于潮，張林濤，王仁廣

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

某乘用車轉(zhuǎn)向卡滯原因分析

于潮，張林濤，王仁廣

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

針對某量產(chǎn)乘用車型使用過程中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向卡滯問題，建立仿真模型并進行實際測試分析，主要通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)計算、轉(zhuǎn)向橫拉桿受力測試、失效轉(zhuǎn)向器檢查、轉(zhuǎn)向器試驗等措施，最終明確了轉(zhuǎn)向卡滯產(chǎn)生的具體原因，為問題的解決和質(zhì)量改進提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

轉(zhuǎn)向機；卡滯；轉(zhuǎn)向橫拉桿

0 引言

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是影響汽車主動安全性的重要因素之一，但設(shè)計制造等方面的細節(jié)考慮不周可能導(dǎo)致一些嚴重質(zhì)量問題。根據(jù)市場反饋：大約7%的某量產(chǎn)乘用車A1的轉(zhuǎn)向器出現(xiàn)齒輪齒面損壞和卡滯，存在安全隱患。初步分析過程中，轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)廠家認為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置存在問題從而惡化了轉(zhuǎn)向器工作狀態(tài)。為了最終解決此問題，設(shè)計人員對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重新進行設(shè)計校核，并進行轉(zhuǎn)向橫拉桿、撓性萬向節(jié)阻滯力矩等實際測試，最終確定問題原因是轉(zhuǎn)向器造成的，并提出了具體的改進意見。

1 整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)計算

利用多系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件，對A1前懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各參數(shù)進行建模仿真，獲得相關(guān)參數(shù)的變化曲線。具體結(jié)果如下：

1.1 轉(zhuǎn)向輪上下跳動40 mm前輪定位參數(shù)變化

(1)外傾角變化范圍:-0.035°～0.05°;

(2)前束變化范圍:1.4°～-0.26°;

(3)主銷后傾角范圍:3.13°～3.78°;

(4)半輪距范圍:下跳行程4.5 mm,其值小于5 mm,上跳行程0.25 mm,其值小于2.5 mm,符合操穩(wěn)要求;

(5)側(cè)傾轉(zhuǎn)向小于0.2°/(°),屬于不足轉(zhuǎn)向效應(yīng);

(6)后傾拖距變化:21.6～24.8 mm,符合上跳增加趨勢,防止制動側(cè)滑跑偏;

(7)主銷偏置距變化:11.26～13 mm;

(8)懸架垂直剛度變化:35～28 N/mm;

(9)側(cè)傾角剛度變化:(1.05～0.95)×106N·mm/(°);

(10)懸架單位側(cè)向力轉(zhuǎn)向角變化:(6.3～7.7)×10-4(°);

(11)輪胎接地點橫向滑移量變化:-3.6～2.8 mm;

(12)輪胎接地點縱向滑移量:0.475～0.775 mm。

根據(jù)以上計算結(jié)果判定，前懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所確定的前輪定位參數(shù)和前輪姿態(tài)變化均在合理范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求。

1.2 轉(zhuǎn)向輪上跳160 mm下跳100 mm對懸架參數(shù)變化的影響

從得到的懸架參數(shù)變化曲線來看：(1)主銷后傾角變化曲線連續(xù)平滑;(2)前束變化曲線連續(xù)平滑;(3)前輪外傾變化曲線連續(xù)平滑。這說明前懸架在大幅度跳動過程中，定位參數(shù)變化曲線平順，說明前懸架沒有運動死點。

1.3 轉(zhuǎn)向梯形驗證

通過轉(zhuǎn)向梯形運動分析得到的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系具體如圖1所示。

可以看出：理想曲線與仿真曲線基本符合，內(nèi)外輪運動關(guān)系協(xié)調(diào)。

2 轉(zhuǎn)向橫拉桿液壓系統(tǒng)校核和受力分析

2.1 橫拉桿受力估算及液壓系統(tǒng)流量校核

通過對轉(zhuǎn)向橫拉桿進行受力分析，得到：(1)輪胎受側(cè)向沖擊載荷F時，橫拉桿受最大沖擊載荷，其關(guān)系為0.63F,假定輪胎受側(cè)向沖擊載荷為前軸負載980×9.8 N(兩驅(qū))時，橫拉桿受沖擊載荷為617.4×9.8 N；(2)側(cè)向沖擊載荷為前軸負載1 070×9.8 N(四驅(qū))時，橫拉桿受沖擊載荷為674.1×9.8 N。

按照SAE標準，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的最小流量Q應(yīng)滿足如下要求：以540°/s的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動方向盤時，系統(tǒng)流量Q應(yīng)大于單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)向器活塞移動所形成的空間體積V。如系統(tǒng)流量Q不能補充該空間的體積V時，液壓助力程度將減弱，也就是說驅(qū)動車輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的力矩通過齒輪齒條直接傳遞，造成齒輪齒條負載過大。

校核得到油泵實際最小流量為72 mL/s，大于活塞移動所形成的空間所需的57.46 mL/s,說明液壓系統(tǒng)匹配合理。

2.2 轉(zhuǎn)向橫拉桿受力測定

該測試在汽車實驗場內(nèi)進行，對7種對比車型的轉(zhuǎn)向橫拉桿的受力情況進行了測試，車輛行駛速度均維持在35～40 km/h，測定結(jié)果見表1。

表1 7種車型轉(zhuǎn)向橫拉桿受力測定結(jié)果

備注：彈性模量取值200 GPa,泊松比取值0.3,應(yīng)力集中系數(shù)1.2。

結(jié)果分析：

(1)橫拉桿受瞬間最大沖擊載荷出現(xiàn)在卵石路面和石塊路面，較A1車受力大的成熟車型有4種：A2原車、RAV4、海獅面包、KIA獅跑，最大超出809 N。其中SUV兩種，皮卡1種。盡管每個車型通過某個較大石塊的概率存在差異，但它們整體上受力都在同一數(shù)量級別，這充分說明A1車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸掛系統(tǒng)的匹配從轉(zhuǎn)向器受力角度來說是一致的，不存在特殊性。

(2)A1車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)因布置原因，增加了角傳動副，但海獅面包也存在這個問題，且海獅面包轉(zhuǎn)向橋負載還大于A1車，其轉(zhuǎn)向橫拉桿受力均大于A1車，但事實證明沒有出現(xiàn)因轉(zhuǎn)向器內(nèi)部失效而卡滯，說明增加角傳動副與否對轉(zhuǎn)向器卡滯無影響。

(3)A2-TD和A1-TD因前橋負荷比A1大一千多牛頓,轉(zhuǎn)向橫拉桿受力較A1大128×9.8 N，仍使用A1轉(zhuǎn)向器存在風(fēng)險。

通過以上對整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和前懸掛的模擬計算和實車檢測，均說明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置合理，不會因系統(tǒng)的緣故引起轉(zhuǎn)向器工況惡化而出現(xiàn)卡滯。轉(zhuǎn)向器與整車匹配與否，是從轉(zhuǎn)向器的傳動比、行程、助力特性等影響整車操縱方面來說，轉(zhuǎn)向器內(nèi)部損壞應(yīng)該從轉(zhuǎn)向器本身來找原因。

3 失效轉(zhuǎn)向器檢查

3.1 小齒輪金相、硬度、淬火層深檢查

小齒輪齒部淬透，金相組織為細密針狀馬氏體，硬度為HRC54.2～56.9，符合設(shè)計規(guī)范，小齒輪如圖2所示。根據(jù)檢測結(jié)果，小齒輪螺旋角α=37°和齒圈跳動、齒條斜角β=17°、殼體安裝角20°均符合設(shè)計規(guī)范，不會因制造誤差引起齒條齒輪嚙合出現(xiàn)咬齒頂、點接觸等缺陷。

3.2 轉(zhuǎn)向器失效原因分析

小齒輪、齒條螺旋角設(shè)計取值過大，齒條每移動1個齒(節(jié)距)，在齒面上將產(chǎn)生2.033 mm的軸向滑移，滑動摩擦過大，造成齒輪齒條早期磨損失效。

轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)存在缺陷，具體如圖3所示。

齒輪軸軸向間隙引起齒輪軸軸向竄動，加上本來就存在的較大軸向滑移，加速齒面磨損，甚至齒面非正常接觸，出現(xiàn)咬傷。

3.3 未卡滯和卡滯轉(zhuǎn)向器對比

拆解行駛70 057 km后的A1轉(zhuǎn)向器檢查，結(jié)果如下：

(1)小齒輪磨損均勻，齒條中間常用齒面呈局部單邊(齒寬方向)磨損，未出現(xiàn)幾千公里就出現(xiàn)的齒面咬傷。

(2)拔出轉(zhuǎn)向器齒條后，拉動齒輪軸，從殼體尾部觀察，齒輪軸基本無軸向竄動。拆解分別行駛一萬多和兩萬多公里的卡滯轉(zhuǎn)向器，發(fā)現(xiàn)齒輪齒條出現(xiàn)咬傷情況、齒輪軸出現(xiàn)超過0.5 mm的軸向竄動。

4 轉(zhuǎn)向器臺架試驗

4.1 沖擊強度試驗

沖擊強度試驗結(jié)果如圖4所示。

實驗結(jié)果表明：小齒輪損壞(咬傷)齒條多處損壞(咬傷)。

4.2 正向耐久試驗

實驗條件：齒條載荷1 000×9.8 N，齒條90%行程7萬次循環(huán)，試驗結(jié)果如圖5所示。

小齒輪磨損均勻，無異常損壞，齒條齒面有異常損壞痕跡，屬齒面非正常接觸所致。

5 結(jié)論

通過以上計算校核和具體測試分析，可以得出造成A1車型轉(zhuǎn)向卡滯的原因與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)布置無關(guān)；車輛出現(xiàn)轉(zhuǎn)向卡滯的根本原因有2個方面：(1)轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)不合理，齒輪軸軸向竄動過大，齒面非正常接觸，出現(xiàn)咬傷；(2)轉(zhuǎn)向器齒輪齒條嚙合參數(shù)選用不當，齒面滑移量過大。

針對實際和測試分析中發(fā)現(xiàn)的問題，提出以下改進措施：(1)修正轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu);(2)調(diào)整齒輪齒條嚙合參數(shù);(3)控制齒輪軸軸向竄動;⑷小齒輪應(yīng)采用淬火后加工方式，保證齒面粗糙度、消除熱處理變形。改進后的結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向卡滯問題得到了解決。

【1】包旭升.淺析汽車轉(zhuǎn)向系故障診斷與排除變形[J].黑龍江科技信息,2010(13):3.

【2】孫兆森，李建勝.齒輪傳動失效形式及其對策[J].山西焦煤科技,2006(4):6-7.

【3】周祥基.汽車轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的類型分析與優(yōu)化設(shè)計[D].南京:東南大學(xué),2005.

【4】李書龍，許超，楊智.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件設(shè)計[J].機電工程,2004(1):5-8.

Analysis on Causes of Steering Stuck of a Passenger Car

YU Chao, ZHANG Lintao, WANG Renguang
(China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300,China)

The steering stuck of some mass production passenger car was researched by calculation of steering system, testing the force on the steering tie-rod, checking on the bad steering device and doing experiment on the steering device. Finally the reason of the stuck was found and the improvement methods were proposed.

Steering device； Stuck；Steering tie-rod

2016-04-12

于潮，男，本科，工程師，從事混合動力研究。E-mail：yuchao@catarc.ac.cn。

U463.4

B

1674-1986(2016)06-066-04