劉陽峰 王 京 吳增月 王英歡 劉增利（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)預(yù)緊彈簧對轉(zhuǎn)向器異響的分析

劉陽峰 王 京 吳增月 王英歡 劉增利
（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

本文分析了齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器撞擊音的產(chǎn)生原因，并通過更改壓緊彈簧的結(jié)構(gòu)形式來控制調(diào)整體的壓緊力，進(jìn)而降低齒輪齒條的撞擊音。

齒輪齒條；壓緊彈簧；撞擊音

1 背景

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器以其結(jié)構(gòu)簡單緊湊、重量輕、傳動效率高等優(yōu)點被廣泛的應(yīng)用在乘用車當(dāng)中。汽車轉(zhuǎn)向時，駕駛員通過轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)向力傳遞至轉(zhuǎn)向器的輸入軸，轉(zhuǎn)向器輸入軸與小齒輪為一整體，并且齒輪與齒條相嚙合，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時會帶動齒條產(chǎn)生軸向位移，進(jìn)而操控轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動，帶動車輛轉(zhuǎn)向。但是當(dāng)整車在顛簸路行駛或者整車快速換向時，齒輪齒條會相互撞擊從而產(chǎn)生異響，影響整車品質(zhì)。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)異響產(chǎn)生機(jī)理

現(xiàn)在乘用車普遍采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，主要由小齒輪、齒條、間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)及殼體組成。其中，間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)通常采用螺旋彈簧壓在調(diào)整壓塊上來對齒條施加預(yù)緊力的形式。轉(zhuǎn)向器裝在整車上加載后，齒輪轉(zhuǎn)動時，齒輪齒條嚙合部位會產(chǎn)生驅(qū)動力驅(qū)動齒條軸向移動，但同時也會產(chǎn)生一個沿著齒條徑向的分力，使齒輪齒條之間產(chǎn)生相互分離的趨勢。當(dāng)齒輪齒條處于無負(fù)荷狀態(tài)或小負(fù)荷狀態(tài)下，齒條在間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)的預(yù)緊力作用下克服受到的徑向分離力，此時齒輪齒條處于完全嚙合狀態(tài)；但是當(dāng)駕駛員進(jìn)行緊急避讓動作，或者車輛行駛在顛簸路面時，轉(zhuǎn)向器齒輪齒條將承受較大的沖擊，此時齒輪齒條嚙合時產(chǎn)生的徑向分離力大于調(diào)整體的預(yù)緊力，使得兩者之間產(chǎn)生間隙，當(dāng)突然換向時齒輪齒條之間產(chǎn)生沖擊異響，如圖1所示。

3 異響改善方案

為避免大負(fù)荷時沖擊異響的產(chǎn)生，需將預(yù)緊力加大。根據(jù)胡克定律：F=k*x可知，增加預(yù)緊力的方式有兩種：一是加大彈簧的壓縮行程，由于調(diào)整機(jī)構(gòu)處的間隙非常小，故增加壓縮行程的方案不可行；二是加大彈簧的彈性系數(shù)，此方案具有可實施性。由于調(diào)整結(jié)構(gòu)普遍采用螺旋彈簧，但螺旋彈簧的彈性系數(shù)是定值，即彈簧施加的力與變形量成線性比例增加，提升螺旋彈簧的彈性系數(shù)會導(dǎo)致小負(fù)荷時的預(yù)緊力同時得到增大，過大的預(yù)緊力將導(dǎo)致齒輪齒條嚙合處及調(diào)整體與齒條接觸的部位的摩擦力提高，會導(dǎo)致該處的磨損加劇，進(jìn)而降低產(chǎn)品的可靠性。因此，現(xiàn)在部分轉(zhuǎn)向器總成的調(diào)整機(jī)構(gòu)選擇膜片彈簧來替代螺旋彈簧，膜片彈簧具有變剛性的特性，彈簧強度與變形量存在非線性關(guān)系，當(dāng)變形量加大時，彈性系數(shù)會增加，進(jìn)而加大預(yù)緊力，如圖2所示。通過計算選取合適的膜片彈簧，可同時滿足轉(zhuǎn)向器在不同負(fù)荷時對預(yù)緊力的要求。

4 試驗分析

對齒輪齒條受力進(jìn)行驗證分析：首先進(jìn)行間隙測試，當(dāng)齒條處于中間位置，在齒條徑向施加與預(yù)緊彈簧相反的力，使壓塊與調(diào)整螺母接觸，測量設(shè)備指針與壓塊接觸，標(biāo)定此時的壓塊間隙為0。釋放齒條上的徑向力，此時在預(yù)緊彈簧的壓力下，壓塊與調(diào)整螺母之間產(chǎn)生間隙，此處測得的壓塊唯一變化量即壓塊間隙，由于壓塊間隙越大齒輪齒條嚙合間隙過小，從而間接測量出齒輪齒條嚙合的間隙。

然后進(jìn)行換向模擬測試：將轉(zhuǎn)向器固定在臺架上，齒條兩端加載荷，快速換向，同時記錄齒輪齒條嚙合間隙數(shù)值。在轉(zhuǎn)向機(jī)換向瞬間，壓塊受到一個向外的力，使壓塊向外運動，此時壓塊間隙減小，即齒輪齒條嚙合間隙增大。

以某款車型為例：齒條最大輸出力為7150N，通過力矩平衡計算，正常轉(zhuǎn)向過程中齒輪齒條產(chǎn)生的沿齒條徑向的分離力為300N，此時螺旋彈簧預(yù)緊力與膜片彈簧預(yù)緊力基本一致，均能滿足轉(zhuǎn)向器的需要，使齒輪齒條處于接觸狀態(tài)或小間隙狀態(tài)；當(dāng)車輛進(jìn)行緊急避讓時或行駛在顛簸路面時，齒條承受劇烈的沖擊，此時壓塊間隙迅速間隙，即齒輪齒條嚙合間隙加大，所需要的預(yù)緊力為1150N，螺旋彈簧已不能滿足需求，齒輪齒條產(chǎn)生較大的間隙，導(dǎo)致異響產(chǎn)生，但膜片彈簧的變剛性特性則能夠滿足所需的預(yù)緊力，會保證齒輪齒條的解除狀態(tài)或者小間隙狀態(tài)，進(jìn)而消除異響。

5 結(jié)論

對于小型車輛，車輛的前軸載荷較小，轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向時的負(fù)載偏小，轉(zhuǎn)向器的調(diào)整機(jī)構(gòu)采用螺旋彈簧就能夠提供合適的壓緊力以保證整車在顛簸路面行駛時或進(jìn)行緊急避讓時不會產(chǎn)生異響問題。但對于載荷較大的車型，由于其前軸載荷較大會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器在轉(zhuǎn)向過程中有一個較大的負(fù)載，此時如果轉(zhuǎn)向器調(diào)整機(jī)構(gòu)仍采用螺旋彈簧來提供預(yù)緊力，是不能滿足整車在壞路上行駛時保證齒輪齒條具有較小間隙的預(yù)緊力的，故需要使用具有變彈性系數(shù)的膜片彈簧來作為壓緊彈簧，進(jìn)而消除快速換向及顛簸路行駛時的沖擊異響問題。

[1]張鐵山，孫寧，劉科陽.齒輪齒條調(diào)整體rattle噪音分析與研究[J].第十屆河南省汽車工程技術(shù)研討會：162-163.

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