M].北京，北京大學出版社，2008.

[2]陳家瑞等.汽車構造[M].北京，機械工業出版社，2011.

[3]余志生，汽車理論[M].北京，機械工業出版社，2009.

[4] 郭廷，齒輪齒條式機械轉向器異響分析及改進[J].2017.

[5]王文龍，陳自新，汽車助力轉向系統異響問題分析研究[J].2014.

[6]趙福利，有關汽車底盤異響故障的辨別與診斷分析[J].中國機械.2014.