汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問(wèn)題分析及優(yōu)化

梁阿南 岳法 盧雨晨

（北京汽車股份有限公司）

汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）具有節(jié)能、環(huán)保、操控性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，已成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向[1]。隨著汽車NVH 性能的不斷提升，汽車系統(tǒng)中的各種異響正逐漸被關(guān)注[2]。近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)EPS 異響的研究越來(lái)越多，旨在研究EPS 產(chǎn)生異響的內(nèi)因、優(yōu)化EPS的結(jié)構(gòu)、改良EPS 組成構(gòu)件的材料屬性，為開(kāi)發(fā)低噪聲、可靠性高的EPS 產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外對(duì)EPS 異響多采用試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，然而由于研究缺少統(tǒng)一規(guī)劃，目前尚沒(méi)有提出解決該問(wèn)題的系統(tǒng)方法。EPS 異響歸根到底屬于振動(dòng)與噪聲問(wèn)題[3]，其分析手段主要依靠在測(cè)試試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢測(cè)等各環(huán)節(jié)制定對(duì)策，與一般NVH 問(wèn)題的分析手段和解決方法略有不同。文章基于某款車型試驗(yàn)車在經(jīng)過(guò)壞路時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)異響的現(xiàn)象，歸納分析了異響問(wèn)題的主要原因，在生產(chǎn)工藝、材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3 個(gè)方面對(duì)EPS 系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，最終有效解決了該異響問(wèn)題。

1 問(wèn)題描述

某車型試驗(yàn)車在高原行駛一段時(shí)間后，經(jīng)過(guò)壞路時(shí)，如圖1 所示，轉(zhuǎn)向管柱產(chǎn)生“噠噠噠”的異響，尤其是行駛到5 000 km 左右時(shí)，汽車異響故障現(xiàn)象明顯。由于該款車型采用轉(zhuǎn)向管柱助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（C-EPS），其助力電機(jī)在駕駛室內(nèi)，距離駕駛員較近，在發(fā)生異響時(shí)更容易被駕駛員發(fā)覺(jué)，會(huì)影響駕駛舒適度，因而對(duì)于異響需要嚴(yán)加控制。

圖1 汽車轉(zhuǎn)向管柱異響發(fā)生的典型路況

2 問(wèn)題原因分析

該問(wèn)題產(chǎn)生的原因比較隨機(jī)，且影響因素眾多，使用魚(yú)刺圖（如圖2 所示）進(jìn)行故障原因的歸納與分析比較高效和全面。從圖2 中可以總結(jié)出，異響故障可能的影響因素有：蝸輪蝸桿及殼體未分組選配、潤(rùn)滑脂加注量過(guò)少、零部件尺寸超差、磨合工藝未執(zhí)行、蝸輪蝸桿嚙合間隙過(guò)大、蝸輪蝸桿耐磨性能不好、磨齒產(chǎn)生設(shè)置不合理等。

圖2 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響原因分析魚(yú)刺圖

對(duì)轉(zhuǎn)向異響故障件進(jìn)行故障里程統(tǒng)計(jì)，其中83.7%的異響故障發(fā)生在1 000～10 000 km 區(qū)間，發(fā)現(xiàn)故障件異響程度與零部件耐磨損性能強(qiáng)相關(guān)，確認(rèn)導(dǎo)致管柱異響的直接原因?yàn)檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)蝸輪蝸桿磨損。經(jīng)分析，轉(zhuǎn)向管柱蝸輪蝸桿磨損的主要影響因素為：

1）蝸輪、蝸桿材料耐磨性能不良。當(dāng)前轉(zhuǎn)向管柱伺服單元內(nèi)的蝸桿材料為40Cr，蝸輪材料為PA6，與蝸桿相比，蝸輪耐磨性能較差，在配合過(guò)程中蝸輪磨損較為嚴(yán)重。

2）電動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱的蝸輪、蝸桿為定中心距結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不能通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)蝸輪、蝸桿間隙進(jìn)行補(bǔ)償，在汽車通過(guò)凸凹不平的路面后，由于蝸輪與蝸桿存在間隙，產(chǎn)生撞擊異響。

3）對(duì)新下線的轉(zhuǎn)向管柱進(jìn)行拆解分析，發(fā)現(xiàn)蝸桿齒頂存在異?？呐鋈睋p，如圖3 所示，該缺損在蝸輪與蝸桿的嚙合過(guò)程中容易對(duì)蝸輪嚙合面產(chǎn)生異常劃傷而造成配合間隙增大。

圖3 蝸桿齒頂磕碰缺損

綜上，確定轉(zhuǎn)向異響問(wèn)題的主要影響因素為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向管柱總成蝸輪蝸桿的耐磨性能、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與零部件質(zhì)量過(guò)程控制3 個(gè)方面。

3 優(yōu)化方案制定

將蝸桿齒頂故意碰傷件裝入轉(zhuǎn)向管柱的伺服單元，模擬磕碰件的總成狀態(tài)，通過(guò)模擬件在臺(tái)架上的異響檢測(cè)可以進(jìn)一步確認(rèn)蝸桿齒頂存在磕碰現(xiàn)象，可復(fù)現(xiàn)異響，因此需要從材料和生產(chǎn)質(zhì)量控制2 個(gè)方面來(lái)提高蝸輪、蝸桿的硬度與耐磨性能。由于隨著汽車行駛里程增加，固定中心距結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向管柱蝸輪、蝸桿間隙也會(huì)相應(yīng)變大，為徹底改善轉(zhuǎn)向管柱耐久試驗(yàn)后蝸輪、蝸桿的間隙，通過(guò)設(shè)計(jì)變更，增加間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，補(bǔ)償磨損間隙，解決轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問(wèn)題。具體優(yōu)化方案如下：

1）針對(duì)蝸桿齒頂異常磕碰的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的排查，發(fā)現(xiàn)是由于蝸桿清洗籃可存儲(chǔ)蝸桿的容量太大，在清洗過(guò)程中蝸桿之間發(fā)生了磕碰。因此對(duì)清洗籃進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖4 所示。

圖4 蝸桿清洗籃改善前后對(duì)比圖

2）提高蝸桿表面硬度，變更蝸輪材料，增加蝸輪耐磨性。將蝸桿由調(diào)質(zhì)處理改為高頻淬火處理，蝸輪材料由PA6 改為PA66+30%GF。

3）伺服機(jī)構(gòu)由原來(lái)的定中心距結(jié)構(gòu)變更為間隙補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，補(bǔ)償由于里程增加引起的蝸輪蝸桿磨損。

圖5 蝸輪蝸桿伺服機(jī)構(gòu)對(duì)比圖

4 效果驗(yàn)證

根據(jù)上述優(yōu)化方案思路，細(xì)化具體方案，經(jīng)過(guò)正逆向耐久DV 路試得出：經(jīng)過(guò)高頻淬火處理的蝸桿和采用PA66+30%GF 材料的蝸輪比原普通蝸桿和PA6 材料的蝸輪更耐磨；同時(shí)采用的蝸輪、蝸桿自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)在間隙變大時(shí)，起到自動(dòng)調(diào)整嚙合間隙的作用，減少了整車轉(zhuǎn)向管柱異響的發(fā)生。對(duì)以上更改方案進(jìn)行整車耐久路試，并進(jìn)行整車客觀測(cè)試及主觀評(píng)價(jià)確定改善效果。測(cè)試設(shè)備采用LMS 數(shù)據(jù)采集主機(jī)、傳聲器、三向加速度器、聲學(xué)標(biāo)定器等，傳感器布置位置，如圖6 所示。

圖6 傳感器測(cè)試位置

測(cè)試結(jié)果如圖7 所示，測(cè)試車速為15～20 km/h。圖7a 示出改善前異響轉(zhuǎn)向管柱的測(cè)試數(shù)據(jù)，加速度值突變較大，蝸輪、蝸桿撞擊明顯，轉(zhuǎn)向異響主觀評(píng)價(jià)不可接受；圖7b 示出改善后的轉(zhuǎn)向管柱在10 km 以下路試時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)，加速度值比較平穩(wěn)，系統(tǒng)受沖擊后運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向異響主觀評(píng)價(jià)可接受；圖7c 示出改善后的轉(zhuǎn)向管柱進(jìn)行1 萬(wàn)km 路試后的測(cè)試數(shù)據(jù)，加速度值變化平穩(wěn)，數(shù)值在標(biāo)準(zhǔn)范圍（±2g）內(nèi)，系統(tǒng)受沖擊后運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向異響主觀評(píng)價(jià)可接受。

圖7 蝸輪和蝸桿處振動(dòng)加速度與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

上述方案實(shí)施后改善效果明顯，經(jīng)過(guò)綜合耐久路試及主觀評(píng)價(jià)，轉(zhuǎn)向管柱異響問(wèn)題已完全消除。

5 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問(wèn)題的分析和優(yōu)化驗(yàn)證，得出：通過(guò)蝸輪、蝸桿材料及熱處理方法的變更，快速解決了市場(chǎng)上發(fā)生的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問(wèn)題。為保證耐久試驗(yàn)后蝸輪、蝸桿的間隙保持在異響可接受的范圍，建議增加間隙可調(diào)機(jī)構(gòu)，并在后續(xù)研發(fā)過(guò)程加以匯總，不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)，改善異響的性能。文章的分析研究為后續(xù)此類問(wèn)題的解決提供了寶貴的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。