EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)鵝卵石路、繩索路異響分析

朱志剛　辛慶鋒　徐梅梅　胡飛　常文楠

摘 要：在當(dāng)前的車輛開發(fā)中，傳統(tǒng)的燃油車、電動車的都已實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電動助力，但轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增加了蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，并且電機進(jìn)行助力驅(qū)動，這導(dǎo)致在蝸輪蝸桿以及與電機配合結(jié)構(gòu)、尺寸、公差的影響，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在過一些特殊路況下產(chǎn)生轉(zhuǎn)向異響。文章介紹了EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在過鵝卵石、繩索路等特殊路況是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)易產(chǎn)生異響，通過對空載力矩、蝸輪蝸桿的配合以及電機與蝸桿的配合型式對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特殊路況異響。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 空載力矩 轉(zhuǎn)向異響

1 引言

隨著汽車發(fā)展轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能及要求也在逐步的提高，同時轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在開發(fā)過程中重點需要關(guān)注轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件的可靠性同時也要規(guī)避轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的異響問題，乘用車采用EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是普遍情況，而EPS除了給客戶帶來更好轉(zhuǎn)向駕駛感的同時，也能集成智能駕駛的功能，實現(xiàn)自動駕駛功能對整車的橫向進(jìn)行控制，但EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要通過助力單元進(jìn)行EPS的控制，增加了蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)或者帶傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這使得轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在工作過程中在一些特殊路面，特別是鵝卵石、繩索路、比利時路面時，車速在10km/h，蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)或者帶傳動結(jié)構(gòu)被路面的反饋激勵起振動造成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問題。

文章主要針對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在鵝卵石、繩索路、比利時路產(chǎn)生的異響進(jìn)行分析可能的原因，通過優(yōu)化蝸輪蝸桿的配比、蝸桿與控制器的連接方式等方向結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向異響的問題，通過對轉(zhuǎn)向管柱結(jié)構(gòu)型式的EPS進(jìn)行分析結(jié)構(gòu)型式，通過優(yōu)化蝸輪蝸桿的設(shè)計、匹配、蝸輪的加工型式以及合理的選擇聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)方式消除轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在特殊路段的異響問題，為后續(xù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供理論依據(jù)及實踐借鑒意義，規(guī)避產(chǎn)品后續(xù)開發(fā)中出現(xiàn)類似的問題。

2 特殊路段轉(zhuǎn)向異響的機理

以轉(zhuǎn)向管柱助力的EPS系統(tǒng)進(jìn)行分析，車輛在過一些特殊路面時會通過路面激勵使得轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生“噠噠-噠噠”異響聲，從產(chǎn)生的機理上是輪胎將地面的振動通過轉(zhuǎn)向器、中間軸傳遞到轉(zhuǎn)向管柱的蝸輪蝸桿、蝸桿與電機連接部位，而這些配合部位由于尺寸配合和安裝的要求存在間隙，這就導(dǎo)致振動傳遞上來在這些部位相互接觸時產(chǎn)生異響，產(chǎn)生異響的部位有可能是蝸輪蝸桿接觸部位，也有可能是電機與蝸桿配合連接部位，針對這些部位的異響需要控制轉(zhuǎn)向空載力矩，優(yōu)化蝸輪蝸桿的匹配，蝸桿軸承的選型，蝸桿與電機的連接等型式都會對轉(zhuǎn)向異響有貢獻(xiàn)，如圖1所示。

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化改善異響的方案

3.1 蝸輪蝸桿的匹配及空載力矩

EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，電機驅(qū)動蝸輪帶動管柱轉(zhuǎn)動，通過蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)將電機的助力放大，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。轉(zhuǎn)向異響通過地面?zhèn)鬟f上的力矩對蝸輪蝸桿處產(chǎn)生作用，地面的激勵會使得蝸輪快速的來回轉(zhuǎn)動，蝸輪與蝸桿配合匹配不當(dāng)將產(chǎn)生異響，同時對應(yīng)蝸輪蝸桿的空載扭矩過小不能有效抑制傳遞上來激勵給蝸桿的沖擊也會產(chǎn)生轉(zhuǎn)向異響的情況，所以在設(shè)計蝸輪蝸桿是需要將蝸輪和蝸桿進(jìn)行分檔匹配，保證蝸輪蝸桿的嚙合距離，對蝸桿進(jìn)行分檔與蝸輪匹配在保證中心距要求的情況，也對空載力矩進(jìn)行了范圍的控制，一般情況下空載力矩控制范圍在2.0N.m-3.5N.m的范圍值，通過對空載扭矩的要求和蝸桿分檔控制來抑制轉(zhuǎn)向異響，蝸輪蝸桿的配合，如圖２所示。

蝸桿的參數(shù)

齒部采用精磨齒（磨齒Rz≤0.4） 滾光（滾光Rz≤ 0.2）工藝

蝸桿精度等級 7 GB 10089

蝸輪的參數(shù)

蝸輪齒面粗糙度Rz≤1.6

蝸輪精度等級 7 GB 10089

對于蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)的EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過調(diào)整蝸桿的分檔控制以及空載力矩進(jìn)行控制，能有效的將轉(zhuǎn)向異響進(jìn)行抑制，蝸輪蝸桿的精度和表面粗糙度也會對轉(zhuǎn)向異響產(chǎn)生影響，需要嚴(yán)格控制，并且避免蝸輪在匹配蝸桿過程出現(xiàn)多次更改蝸桿導(dǎo)致蝸輪多個接觸嚙合面，也易產(chǎn)生轉(zhuǎn)向異響的問題，可以通過不帶電機空載力矩檢測一次對蝸輪蝸桿的匹配進(jìn)行篩選，合格后再對蝸輪蝸桿磨合，完成后在帶電機空載力矩檢測，這樣來保證蝸輪蝸桿接觸面的充分結(jié)合，同時可以將空載力矩控制在需求范圍內(nèi)。如圖示為蝸輪與不同蝸桿匹配導(dǎo)致嚙合多接觸面。

3.2 蝸桿與電機的配合方式

蝸桿與電機連接匹配的方式現(xiàn)在主流結(jié)構(gòu)是采用四爪聯(lián)軸器型式配減震墊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能有解決電機與蝸桿同軸問題，但減重墊采用橡膠結(jié)構(gòu)，要求他的可靠性和耐久性要好，這也使得不同的EPS供應(yīng)商開發(fā)出有各自不同的聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，來改善轉(zhuǎn)向異響問題，同時對于電機傳遞的扭矩能快速的影響。合資主流供應(yīng)商如ZF、博世、耐世特等都有各自的設(shè)計方案，國內(nèi)自主供應(yīng)商則主要以常規(guī)的四爪結(jié)構(gòu)來開發(fā)EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。四爪結(jié)構(gòu)以及衍生的不同聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

除了四爪結(jié)構(gòu)外還有以日本NSK開發(fā)的花鍵結(jié)構(gòu)也有在使用產(chǎn)品，但采用該結(jié)構(gòu)要求對于蝸桿與電機配合的同軸度要求高，內(nèi)外花鍵配合的，對于電機外花鍵的跳動需要控制≤0.032mm，電機法蘭與蝸輪箱安裝面的垂直度要求控制在≤0.1mm，并且在目前使用過程中該結(jié)構(gòu)在鵝卵石路面產(chǎn)生異響的頻率較高，主要是內(nèi)外花鍵配合屬于剛性連接對于路面?zhèn)鬟f上來的激勵無法有效的衰減，所以內(nèi)外花鍵結(jié)構(gòu)對于轉(zhuǎn)向異響特別是在鵝卵石、繩索路異響問題更容易產(chǎn)生，在生產(chǎn)、裝配過程中對于花鍵的加工以及電機花鍵調(diào)動和安裝面的垂直度要求較高，而四爪結(jié)構(gòu)減震墊能吸收沖擊，可以有效解決轉(zhuǎn)向異響。如圖對比花鍵結(jié)構(gòu)和聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)型式。

3.3 蝸桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計

蝸桿結(jié)構(gòu)設(shè)計一般為2頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，蝸輪與蝸桿配合時通過在蝸桿端部增加調(diào)整間隙結(jié)構(gòu)來保證蝸桿與蝸輪能貼合緊密，轉(zhuǎn)向管柱在工作過程中蝸輪與蝸桿能時時接觸，保證在轉(zhuǎn)向換向過程中蝸輪蝸桿不會產(chǎn)生換向異響的問題，同時也能使得路面反饋上來的沖擊在蝸輪和蝸桿充分壓緊接觸的情況也能減小在特殊路面上轉(zhuǎn)向異響問題，設(shè)計調(diào)整間隙結(jié)構(gòu)時需要保證預(yù)壓緊力垂直壓緊蝸桿已保證蝸桿能有效的貼合蝸輪使得轉(zhuǎn)向過程中手力平順，并且對于轉(zhuǎn)向異響也能有效的抑制。

蝸桿與殼體的固定也需要進(jìn)行控制，蝸桿除了在端部進(jìn)行預(yù)緊力的壓緊來保證貼緊，同時也要對轉(zhuǎn)向管柱的空載力矩進(jìn)行保證，這也需要蝸桿能在工作過程中對于軸向力進(jìn)行補償調(diào)整，所以蝸桿與蝸輪箱安裝配合時選用的軸承采用擺動軸承，提供蝸桿的角度擺動，同時擺動量不影響蝸桿的預(yù)緊效果如圖。

蝸桿與電機連接過程中為了減少電機的軸向竄動產(chǎn)生異響，通常采用軸向緩沖彈簧來規(guī)避電機及蝸桿的軸向竄動，通過裝配后彈簧對蝸桿及電機軸支撐，而路面?zhèn)鬟f上的激勵這時通過彈簧變形進(jìn)行吸收將振動進(jìn)行消減如圖9。

對于轉(zhuǎn)向管柱EPS轉(zhuǎn)向異響問題主要問題點集中在蝸輪蝸桿配合以及與蝸桿和電機配合方式，在實際使用過程中如何避免轉(zhuǎn)向異響問題需要綜合考慮空載力矩的大小，同時蝸輪蝸桿的匹配值，蝸桿與電機的連接型式以及電機端部本身波形彈簧的支持力（80N～120N）都會對轉(zhuǎn)向異響產(chǎn)生影響，所以在設(shè)計過程如何將轉(zhuǎn)向異響在鵝卵石路、繩索路規(guī)避是設(shè)計前期基于以往經(jīng)驗教訓(xùn)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)來進(jìn)行改進(jìn)，以上是通過幾方面進(jìn)行分析研究可能會產(chǎn)生轉(zhuǎn)向異響的問題點。

4 結(jié)論

（1）文章對轉(zhuǎn)向異響進(jìn)行了初步的分析以及評估各個零部件對異響的影響。

（2）通過對轉(zhuǎn)向管柱空載力矩、蝸輪蝸桿的配合型式、聯(lián)軸器的型式。

（3）文章對轉(zhuǎn)向異響問題進(jìn)行了闡述，對于影響轉(zhuǎn)向異響的部件進(jìn)行分析說明，可以在開發(fā)過程中進(jìn)行借鑒，避免在特殊路面鵝卵石、繩索路的異響問題。

參考文獻(xiàn)：

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