齒輪齒條式轉向器異響原因分析及控制方法

徐百雙 張晶 呂祥 楊魏綺

1.廣西艾盛創制科技有限公司 廣西柳州市 545616 2. 上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

齒輪齒條式轉向器以結構簡單、體積小、轉向靈敏、傳遞效率高、制造成本低等優點，被廣泛應用于載荷小的微型車、轎車中。路試車驗證過程中齒輪齒條式轉向器異響是最常見的故障模式，異響引起駕駛員舒適性差，影響汽車本身的產品質量。而異響問題主要原因是由殼體、齒輪、齒條、導套、壓塊總成等零部件結構設計、加工、裝配過程中存在缺陷造成。

齒輪齒條式轉向器工作原理：齒輪齒條式轉向器（圖1）是由殼體、齒輪、齒條、導套、調整機構、軸承、O型圈等組成。其工作原理以C-EPS轉向系統傳遞扭矩（圖2）為例，當駕駛員轉動方向盤時，電動助力轉向管柱接收信號產生助力，轉向傳動軸傳遞扭矩到轉向器齒輪上，齒輪帶動嚙合的齒條沿著直線反復運動，從而轉向拉桿帶動轉向節轉動，使轉向輪偏轉，實現汽車轉向。

2 齒輪齒條嚙合異響

故障模式：車輛靜止狀態轉動方向盤從轉向器部位傳來斷斷續續、無規則“嘎噠”的異響聲音。對故障件進行嚙合間隙、轉動力矩及轉向力矩波動、齒條移動力檢測（表1、表2、表3），通過檢測可知，嚙合間隙相對于設計出廠值大，齒輪轉動力矩及齒條推力均偏小。

原因分析：齒輪齒條嚙合間隙過大，會出現齒輪齒條相互撞擊而產生異響。

控制方法：

1)出廠時齒輪齒條嚙合間隙嚴格按照設計要求±180°行程內≤0.07mm，全行程≤0.1mm；

2)合理選擇的油脂以及用量，建議齒輪室涂6g-7g油脂，齒條面涂至少6g-7g油脂；

3)控制好齒條的跨棒距、粗糙度≤0.4、直線度≤0.08mm、齒輪跳動≤0.056、齒形偏差≤0.02。

3 齒條導套異響

導套作用支撐齒條在運動過程中保持直線運動。

圖1 齒輪齒條式轉向器爆炸圖

故障模式：車輛靜止狀態快速轉動方向盤從轉向器部位傳來“吱吱”的異響聲音。對故障件導套間隙檢測（表4）相對于設計值偏大，然而齒輪齒條間隙測量滿足設計要求。

原因分析：

1)齒條與導套間隙大，從而使齒條運動過程中偏斜，產生異響；

2)導套的剛度不足，變形過大，齒條與導套間隙大，導致異響；

3)導套中O型圈變形量大，不能夠壓緊導套，使齒條與導套間隙大，引起異響。

表2 轉動力矩以及波動檢測

表3 齒條移動力檢測

控制方法：

1)齒條與導套徑向間隙≤0.15mm（從-100N到100N），徑向間隙≤0.25mm（從-250N到250N）；

2)導套采用用半開放抱緊結構，導套與齒條是無間隙配合的，能有效消除齒條導套間隙；

3)O型圈材料選擇NBR，硬度要求70±5HS，設計變形量范圍不超過12%。

4 調整機構異響

調整機構主要作用在齒輪齒條嚙合運動時，吸收因零件制造誤差引起的振動調節齒輪齒條嚙合間隙。

故障模式：車輛靜止狀態轉動方向盤時從轉向器部位傳來連續“咔噠”的異響聲音。用手轉動齒輪，可聽到聲音從調整機構端傳出，可能存在的幾種問題（表5、表6、表7）不滿足設計要求，從而引起異響。

原因分析：

1)調整機構與殼體間隙小，使得調整機構上的O型圈受到擠壓，產生永久變形量大不能在殼體孔內正常運動，導致調整機構偏斜與殼體內壁偏磨，產生異響；調整機構與殼體間隙大，調整機構上下竄動與殼體內壁撞擊，引起異響；

2)調整機構涂油脂量少，使得調整機構與殼體內壁干磨擦，出現異響；

3)齒條齒背粗糙度偏大，在轉向時調整機構受到齒條的軸向力過大，導致調整機構擺動撞擊殼體內壁，引起異響。

4)調整彈簧剛度不足，導致調整機構上下竄動與殼體內壁撞擊，引起異響。

控制方法：

1)規定調整體外周與殼體內孔之間有合理的配合間隙，一般設計二者之間的間隙為0.04～0.1mm

2)規定調整體外周要涂抹潤滑脂，一般至少0.3g；

3)齒條齒背及調整體襯墊粗糙度要合適，一般要求在Ra0.4以下，以減小兩者之間的摩擦力；

表4 齒條與導套間隙檢測

4)彈簧需經低溫回火處理，保證彈簧剛度(載荷350±30N時變形量為2.3mm)；

5)采用雙O型圈緩沖使用中的沖擊，降低噪音，硬度要求70IRHD；

6)壓塊座要求真空浸油處理工藝。

5 球軸承異響

故障模式：車輛行駛過程中轉動方向盤時，明顯聽到從轉向器部件傳過來的“咯噔”聲音。用手轉動齒輪，可聽到轉向器齒輪端有“咯噔”聲異響，對故障件球軸承檢測（表8）不滿足設計要求。

原因分析：

1)球軸承結構、規格或游隙選取不當；

2)齒輪與軸承的產品尺寸設計配合。

控制方法：

1)球軸承滾動體采用4點接觸式結構而不采用深溝球軸承（圖3），徑向游隙可控9μm以下，軸向游隙約其2～3倍，軸向剛性大（圖4）

2)控制齒輪上下軸承配合位置的同軸度φ0.02；

3)壓緊螺塞擰緊力矩（34N.m～44N.m）適當且有防松措施，見表8。

圖3 深溝與4點接觸球軸承結構圖

圖4 深溝與4點接觸球軸承載軸向剛性對比圖

表8 軸承游隙測量

6 結束語

齒輪齒條式轉向器中產生異響原因有很多，排查引起異響的原因也很復雜，所以在零部件結構設計、加工、裝配過程中均需要提前采取預防措施，防止出現異響等故障。