轉(zhuǎn)向機(jī)壓塊Stick-slip異響問題分析及優(yōu)化

陳佳欣　金旭文　肖會濤　俞力銘　梁九生

摘 要：本文根據(jù)MSG型號單齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)測試駕駛員抱怨的換向異響問題，首先進(jìn)行加速度貼片測試確定換向異響振幅最大區(qū)域主要來自于壓塊，進(jìn)而影響齒條襯套與拉桿同樣產(chǎn)生振幅，并推斷出該異響類型為stick-slip噪聲。然后采用故障樹分析方法對壓塊產(chǎn)生噪音的主要原因逐層分析從而確定優(yōu)化方向。最后從零件表面粗糙度因素和零件潤滑因素兩個方面確定優(yōu)化方案，為相同類型問題的解決提供一定的理論參考。

關(guān)鍵詞：單齒輪式電子轉(zhuǎn)向機(jī) 壓塊 壓塊襯片 故障樹分析方法

0 引言

隨著我國新能源汽車市場的蓬勃發(fā)展，人們對于汽車的功能需求已經(jīng)不單單局限于基本的轉(zhuǎn)向、制動與前進(jìn)。各個整車車企及零部件供應(yīng)商也在不斷提升自身競爭力，比如提高駕駛員在行駛過程中的操作穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向過程中的行駛平順性和制動性能等評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。尤其是在新能源汽車不斷追求安靜舒適的駕駛環(huán)境，轉(zhuǎn)向機(jī)也在不斷降低自身所產(chǎn)生的噪聲，從而提高駕駛員與乘客的整體乘坐舒適性[1]。

本文基于MSG車型單齒輪式電子轉(zhuǎn)向機(jī)所出現(xiàn)的Stick-slip換向異響噪音問題進(jìn)行分析，并根據(jù)換向異響問題的主要原因提出解決措施，為后續(xù)相關(guān)問題提供一定的理論參考。

1 Stick-slip噪音運動學(xué)機(jī)理及問題來源介紹

Stick-slip噪音廣泛出現(xiàn)在機(jī)械工程領(lǐng)域，其主要定義為在運動過程中兩個不同接觸面之間粘滯和滑動持續(xù)交替而引發(fā)的有害噪聲，不僅僅會影響機(jī)械件接觸界面的磨損，還會降低系統(tǒng)運動精度。Stick-slip的運動學(xué)機(jī)理通常為機(jī)械件在受到外力作用下，首先會因為靜態(tài)摩擦力大于外力而阻礙二者之間的相對作用而使機(jī)械件仍保持靜止?fàn)顟B(tài)。然而當(dāng)外力持續(xù)增長大于靜態(tài)摩擦力時，二者之間發(fā)生相對滑動，由靜態(tài)摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)摩擦力[2]。當(dāng)外力逐漸下降時，物體運動狀態(tài)回到靜止，動態(tài)摩擦力再次轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)摩擦力，物體在外力作用下重新開始運動，持續(xù)反復(fù)整個流程，在機(jī)械件中形成Stick-slip噪音[3-4]，完整粘滯滑動振動所產(chǎn)生的時間與位移關(guān)系圖如圖1所示。

（1）

（2）

（3）

機(jī)械件接觸面不連續(xù)鋸齒狀運動軌跡主要是由于在滑動區(qū)間受到公式（1）的約束，在粘滯區(qū)間受到公式（2）約束。如圖1所示，假設(shè)兩個不同的機(jī)械件中接觸面1，在粘滯狀態(tài)中從M點移動至N點，此時兩接觸面之間的靜摩擦力需要抵抗恒定阻尼力cv和增長彈簧力kx的恢復(fù)力。從N點至Q點后，恢復(fù)力在克服峰值靜態(tài)摩擦力F?-s后，由靜態(tài)摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)摩擦力，進(jìn)入滑動狀態(tài)，其中，?s為靜摩擦系數(shù)，F(xiàn)?-s為靜態(tài)摩擦力。長期反復(fù)這種粘滯-滑動的運動狀態(tài)，造成機(jī)械件在摩擦力作用下產(chǎn)生摩擦自激振動進(jìn)而形成Stick-slip噪音[5-6]。隨著摩擦自激振動沖擊增大，動態(tài)摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)摩擦力所產(chǎn)生的動能也大幅度提升，Stick-slip噪聲隨之增大，而與峰值靜態(tài)摩擦力最直接的相關(guān)的因素為摩擦系數(shù)，所以減小摩擦系數(shù)可以直接減小峰值靜摩擦力，從而降低或抑制Stick-slip噪聲。

MSG車型在整車組裝完畢下線試車階段，測試駕駛員發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)在換向過程中方向盤在任意位置快速換向時會出現(xiàn)“噠”的響聲。雖然此異響暫時不影響駕駛員的正常轉(zhuǎn)向，但是并不排除長期異響會增加轉(zhuǎn)向機(jī)內(nèi)部零件失效的潛在風(fēng)險，因此需要針對該問題對單齒輪式電子轉(zhuǎn)向機(jī)自身結(jié)構(gòu)零部件進(jìn)行深入分析。

2 單齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)異響位置確定

通常來說，駕駛員轉(zhuǎn)向過程中產(chǎn)生的“噠”的異響聲主要是由于轉(zhuǎn)向機(jī)結(jié)構(gòu)件之間的相互接觸摩擦而產(chǎn)生的異響。為了確定本文異響的主要類別，首先收集試車階段存在問題的轉(zhuǎn)向機(jī)，去除電機(jī)后噪音依然存在，在臺架上固定后進(jìn)行加速度貼片測試，加速度貼片位置如圖2簡化單齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)示意圖紅框所示，主要在壓塊、襯套和拉桿三個區(qū)域進(jìn)行。然后，將方向盤連續(xù)從靜止到運動左右轉(zhuǎn)動直至聽到有“噠”的異響，轉(zhuǎn)動測試時長大約為30s左右。最后，導(dǎo)出加速度測試結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)振動測試來確定噪音振幅最大區(qū)域從而對該區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和優(yōu)化，加速度貼片結(jié)果如圖3所示。

由于全部加速度貼片測試數(shù)據(jù)比較雜亂，為了更清晰地分析轉(zhuǎn)向過程中壓塊、襯套和拉桿三部分區(qū)域的振動規(guī)律與振幅情況，本文僅選取轉(zhuǎn)向機(jī)一次轉(zhuǎn)向0.0045s內(nèi)的測試結(jié)果。根據(jù)測試結(jié)果可知：三個區(qū)域都有不同程度的振動，壓塊區(qū)域最先起振且振動幅度最大，單次振動加速度可高達(dá)10m/s2以上，然而拉桿區(qū)域振動幅度最小，x，y，z三個方向的振動幅度均在5m/s2之間。

3 單齒輪電子轉(zhuǎn)向機(jī)Stick-slip噪音機(jī)理分析

前一節(jié)已通過加速度貼片測試客觀測量單齒輪電子轉(zhuǎn)向機(jī)的振動情況，確認(rèn)了Stick-slip噪音來自于壓塊區(qū)域，進(jìn)而輻射影響至齒條襯套區(qū)域與拉桿區(qū)域。考慮到壓塊、殼體和齒條之間的配合緊密，運動過程中零件接觸表面并不能達(dá)到理想狀態(tài)下的光滑無摩擦，因此當(dāng)兩接觸表面之間處于干摩擦、邊界潤滑或者混合潤滑的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)向過程需要克服接觸滑動副的表面不平整性，導(dǎo)致摩擦力波動，當(dāng)摩擦力波動足夠劇烈時則會產(chǎn)生持續(xù)的粘滯現(xiàn)象。即使在測試階段保持穩(wěn)定的勻速轉(zhuǎn)向，但相互接觸的滑動副表面不穩(wěn)定的摩擦振動會導(dǎo)致噪聲，通常被稱為Stick-slip噪聲。為了進(jìn)一步確認(rèn)轉(zhuǎn)向機(jī)發(fā)生Stick-slip噪音的位置，利用故障樹方法對噪聲涉及的零部件進(jìn)一步劃分，不僅僅可以確定噪音的直接影響因素，還可以不斷細(xì)化分析影響因素所指向的零部件，為后面優(yōu)化單齒輪電子轉(zhuǎn)向機(jī)Stick-slip噪音問題提供思路，其中故障樹問題分支圖如圖4所示。

根據(jù)異響故障樹的多層次分析可知，壓塊區(qū)域是產(chǎn)生異響的最主要區(qū)域，以壓塊區(qū)域為主進(jìn)行發(fā)散可間接影響齒條襯套區(qū)域和拉桿球頭。想要解決Stick-slip異響，便要從壓塊區(qū)域上進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)加速度貼片測試中壓塊軸向振動結(jié)果遠(yuǎn)高于正常水平的結(jié)果，可推測壓塊處存在摩擦力波動進(jìn)而導(dǎo)致了Stick-slip噪音問題。首先考慮到壓塊與殼體之間只會發(fā)生沿著齒條徑向的運動，與實際加速度貼片測試結(jié)果的軸向振動不符，因此排除殼體與壓塊之間的摩擦影響，確定為壓塊與齒條兩個零部件之間的問題而產(chǎn)生異響，為下一節(jié)提出噪音優(yōu)化方案作鋪墊。

4 單齒輪電子轉(zhuǎn)向機(jī)Stick-slip噪音優(yōu)化方案

由第三節(jié)Stick-slip噪音機(jī)理故障樹分析示意圖可知，單齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)Stick-slip噪音優(yōu)化方向主要為壓塊區(qū)域。根據(jù)Stick-slip噪音運動學(xué)機(jī)理可知需要從摩擦系數(shù)?的角度進(jìn)行研究分析，多方面采取措施減小摩擦系數(shù)，因此選取零件表面粗糙度因素和零件潤滑因素兩個方面提出優(yōu)化方案來減小或抑制Stick-slip噪音。為了驗證優(yōu)化方案的可行性，搭建了如圖5所示的試驗臺架，將兩根齒條與臺架配合，其中裝有壓塊襯片的壓塊與齒條配合，同時在三個固定點處設(shè)定繩牽正壓力的大小分別為2000N和4000N。實驗過程中利用液壓缸前后推動，觀察測量十組樣件壓塊滑移力具體數(shù)值結(jié)果，用于測試不同方案下摩擦系數(shù)結(jié)果對比，從而驗證該方案的可行性。

4.1 壓塊表面粗糙度

由于不同廠家生產(chǎn)的壓塊所使用的材料不同，其硬度及表面粗糙度也不盡相同。當(dāng)壓塊表面粗糙度較大時，壓塊與齒條之間的相互接觸和摩擦不僅僅會導(dǎo)致兩個部件接觸面之間的磨損還會在粘滯振動趨于飽和時發(fā)生Stick-slip噪音，因此在為轉(zhuǎn)向機(jī)選擇壓塊時，應(yīng)當(dāng)在預(yù)算范圍內(nèi)盡量選擇表面粗糙度較低的優(yōu)化壓塊，如圖6所示。優(yōu)化壓塊會在襯片外層包裹一層潤滑平整的PTFE材質(zhì)，從而降低與齒條之間的摩擦力，與現(xiàn)用壓塊之間的摩擦系數(shù)對比情況如圖7所示。

4.2 齒背粗糙度

齒條在轉(zhuǎn)向過程中齒背直接接觸壓塊，因此當(dāng)齒條表面出現(xiàn)磨損或是工藝缺陷時，不僅會提高整車負(fù)載狀態(tài)下發(fā)生NVH噪音的可能性，還會影響轉(zhuǎn)向過程中駕駛員原本平穩(wěn)順滑的轉(zhuǎn)向手感。齒背表面上容易出現(xiàn)頻率較高的規(guī)律性條紋磨損，如圖8所示，其主要產(chǎn)生原因是由于感應(yīng)淬火引起，應(yīng)當(dāng)及時調(diào)整拋光輪的線速度和進(jìn)給速度可有效改善其表面質(zhì)量，降低與壓塊之間的摩擦，進(jìn)而降低Stick-slip噪聲。

4.3零件潤滑因素

除了針對性更換優(yōu)化壓塊，本文還對抱怨件進(jìn)行拆解，觀察壓塊零件狀態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)壓塊襯片儲存油脂量過少，如圖9所示。當(dāng)壓塊襯片儲油槽的儲油量降低后，壓塊襯片接觸面與齒條接觸面在轉(zhuǎn)向過程中摩擦系數(shù)增大，齒背和壓塊之間更容易因滑動副表面不穩(wěn)定的摩擦振動而增大Stick-slip噪音。為了確定壓塊在潤滑狀態(tài)下與非潤滑情況下的摩擦系數(shù)，使用圖9所示的試驗臺架隨機(jī)抽取十個同批次樣件測試現(xiàn)用壓塊在涂油與不涂油兩種方案下的摩擦系數(shù)，從而驗證零件潤滑因素同樣對Stick-slip噪音存在較大的影響，實驗結(jié)果如圖10所示。根據(jù)實驗結(jié)果可以得知，涂油后壓塊與齒條之間的摩擦系數(shù)明顯低于未涂油情況，說明壓塊涂油后可有效降低齒條與壓塊之間的摩擦力，減小發(fā)生摩擦自激振動的可能性，進(jìn)而減小或抑制Stick-slip噪音。

經(jīng)過臺架測試結(jié)果可知，良好的潤滑條件可以有效降低Stick-slip噪音風(fēng)險，因此將壓塊襯片表面由原本的四點涂油法更新至中心涂油法，如圖11所示。中心涂油法相較于四點涂油法的優(yōu)勢在于既可以保證注油量的充足也可以確保轉(zhuǎn)向過程中壓塊與齒條都可以均勻地覆蓋油脂，盡可能地發(fā)揮油脂減噪性的優(yōu)點。

5 結(jié)論

為了解決轉(zhuǎn)向機(jī)異響原因復(fù)雜難排查、難解決的問題，本文以MSG單齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)測試駕駛員抱怨的換向異響問題為切入點，采用加速度貼片測試法確定換向異響區(qū)域，根據(jù)測試結(jié)果推斷出該異響類型為Stick-slip噪聲。然后利用故障樹方法對Stick-slip噪音影響區(qū)域進(jìn)行梳理和機(jī)理分析。最后從零件表面粗糙度因素和零件潤滑因素兩個方面提出優(yōu)化方案來減小或抑制Stick-slip噪音，為類似轉(zhuǎn)向機(jī)噪音問題的解決提供一定的理論參考。

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