汽車電動轉向系統異響問題分析及優化

吳允久 安徽江淮汽車集團股份有限公司

電動助力轉向系統具有節能、駕駛性能好的特點，因此成了汽車轉向系統主要的應用和發展方向。隨著用戶對車輛NVH 性能要求的提升，各種異常噪聲問題備受關注。近年來，相關技術人員對電動轉向系統異響的研究在不斷增加，通過研究來進一步優化電動轉向系統性能。低噪音和使用性能的可靠性，構成了EPS 的基礎功能。而歸根結底EPS 噪聲是振動引起的異響問題，其主要來源包括，蝸輪摩擦異常、轉向柱調整不合理、中間傳動軸故障以及齒輪條間隙不當造成的。通過對轉向系統異響現象的總結和分析，需要從工藝制作和材料方面，解決電動轉向系統異響問題。

一、關于汽車電動助力轉向發生的異響簡述

（一）助力轉向系統的噪聲

根據異常振動的形式可分為旋轉異響、沖擊異響和顛簸異響。旋轉異響是由于電機運行產生的異響。顛簸異響噪聲來源于車輛在行駛過程中，因路面不平，零件間隙的作用而產生噪音。沖擊異響是將方向盤固定在某一方向為中點時，來回轉動方向盤，產生類似碰撞的聲音。如果發生助力轉向異常噪音，在受力作用下會引起零件不同程度的損傷，影響汽車的正常使用功能。

（二）關于轉向系統摩擦異響的特點

轉向柱蝸輪與蝸桿擦摩異常主要分為兩種，一種是當方向盤啟動時，緩慢轉動方向盤，蝸桿與蝸桿嚙合出現異響，基本上是由于蝸桿與螺桿卡死造成的。另一種是蝸輪蝸桿在低溫運動時，發出明顯的異響，主要是由斜齒輪和蝸輪的經常摩擦引起的。

二、系統產生異響的主要來源

汽車在使用過程中，技術人員在對其轉向異響里程進行統計，80%的異響故障發生在約2000～10000 公里之間，轉向故障部位及異響程度與機械磨損有直接的關系。系統產生異響的主要來源如下：

（一）電動助力轉向系統中蝸輪摩擦異常

其機理主要是蝸輪與蝸輪接觸面產生一定的粘連作用，因此使表面產生振動，形成傳動阻力造成異響。其粘滑現象是由靜、動摩擦反復交替引起的，當結構面的靜摩擦超過動摩擦時，使系統產生彈性因此發生粘滑現象。在發生粘滑作用后，靜摩擦逐漸增加，當外力使用能克服其摩擦力時，結構的接觸界面就會發生滑移，并同時發出高頻異響。

（二）轉向柱調整時發生異響

管柱繞旋轉原點作徑向和軸向滑動，進行方向和高度調整時，通過滑動凸輪以及連接齒相互作用進行鎖緊和松開。轉向柱與汽車的方向盤相連，并通過鉸鏈和墊圈連接到底部支架。鉸鏈銷和嵌件連接到主體上，并將鉸鏈銷軸為其原點。在頂部有2 個安裝點焊接在支架上，調節支架通過螺紋桿與底座相連。支架上有弧形滑槽和調節凸輪。當松開調節桿時，調節機構安裝面會留有間隙。當轉向軸角度變化時，使調節凸輪滑入弧形槽內。帶動固定座，調節管柱進行滑動，以達到調節方向的目的。但當調節臂被鎖定時，調節凸輪旋轉并壓縮調節支架，使調其內側受到收縮。而固定座與下管柱的焊接連接，使下管柱與滑套壓緊而收縮。一旦間隙消除，各部件就不能有效進行平滑運動，推動徑向和軸向位移量。此時調整轉向柱轉動方向盤時，轉向柱調整機構就會發出“咔嗒”的異響。另外，當松開調節桿后，鎖塊沿與手柄連接線方向轉動。支架管底安裝孔為矩形孔，并與銷軸連接。當上下調節管繩，銷軸會產生上下運動，同時發生異響。根據特定車型轉向柱異響分析和研究，支架和銷的設計中存在腔體，以方便對轉向柱進行安裝。實際安裝后，調整中管柱出現異響。通過分析，得出矩形底托孔的寬度公差過大?？赏ㄟ^對銷軸公差的調整消除了結構間隙[1]。

（三）助力系統中間傳動軸發生異響

產生傳動軸異響應根據結構進行綜合評定。中間軸由輸出軸和齒輪軸組成。并與兩端節叉花鍵相連，后用螺栓將中間軸固定于轉向系統。因此，花鍵、螺栓及其參數將影響助力轉向系統的轉向性能，同時十字軸與前叉尺寸也會對轉向產生一定影響，導致設備發出異常。傳動軸異響的檢測方法包括，根據車輛情況，將管柱固定。為了比較其是否存在異響，要在工作臺上固定一套檢測用的轉向管柱。然后，轉向器軸按要求角度和位置與齒輪軸相連，調整到對于車輛的角度。如果在試驗中發現驅動軸有異響，或振動頻率增加，則可直接判斷轉向系統軸存在故障問題。

（四）轉向系統齒輪齒條間隙異響

齒輪齒條轉向器，其作用是將扭矩為轉向軸提供推拉作用力。齒輪齒條工作時，其中心距是實時偏移的，在車輛行駛一段時間后，彈簧會發生疲勞變形，這種變形會影響齒輪齒條的空間位置，使助力系統的運行出現問題。另外，如轉向器外殼支座不符合質量標準，其外徑大小、O 形圈的耐用性和齒條規格尺寸都會影響轉向功能，導致轉向系統發生異響。因此，技術人員要重點關注轉向齒輪齒條間齒隙，防止出現異響。通常檢查動力系統傳動軸異響，其測試中要取下齒輪，由機器進行異常噪音的檢測。并把轉向器放在這個位置，對整個轉向系統進行測試，同時檢查整個路徑中的齒條和齒輪間的空間，以評動力系統的異常噪音[2]。

三、動力轉向系統的異響分析

（一）影響斜齒輪磨損異響的分析

首先蝸輪以及蝸桿材料的耐磨性比較差。轉向柱伺服結構中，與蝸桿配件相比，蝸輪結構的耐磨性相對較差，導致蝸輪在運行時磨損更嚴重。轉向柱的蝸輪和蝸桿設計為固定中心距運行結構。因其不能有效調節蝸輪與蝸桿間隙進行補償。當汽車通過凹凸路面時，蝸輪和蝸桿結構會形成一定的間隙。最后通過對離線轉向柱拆解，發現蝸輪頂部存在缺陷。該缺陷是由于蝸輪、蝸桿嚙合時嚙合面損壞造成的，因此而增大結構間隙。

（二）關于上轉向柱異響

要使轉向柱良好運行，上轉向傳動軸可將其設計為軸向滑動，結構的上下軸用內外花鍵進行連接，使旋轉時可以軸向改變傳遞扭矩。但在實際應用中，如上下軸內外關鍵參數不能正確調整，會使轉向軸間的密封設置不正確，造成上下軸位置不正確，使轉向軸在正常運行時產生異響。消除該異響的方法操作如下：技術人員要將管柱固定，同時鎖緊管柱的輸出軸。根據旋轉頻率增加轉向行程，檢測并進行位置分析，檢測聲音的頻率變化，用手觸摸方向盤，如果在震動的聲音和頻率增加，可直接判斷轉向柱連接處存在間隙[2]。

（三）蝸輪噪音異常

斜齒輪機構包括斜齒輪和蝸輪。在轉向器設計和生產過程中，必須控制好蝸輪與蝸桿間隙，采用無間隙補償機構控制。由于在其運行過程中會產生熱量，材料產生熱膨脹效應，導致蝸輪與蝸桿之間的空間減小，由于滾動阻力增加，最終影響了助力轉向性能異常。為此，在轉向器設計和制造中，必須嚴格控制間隙在標準范圍內。如果間隙太大會產生異響，而過小會直接影響車輛的轉向性能。另外，在實際使用過程中，如果經車輛長的時間運行后，材料磨損會導致間隙增加并產生異響。消除方法是將轉向柱固定，并檢查是否存在異響。再通過模擬信號控制器，檢測轉向軸的工作狀態。如果助力系統在運行時只產生異常噪音，則可基石判定噪音是由蝸輪、蝸桿產生。

四、轉向系統摩擦異響的優化措施

針對蝸輪邊緣磨損痕跡，判斷蝸輪蝸桿在運動中存在摩擦。因此，需要對蝸輪進行全面的檢測，如果蝸輪尺寸存在偏差，端面跳動偏差大，會導致蝸輪蝸桿接觸不良，接觸壓力的突變容易產生增大摩擦力進而產生異響。為解決此問題，需要對蝸輪蝸桿的尺寸進行優化。目前轉向系統使用的蝸輪外圈多用注塑加工，異響蝸輪注塑采用了 4 點注入，造成跳動偏差較大，在轉動中會出現摩擦異響。因此，可以選擇將蝸輪注塑更改成的 6 點注入，提高公差準確度，提升了系統運行的耐久性能。針對蝸桿齒頂銳邊問題，齒頂需要進行圓角設計，確保不會發生粘滯，控制蝸桿粗糙度，減少表面出現的劃痕。對于蝸輪材料的硬度、摩擦磨損和在尺寸變化等特性，與摩擦異響有很大關系，對于不同材料的蝸輪的硬度不相同。因此，需要具有較低的摩擦系數和磨損性能，具有不同溫度條件下的尺寸穩定性，還需要具有較強的老化性能。還需要針對不同的蝸輪材料進行性能測試，蝸輪材料的硬度決定了蝸輪齒的強度，硬度越高強度越高，還要匹配適當的蝸桿，這樣更有利于異響的控制。

五、關于系統異響的案例分析

某汽車在行駛過程中發出環向噪音，經分析測定其噪聲等級為5 級，已達到噪聲污染等級，必須進行修善。由以上分析可知，轉向系統噪聲與零部件的配合相關。因此，在檢測中要強調對零部件的全面檢查。異響產出，通過檢查確定噪聲位置來自于中間軸及下叉位置。技術人員通過利用傳感器的進行分析，對輛車進行了4 個點的信息觀察，由于采用三軸傳感器實施數據跟蹤，數據涵蓋三個不同的方面，在分析中，要將最終的最大值應用于后續研究。對有異響汽車的振動數據進行分析，選取一段時間的振動數，得知最大加速度顯示異常。通過比較擴展數據參數，發現有異響汽車，其水平向的振動參數差異很小，但在異常點上相差約6 倍。通過分析得出，汽車開關噪聲問題與異常點有關。因此，之后的檢測操作，技術人員全面針對中間軸及下叉點位置進行檢查。重點檢測轉向和輸入軸的運動位置。在檢查中，確定了噪聲的產生原因有兩個，其一是傳動結構運動位置間隙過大造成的。經深入檢查確定，造成間隙大的原因是轉向系統使用的零件，不來自同一制造商，因此造成零件的尺寸和使用性能存在差異。如果傳動結構產生較大間隙，會下拉降低傳動系統的工作質量并同時伴隨噪音的產生。其二是由于蝸桿齒頂存在磕碰現象導致發生異響，當明確產生異響的原因。針對第一個原因，技術通過對兩家制造產品的綜合能力進行比較，而異響車輸入軸存在明顯差異，由此可見，汽車異響造成的主要原因是輸入軸與轉向系統的差異造成的。以此，技術人員就可以制定相應的解決方案，以減少噪聲影響。及時更換輸入軸，增加花鍵的自由活動空間，減小公差值與標準值的差異，最終確保車輛異響問題得以解決。針對第二個異響問題，技術人員要從材料質量和生產質量兩方面，以有效提高蝸輪和蝸桿結構的耐磨性。由于車輛里程的增加，轉向柱中蝸輪與蝸桿之間的間隙會增加。為充分改善蝸輪與蝸桿的間隙，可能通過增加齒隙調節機構進行有效的補償，以解決磨損間隙造成的轉向系統異響。首先，蝸桿清洗筐容量過大，導致存在磕碰現象。因此，可對其結構進行優化。其次是提高蝸輪材料的表面的硬度，增加蝸輪的耐磨性。蝸桿要經過高頻淬火處理。

六、結束語

綜上所述，本文通過對電動轉向系統異響進行全面的分析?？偨Y出通過優化更換蝸輪、蝸桿的設計和生產工藝，改進制度材料，以有效提高其運行中的耐久性，解決了轉向系統間隙異響的問題。技術人員要嚴格控制蝸輪與蝸桿間的有效空隙，保持合理范圍之內，要增設合理的間隙補償機構，改善結構性能和異響。