轉向器異響及優化設計

摘 要：轉向異響是轉向器故障的常見的故障，引起故障原因主要有設計不合理、制造過程不符合工藝引起。本文為對生產過程中不符合工藝引起的一種異響進行原因分析和優化，從而解決異響問題。

關鍵詞：齒輪齒條轉向器 異響 優化設計

1 前言

現在大部分乘用車基本都使用電動助力轉向系統，在電動轉向系統中，C-EPS是最便宜的，所以大部分都使用C-EPS轉向系統，該系統主要由電動助力轉向管柱和齒輪齒條式轉向器構成。齒輪齒條式轉向器具有結構簡單、重量輕、傳動效率高、成本低等特點，在轎車及SUV車型上廣泛應用，但異響問題一直都伴隨著齒輪齒條轉向器，通過這么多年解決異響問題的經驗積累和優化，基本已規避了大部分，但新開發轉向器仍時有發生異響。

1.1 齒輪齒條式轉向器的優點

與其他形式的轉向器相比，齒輪齒條轉向器具有以下優點：體積小、結構簡單緊湊、殼體可采用鋁合金或鎂鋁合金鑄造而成，轉向器的質量小；制造成本低；傳動效率高達85%。

1.2 齒輪齒條式轉向器的缺點

因為此類轉向器的逆效率高（70%左右），汽車在不平路面行駛時，發生在轉向輪和路面之間的沖擊力，大部分都能傳到方向盤，這會使駕駛員感覺到很明顯的不平路面對方向盤的沖擊，駕駛員容易疲勞經過凹凸不平路面，轉向盤的突然轉動會造成打手；另外，機械轉向器內各部件基本都為剛性連接或接觸，當加工精度不夠的時候容易產生異響，異響是機械轉向器極易發的故障。

2 異響原因分析

2.1 某車型齒輪齒條轉向器的異響癥狀

當向左慢速轉向時，會發生清脆的異響聲。有3臺故障轉向器裝車結果全行程皆有可能發生異響，無固定異響點，該件生產批次雖不同，但是生產時間相差不是太大，都在在6個月以內。下文是對此異響進行拆解分析的過程。

2.2 嚙合間隙過大引起的異響排查

首先進行嚙合間隙檢測，內核間隙檢測主要檢測嚙合間隙及波動、齒條移動力及波動，嚙合間隙及波動可直觀的反饋其配合情況，為異響源判斷提供直接的依據。齒輪齒條嚙合間隙一般要求≤0.08mm，過大則容易產生異響，同時也不能太小，太小則會導致齒條移動力過大，影響整車轉向手力及回正效果。因此使用嚙合間隙及波動、齒條移動力及波動參數來控制器間隙，達到需要的效果。

機械轉向器齒輪齒條間隙過大異響的原因主要有以下幾點。

（1）調整彈簧預緊力和剛度過小：調整彈簧預緊力過小，直接導致齒輪齒條間隙達不到要求，從而引起異響。現在生產過程中齒輪齒條間隙值為100%檢測。調整彈簧剛度過小，則會在齒條使用磨損后，不能很好的彌補其間隙，使得間隙過大產生異響。

（2）齒輪齒條的磨損：?齒輪齒條在車輛使用過程中，由于長期摩擦和沖擊作用，?會導致齒輪齒條端面磨損，?引起間隙變大，從而?在轉向時產生異響。

（3）齒條軸與襯套間隙過大：?齒條軸與襯套間設計時設計有一定的間隙， ?然而?如果間隙由于其他原因導致此間隙過大，?就會容易導致齒條震動或共振，?進而產生異響。?引起間隙過大原因可能是由于產品設計不合理或者或加工精度不符合要求，?或者是零部件過度磨損所導致。?

調整彈簧只能在一定的間隙內使齒輪齒條嚙合間隙達到規定要求，如果嚙合間隙超過其補償范圍值，則需要重新調整調整螺栓，補償彈簧預緊力，?以保證齒輪齒條始終處于最佳嚙合狀態。

圖1為轉向器間隙調整機構：

故障件間隙檢測，檢查結果如下表1：

經過檢測，各性能參數符合設計要求，排除齒輪齒條間隙過大導致異響。

2.3 小齒輪竄動檢測

小齒輪竄動引起異響原因主要包括轉向器滾針軸承和滾珠軸承設計選型不合理，及軸承與軸承擋圈間隙設計不合理，導致小齒輪耐久強度滿足不了要求而損壞，或軸承與軸承擋圈間隙過大，小齒輪沿軸向竄動，引起異響。

2.3.1 向器滾針軸承和滾珠軸承設計選型不合理

滾針軸承和滾珠軸承型號選用不合理，軸向及徑向力滿足不了使用需求，導致軸承損壞，從而引起上下竄動。軸承選型需根據齒條力大小計算分析來確定。

齒輪的受力分析：在斜齒輪傳動中，作用于齒面上的法向載荷Fn沿徑向分解為Fr和沿軸向分解為Fa，及分解為沿齒輪的周向分力（圓周力）Ft，如下圖3。

各力大小為：

Ft=2T1/d1

F′=Ft/cosβ

Fr=F′tanαn=Ft*tanαn/cosβ

Fn=F′/cosαn

式中：β——節圓螺旋角，對標準斜齒輪即分度圓螺旋角；

αn——法面壓力角

αt——端面壓力角

βb——嚙合平面螺旋角

T1——齒輪扭矩

d1——節圓直徑

由上公式可計算出齒輪軸向力Fa，由于小齒輪的軸向力完全由滾珠軸承承擔，因此在計算的基礎上，選擇一定安全系數，確定齒輪軸向力后選擇合適的滾珠軸承。

小齒輪徑向力Fr分別由滾珠軸承和滾珠軸承共同承擔，承擔比例根據齒輪齒條嚙合位置而變化，通過滾珠軸承和滾針軸承到嚙合線的距離分配其載荷大小，同時需留一定的后備系數。

2.3.2 故障件小齒輪竄動量檢測

檢查結果如下表2：

經過檢查，小齒輪竄動量檢測滿足要求，排除小齒輪由于上下竄動導致異響。

2.4 軸承游隙引起異響檢測

2.4.1 軸承負游隙會產生異響的原理

軸承負游隙會產生異響的原理主要涉及到軸承內部結構的配合和運動狀態。

軸承游戲定義：將軸承內圈或外圈的一方固定，然后使未被固定的一方做徑向或軸向移動時的移動量，叫軸承游隙。如果得內圈或外圈被施加其他額外力，導致內外圈之間存在彈性變形，形成了負游隙。

軸承游隙?對于軸承的正常運行十分重要。?適當的游隙可以確保軸承內部的滾動體在運轉時能夠自由滾動，?減少摩擦和磨損，?從而保持軸承的穩定性和壽命。?然而，?當軸承存在負游隙時，會導致以下問題。?

摩擦力加大：?負游隙由于有其他預緊力存在，使得滾動體與內外圈之間的摩擦力加大，會導致軸承在運轉時產生額外的熱量，?加速軸承材料的磨損。?

運動不平穩：?由于游隙過小，?滾動體在運轉過程中可能無法自由滾動，?從而導致運動不平穩，?這種不平穩的運動會引起振動和噪音。?

負荷分布不均：?負游隙可能導致軸承內部負荷分布不均勻，?部分滾動體承受過大的壓力，?加速了其磨損和損壞。?

以上這些因素作用，使得軸承在轉動時產生異響。因此，保持適當的游隙對于確保軸承的平穩運行和延長使用壽命至關重要。?軸承生產時一般不會有負游隙現象發誰，負游隙一般時裝配軸承時發生，如發現軸承為負游隙，應采取措調整，?以確保其正常運轉。

2.4.2 故障排查

軸承問題首先采用ABA互換齒輪軸合件驗證。

A#、B#、C#件更換齒輪-軸承合件進行裝車驗證，轉向器異響消除，驗證后故障跟隨齒輪-軸承合件轉移，拆解后發現手動改轉動軸承時均有明現卡滯感，表現為某一位置點卡滯。檢測齒輪軸外徑和軸承內徑，發現異響件齒輪軸外徑存在超上差0.001～0.002mm的情況，導致軸承內圈外徑超差，軸承游隙為負游隙。檢測結果如下表3：

2.5 改善措施

對齒輪軸與軸承處的配合尺寸優化，從現有軸外徑Φ22（+0.025/+0.018），優化為Φ22（+0.02/+0.01），減小齒輪-軸承過盈量，采用此配合尺寸的齒輪軸合件裝回原異響轉向器上，異響消失，措施有效。

3 結論

本文通過一個異響故障排查示例，提供了一種故障排查的步驟，同時對制造過程中由于軸承軸加工尺寸不滿足要求，引起與軸承負游隙過大導致異響的原因進行分析，并提出了優化方案，對優化前后相關零部件進行檢測和結果對比。優化后的轉向器異響現象消失，該措施有效。

參考文獻：

[1]王望予.汽車設計[M].北京：機械工藝出版社，2011.

[2]程翔.機械轉向器異響原因分析及優化設計[M].海口：海南省機械共創學會論文集，2012.