帶異響“檢測-反饋”系統的轉向機設計

王亞平 王佳良 肖會濤 曹寶寶 王碩

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隨著汽車行業的不斷發展與技術持續革新，人們對汽車的質量、設計等各方面的要求也逐漸升高。汽車轉向機作為汽車的重要組成部分和重要的人機交互系統之一，其安全性直接關系到駕駛人員的人身安全。當轉向系統發生噪音或其他異常情況時，容易對駕駛人員操控穩定性產生影響并埋藏其他安全隱患。因此，避免轉向系統異響是確保轉向系統正常運轉的重要措施。

近年來，解決轉向機噪音問題已成為汽車領域探討的熱點問題，已有大部分研究表明，導致轉向機異響的原因復雜、影響因素繁多，例如轉向機故障、前減震失效、方向盤內氣囊游絲斷裂、轉向橫拉桿損壞、輪胎損壞均可能會導致轉向機異響。張學斌在反復的專業振動速度測試實驗及深入分析的基礎上，提出了通過小齒輪上球軸承的游隙和性能優化措施，以實現機械轉向機異響優化[1]。鄒文紅、王佳良從優化電動助力轉向機的角度提出考慮直接對壓塊進行涂油脂，增加殼體壓塊孔粗糙度抽檢頻次來降低轉向機異響發生概率[2]。郭廷、黃巨成等人基于臺架試驗，對轉向機異響部位進行甄別的基礎上，提出了零部件設計結構優化的建議[3]，以降低轉向機異響問題。綜上發現，已有分析主要試圖從汽車其他部件來探究轉向機噪音問題，缺乏對轉向機自身因素所引起噪音的原因探究。因此，分析轉向機壓塊間隙與轉向機噪音之間的關系并試圖解決轉向機噪音問題十分必要，且具有重要的實踐意義。

1 轉向機壓塊間隙工作原理及存在問題

1.1 轉向機壓塊間隙規范

當前，轉向機壓塊間隙通常要求保持在0～0.1mm 之間，當壓塊間隙超過0.2mm，汽車轉向時，因齒條齒輪的預緊力不足或者壓塊的竄動，就容易產生較差的噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness，NVH）表 現，造 成Clunk 和Rattle 產生異響。

表1 轉向機壓塊間隙規范及異響臨界值

1.2 轉向機壓塊間隙變動機理

隨著汽車的持續使用，轉向機齒輪、齒條、嚙合面以及齒條背面與壓塊的匹配面均會出現不同程度的磨損，隨著時間的推移，持續的摩擦會導致壓塊間隙逐漸增大。深入剖析可發現，探針伸入調整螺母孔內后，用一定扭矩T0 擰齒條，齒條和齒輪的接觸面變化，壓塊沿軸向移動(由位置1 移動到位置2)，探針會隨之產生軸向運動，將此時探針位置標為0(即此處壓塊間隙為0)。松開擰緊扳手后，壓塊回到原來的位置1 處，探針也會隨之運動，此時的探針的示數即此處壓塊間隙（位置2 與位置1 的差值）（圖1）。隨著齒條的軸向移動，移動到各個位置都會存在1 個壓塊間隙值，將上述壓塊間隙取值連起來便成為了壓塊間隙曲線（圖2）。

圖1 壓塊間隙原理示意圖

圖2 壓塊間隙示例圖

1.3 轉向機設計存在的問題

當壓塊間隙取值超過0.2mm 后，由于轉向機沒有安裝相應的檢測報警裝置，不能及時反饋轉向機工作性能參數，以至隨時可能會因此產生噪音。此外，受固有思維局限性的影響，轉向機壓塊間隙問題通常不會被作為轉向機異響的首要考慮因素，以至維修檢查時不能精準及時鎖定異響源，這不僅影響用戶使用舒適性、增加檢修成本，還會造成潛在客戶流失，影響產業長遠發展。

2 帶自動檢測壓塊間隙轉向機的工作原理及優勢

2.1 帶自動檢測壓塊間隙轉向機的工作原理

帶自動檢測壓塊間隙的轉向機工作原理主要是依靠傳感器實時“檢測-反饋”系統來實現。首先，轉向機壓塊間隙檢測系統中的傳感器會實時監測轉向機壓塊間隙取；其次，“檢測-反饋”系統中傳感器會將監測到的數據實時反饋并交由ECU進行處理（圖3）。當轉向機壓塊間隙增大到0.2mm（易產生噪音）的臨界值時，ECU 會自動進行報警并及時通知駕駛員，要求其對轉向機進行基本的維護，以避免轉向機噪音及其他關聯故障的發生。

圖3 帶自動檢測壓塊間隙轉向機的工作原理

2.2 帶自動檢測壓塊間隙轉向機的具體工作路徑

首先，通過調整螺母到齒輪之間的一系列零件配合調整出合理的壓塊間隙（一般轉向機下線時壓塊間隙保持在0.05mm左右）。其次，傳感器會測量出傳感器下端到壓塊內部凹坑面的距離（見圖一中紅色箭頭標記的距離），并將此距離置為零，記為零點。再次，在轉向機使用過程中，齒輪和齒條的嚙合磨損以及襯片和齒條的磨損會導致壓塊間隙的增大，同時傳感器測量的距離從零開始增大，并通過線束實時將距離信號反饋給ECU（轉向機運轉時，持續循環運轉該流程）。最后，當傳感器測量出的距離達到0.15mm 時（此時的距離加上轉向機下線時本身間隙距離的實際壓塊間隙已經達到0.2mm）ECU 會自動判定此時的壓塊間隙已經達到了易產生噪音的臨界值，控制轉向機并向駕駛員報警，完成自動檢測壓塊間隙異響預警操作流程，實現異響報警工作（圖4、圖5）。壓塊間隙放大報警示意圖各編號具體含義如下：①轉向機殼體、②殼體密封圈、③壓塊密封圈、④壓塊、⑤襯片、⑥齒條、⑦齒輪、⑧壓縮彈簧、⑨激光傳感器、⑩調整螺母、線束、ECU。

圖4 帶自動檢測壓塊間隙轉向機的示意圖

圖5 帶自動檢測壓塊間隙轉向機的剖視圖

2.3 帶自動檢測壓塊間隙轉向機的優勢

帶自動檢測壓塊間隙轉向機的優勢主要體現在以下六個方面：一是壓塊間隙變化傳遞方式創新。帶自動檢測壓塊間隙轉向機相比普通轉向機而言，其工作原理是通過激光傳感器來傳遞壓塊間隙的變化情況，具有較高的穩定性。當轉向機長時間耐久使用出現壓塊間隙增大的情況時，可以在壓塊間隙增大到容易產生異響的狀態時，及時提醒駕駛員及時到4S 店增大調整螺母的擰緊角度，使壓塊間隙維持在0.05mm 左右，有效避免異響的發生。二是結構創新。該設計是將激光測距傳感器通過卡接的方式直接安裝在轉向機原本就存在的調整螺母上，不需要額外的固定工裝和運行空間，最大限度的減少激光測距傳感器的空間占用；三是功能創新。該設計在轉向機上安裝自動檢測壓塊間隙裝置系統，能實時監控壓塊間隙變化并反饋給ECU，進而反饋給車機，最終避免產生壓塊異響可有效避免因壓塊間隙超過噪音臨界值而產生的噪音，保障駕乘人員安全。四是密封設計的創新。該設計不需要給傳感器徑向活動的空間，可通過加裝密封圈來實現良好的密封效果，以防止壓塊小總成處灰塵、水汽等物質進入（詳見圖6）。基于上述優勢，駕駛帶自動檢測壓塊間隙轉向機的汽車可有效避免因異響給駕乘人員帶來的不好的體驗，提高駕乘人員使用的舒適度，降低維修的成本和售后問題處理率。圖中各編號具體含義分別為：⑨傳感器、⑩調整螺母、密封圈。

圖6 卡接器示意圖圖

3 研究結語

從源頭解決轉向機異響問題是推進轉向機取得進一步重要突破的關鍵舉措。為此，文章在梳理轉向機異響可能存在的原因的基礎上，首先介紹了傳統轉向機壓塊間隙的規范、工作原理及存在問題。其次，深入分析了帶自動檢測壓塊間隙工作原理、具體實現路徑。最后對比分析了帶自動檢測壓塊間隙的轉向機較傳統轉向機的優勢，發現帶自動檢測壓塊間隙的轉向機通過傳感器實時“檢測-反饋”系統能夠有效地將轉向機異響問題扼殺在搖籃中。從轉向機設計源頭來降低轉向機異響發生概率，是推進汽車產業進一步發展的重要支撐。