王文龍，陳自新

（華晨汽車工程研究院 路試處，遼寧 沈陽 100141）

汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問題分析研究

王文龍，陳自新

（華晨汽車工程研究院 路試處，遼寧 沈陽 100141）

以某A0級(jí)轎車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對(duì)象，闡述了排查汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問題的一般方法，之后對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，最后對(duì)各關(guān)鍵部件異響的形成機(jī)理進(jìn)行了研究，形成了分析排查電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響的一般流程，具有一定的參考意義。

汽車；電動(dòng)轉(zhuǎn)向；異響

CLC NO.:U463.4Document Code:BArticle ID:1671-7988(2014)07-21-03

前言

車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車中重要的底盤結(jié)構(gòu)，隨著對(duì)汽車駕駛舒適性和安全性要求的提高以及轉(zhuǎn)向技術(shù)的不斷發(fā)展，助力轉(zhuǎn)向已經(jīng)漸漸取代了傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向。當(dāng)今中國較為流行的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分別為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以56.6%的市場(chǎng)份額占據(jù)著中國汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主動(dòng)地位，電動(dòng)助力和電子液壓助力系統(tǒng)分別占24.8%和10.5%。三大助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在未來的占有率將會(huì)不斷攀升，預(yù)計(jì)2015年在中國汽車行業(yè)的占有率將超過40%，而在乘用車市場(chǎng)將會(huì)更高【1】。

本文以某A0級(jí)車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對(duì)象，參考產(chǎn)品驗(yàn)證階段規(guī)范要求和客戶實(shí)際駕駛操作習(xí)慣，對(duì)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)異響的發(fā)生機(jī)理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并探討了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可靠性因素對(duì)轉(zhuǎn)向異響的影響，為電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了一定的參考意義。

1、汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問題分析的一般方法

本文所研究的電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)搭載于某A0級(jí)轎車上，助力電機(jī)布置在轉(zhuǎn)向管柱上，按照助力單元布置位置劃分，屬于C-EPS類型。電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由電動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)中間軸和機(jī)械轉(zhuǎn)向器組成，如圖1所示：

轉(zhuǎn)向管柱總成主要由轉(zhuǎn)向柱管、轉(zhuǎn)向軸、助力電機(jī)和電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器等零部件組成。轉(zhuǎn)向器總成主要齒輪軸、轉(zhuǎn)向殼體、轉(zhuǎn)向齒條和轉(zhuǎn)向拉桿組成。轉(zhuǎn)向管柱與轉(zhuǎn)向器之間由中間傳動(dòng)軸通過螺栓進(jìn)行連接。理論分析和試驗(yàn)表明：轉(zhuǎn)向異響的根本原因是連接部件之間的間隙或是嚙合部件的傳動(dòng)不連續(xù)。所以在對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問題進(jìn)行排查分析的時(shí)

候，重點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)的連接區(qū)域進(jìn)行分析，考察其異響可能性。

電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的異響問題可按其形成機(jī)理分為常規(guī)轉(zhuǎn)向異響和助力轉(zhuǎn)向異響。常規(guī)轉(zhuǎn)向異響指的是電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)時(shí)存在的機(jī)械異響，此時(shí)的異響是由機(jī)械結(jié)構(gòu)傳遞力或扭矩時(shí)存在間隙導(dǎo)致的，可通過臺(tái)架對(duì)管柱、中間傳動(dòng)軸和轉(zhuǎn)向器逐一進(jìn)行鑒定。助力轉(zhuǎn)向異響指的是電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)存在的異響，此時(shí)的異響排查需要借助于常規(guī)轉(zhuǎn)向異響的排查方案和步驟，常規(guī)轉(zhuǎn)向異響可導(dǎo)致助力轉(zhuǎn)向異響，也就是說，診斷助力異響問題時(shí)需要保證不存在常規(guī)轉(zhuǎn)向異響，否則會(huì)對(duì)助力轉(zhuǎn)向異響的排查形成干擾。

2、電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)易形成異響部件的結(jié)構(gòu)特征

前文所述，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的異響原因主要來自于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)的連接部位，其關(guān)鍵連接關(guān)鍵點(diǎn)可分為以下六個(gè)部分，如圖2所示：

2.1 上轉(zhuǎn)向軸

按照整車安全性能的要求，需要在車輛發(fā)生碰撞時(shí)對(duì)駕駛員進(jìn)行保護(hù)，故轉(zhuǎn)向管柱需要設(shè)計(jì)成可潰縮式，以保證在受到軸向壓縮力（碰撞時(shí)駕駛員對(duì)方向盤沖擊的分力）時(shí)方向盤可以向下移動(dòng)，同時(shí)吸收掉一部分駕駛員的沖擊能量，以減少駕駛員受傷害程度。

2.2 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)

蝸輪蝸桿又稱為減速機(jī)構(gòu)，主要功用是改變助力電機(jī)扭矩方向和減速增扭。蝸輪蝸桿只在電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時(shí)進(jìn)行大扭矩傳動(dòng)，蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)如圖3所示，考慮傳動(dòng)時(shí)降低噪聲、吸收震動(dòng)，蝸輪連接部位多采用尼龍材料。尼龍材料的耐磨損性能不及蝸桿，所以工作一段時(shí)間后，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的間隙會(huì)有一定程度的增大，蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)如圖3所示。

對(duì)性能要求高的產(chǎn)品會(huì)考慮在蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)上增加一個(gè)間隙補(bǔ)償裝置，以保證蝸輪蝸桿的傳動(dòng)間隙一直處于一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間，提高耐磨損性能【2】。

2.3 管柱輸出軸與節(jié)叉連接處、中間傳動(dòng)軸伸縮處、節(jié)叉與齒輪軸連接處

此三處連接均是花鍵連接、螺栓擰緊的結(jié)構(gòu)，節(jié)叉示意圖如圖4所示：

花鍵和螺紋的參數(shù)及精度對(duì)轉(zhuǎn)向性能及可靠性能有很大的影響。

2.4 齒輪齒條連接處

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時(shí)，轉(zhuǎn)向器齒輪軸與齒條嚙合傳動(dòng)，在這個(gè)過程中，齒條受到軸向推拉力的同時(shí)，還受到來自齒輪軸的徑向推力。受此推力影響，齒條會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)離齒輪軸的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，為此，在齒條后部裝有推力彈簧和支撐座，以保證齒輪齒條傳動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定壓緊力，最終保證轉(zhuǎn)向器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)性能最佳。

3、電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響形成機(jī)理及排查流程

電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征是密切相關(guān)的，連接部位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)異響問題的促成有重要的意義。主要連接部位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如前文所述，其各部位異響形成機(jī)理如下：

3.1 上轉(zhuǎn)向軸

為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱可以進(jìn)行潰縮，上轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸要做成軸向可滑動(dòng)式，如圖3所示，此上下軸采用內(nèi)外花鍵連接，在傳遞扭矩的同時(shí)可吸收軸向位移。如果此處花鍵參數(shù)設(shè)置不合理、質(zhì)量控制不精準(zhǔn)或密封措施失效，均會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生“咯噔”異響。

此處異響排查可利用臺(tái)架完成：首先將管柱裝在臺(tái)架上，將管柱輸出軸鎖死并固定于臺(tái)架上。其次，按照逐漸變大的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)動(dòng)行程轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，仔細(xì)聆聽是否存在“咯噔”

異響以及響聲頻率，同時(shí)感受方向盤上的振動(dòng)情況。如果試驗(yàn)過程中存在異響，且響聲與方向盤上的振動(dòng)同頻率增大，可判定轉(zhuǎn)向軸連接處存在間隙，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向異響。

3.2 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)

蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)主要由蝸輪和蝸桿兩部分組成，如圖5所示：

在產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)蝸輪與蝸桿在徑向上的間隙需要嚴(yán)格進(jìn)行控制（無間隙補(bǔ)償機(jī)構(gòu)），主要是由于蝸輪蝸桿在大負(fù)荷作用下會(huì)生熱，而蝸輪材料尼龍受熱膨脹率要明顯高于蝸桿，蝸輪受熱膨脹后使蝸輪蝸桿間隙減小，滾動(dòng)阻力加大，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)向性能。所以產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)會(huì)將此間隙控制在一個(gè)區(qū)間，過大會(huì)造成異響，過小會(huì)影響轉(zhuǎn)向性能。車輛行駛一定里程后，蝸輪材料會(huì)發(fā)生磨損，間接造成間隙增大，產(chǎn)生異響。

蝸桿與蝸輪嚙合后的軸向齒間間隙過大也會(huì)造成轉(zhuǎn)向換向時(shí)的異響，需要嚴(yán)格控制蝸輪和蝸桿齒形的參數(shù)和精度。

此處異響排查要借助于排查上轉(zhuǎn)向軸異響時(shí)使用的臺(tái)架，安裝固定方式不變，將電動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱工作所需的電源以及信號(hào)模擬出來，并輸入到控制器中，使電動(dòng)轉(zhuǎn)向處于工作狀態(tài)。如果只有在電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時(shí)才存在異響，則說明異響問題出自蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。

3.3 中間傳動(dòng)軸

中間傳動(dòng)軸通過兩端節(jié)叉的三角花鍵將轉(zhuǎn)向管柱輸出軸與轉(zhuǎn)向器齒輪軸連接起來，并利用三個(gè)螺栓將中間軸緊固于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中。三角花鍵、螺栓和螺紋的參數(shù)以及強(qiáng)度對(duì)轉(zhuǎn)向性能和耐久性能有著重要的影響。十字軸與節(jié)叉的配合尺寸以及裝配對(duì)也直接關(guān)系著轉(zhuǎn)向性能。

此處異響問題的排查：需要一套能夠?qū)⒐苤凑照囇b配角度固定的臺(tái)架，同時(shí)需要一套無異響問題的轉(zhuǎn)向管柱（這種方式較為方便）。管柱（帶中間傳動(dòng)軸）固定于臺(tái)架上，將轉(zhuǎn)向器齒輪軸按整車位置及角度焊接在臺(tái)架上，連接中間傳動(dòng)軸和齒輪軸，即：中間傳動(dòng)軸按照整車相位角進(jìn)行布置。具體的異響驗(yàn)證手段與上轉(zhuǎn)向軸的驗(yàn)證手段相同，如果試驗(yàn)過程中存在異響，且響聲與方向盤上的振動(dòng)同頻率增大，可判定是中間傳動(dòng)軸導(dǎo)致轉(zhuǎn)向異響。

3.4 轉(zhuǎn)向器齒輪齒條間隙

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器通過齒輪傳動(dòng)將齒輪軸的扭矩轉(zhuǎn)變成齒條軸向的推拉力。齒輪齒條嚙合工作時(shí)，齒輪齒條的中心距在實(shí)時(shí)發(fā)生變化，車輛行駛一定里程后，支撐彈簧受疲勞和耐久性能影響會(huì)發(fā)生變形，此變形直接影響齒輪齒條間隙量，從而導(dǎo)致異響。

除此之外，轉(zhuǎn)向器殼體的支撐座安裝孔內(nèi)徑、支撐座外徑、0型圈耐久性能、齒條襯套尺寸以及齒輪軸軸向鉚接質(zhì)量都會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向基本性能產(chǎn)生影響，甚至導(dǎo)致轉(zhuǎn)向異響。

排查此處異響所需的臺(tái)架只需將排查中間傳動(dòng)軸異響的臺(tái)架中的齒輪軸（焊接于臺(tái)架上）去除，取而代之將問題轉(zhuǎn)向器固定于該位置，即：將整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照整車角度布置，同時(shí)將轉(zhuǎn)向器外拉桿球頭固定于試驗(yàn)臺(tái)架上。具體的異響驗(yàn)證手段與前者的驗(yàn)證手段相同。

綜上所述，汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響的排查流程圖6所示：

4、結(jié)束語

轉(zhuǎn)向異響是工程實(shí)際中經(jīng)常遇到的問題，異響的來源和產(chǎn)生機(jī)理也千差萬變。本文根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，初步建立起一套分析排查異響的方法。從常規(guī)轉(zhuǎn)向異響和助力轉(zhuǎn)向異響兩個(gè)方面進(jìn)行分析，從各連接點(diǎn)傳動(dòng)副的連接形式以及配合方式出發(fā)，對(duì)異響的產(chǎn)生機(jī)理和解決方式進(jìn)行了較全面闡述說明。

經(jīng)過幾個(gè)整車項(xiàng)目的電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)驗(yàn)證表明，這套分析流程可以排查工程實(shí)際中大部分轉(zhuǎn)向異響問題。對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有著一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。當(dāng)然，由于目前的工程經(jīng)驗(yàn)還不夠豐富，還有很多細(xì)節(jié)問題有待繼續(xù)探索。在今后的工作研究過程中，還會(huì)對(duì)該分析體系不斷的改進(jìn)和完善。

[1] 2011-2012年中國汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)行業(yè)研究報(bào)告[R].水清木華研究中心，2008.3.

[2] 侯宇. EPS系統(tǒng)特性匹配及其評(píng)價(jià)技術(shù)研究[D].吉林大學(xué)工程碩士論文,2012.4.

Noise Research of Vehicle EPS System

Wang Wenlong, Chen Zixin

（Brilliance Automotive Engineering Research Institute Product Verification Section, Liaoning Shenyang 110141）

EPS noise was analyzed in this text based on A0 vehicle. Firstly, some methods about EPS noise analysis was described, then do some research on the key structure of EPS. At last, given a detailed describe of EPS noise analysis and form a process , which is very useful to Engineering practice.

Vehicle；EPS；Noise

U463.4

B

1671-7988(2014)07-21-03

王文龍，就職于華晨汽車工程研究院。