機(jī)械轉(zhuǎn)向器間隙對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響的影響分析

錢雄松 高家兵 安宗權(quán)

（1.奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241006；2.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241006）

1 前言

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用來保持或改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)（方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、中間軸總成）、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)向拉桿，轉(zhuǎn)向節(jié)）等。一般對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求應(yīng)能準(zhǔn)確、快速、平穩(wěn)地響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，但隨著時(shí)代的發(fā)展以及汽車的普遍，人們越發(fā)注重對汽車舒適性的追求。而異響是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一種常見故障現(xiàn)象，也是影響汽車舒適性的關(guān)鍵因素。本文主要針對因機(jī)械轉(zhuǎn)向器總成的配合間隙所引起的異響問題進(jìn)行論述。對于齒輪齒條式機(jī)械轉(zhuǎn)向器，各零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)定義、加工精度控制以及裝配方法合理性使機(jī)械轉(zhuǎn)向器各零部件間存在配合間隙，這也是引起異響故障的主要原因。

①機(jī)械轉(zhuǎn)向器配合間隙主要分為三大部分：

齒輪軸、軸承、軸承擋圈配合產(chǎn)生的間隙；

②齒輪、齒條嚙合產(chǎn)生的間隙；

③齒條與支撐襯套的配合產(chǎn)生的間隙。

下面針對三部分配合對異響的影響進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 齒輪軸、軸承、軸承擋圈配合間隙對轉(zhuǎn)向異響的影響

異響故障現(xiàn)象：①向左打方向到極限后再向右回或向右打方向再向左回時(shí)，出現(xiàn)清脆的“鐺”的一聲，類似于金屬與金屬的撞擊聲；②非極限位置、全行程過程中，方向盤只要有換向動(dòng)作就會(huì)出現(xiàn)清脆的金屬與金屬的刮擦聲；③全行程過程中，方向盤只要有換向動(dòng)作，就會(huì)出現(xiàn)清脆的金屬與金屬的撞擊聲。

原因分析：機(jī)械轉(zhuǎn)向器軸承內(nèi)圈與齒輪軸通過擋圈固定，軸承外圈通過壓緊螺塞固定如圖2所示。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤向左或向右運(yùn)動(dòng)時(shí)齒輪軸會(huì)受到向上或向下的分力作用，如果因軸承壓裝不到位使軸承內(nèi)圈端面與齒輪軸端面之間存在間隙或因擋圈扣鉚工藝不良，使軸承內(nèi)圈端面與擋圈端面之間存在間隙，就會(huì)出現(xiàn)上述①②所述異響情況。而①②異響表現(xiàn)之所以有差異，是由于軸承內(nèi)圈與齒輪軸配合精度不同所致：如果齒輪軸與軸承內(nèi)圈屬于過贏配合，齒輪軸若要相對于軸承內(nèi)圈向上或向下運(yùn)動(dòng)需要克服較大的摩擦力，只有在極限位置時(shí)齒輪軸所受到的反作用力才會(huì)達(dá)到最大值，以至于可以克服齒輪軸與軸承內(nèi)圈之間較大的摩擦而竄動(dòng)，因此才會(huì)表現(xiàn)為僅在極限位置出現(xiàn)清脆異響的故障現(xiàn)象；如果齒輪軸與軸承內(nèi)圈的配合屬過渡或間隙配合，那么當(dāng)軸承內(nèi)圈端面與齒輪軸端面或軸承內(nèi)圈端面與擋圈端面存在間隙時(shí)，齒輪軸相對于軸承內(nèi)圈向上或向下運(yùn)動(dòng)只需要克服較小的摩擦力就會(huì)竄動(dòng)，因此表現(xiàn)為全行程換向過程中出現(xiàn)異響。而當(dāng)殼體與壓緊螺塞的配合不能使軸承外圈固定時(shí)就會(huì)出現(xiàn)上述③所述的異響情況，此時(shí)軸承與齒輪軸同時(shí)上下竄動(dòng)，軸承外圈端面會(huì)與殼體端面或壓緊螺塞端面上下碰撞，產(chǎn)生較明顯的清脆異響。

建議整改措施：針對①②所述異響情況，既要確保軸承與齒輪軸壓裝到位，又要改善軸承擋圈的扣鉚工藝，確保軸承擋圈扣鉚后，軸承內(nèi)圈不能上下竄動(dòng)。針對③所述異響情況，首先需確保壓緊螺塞、軸承、殼體的裝配尺寸鏈校核后可以使軸承外圈被壓緊，其次各零件加工后實(shí)際尺寸應(yīng)符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。因此只有軸承內(nèi)圈端面與齒輪軸端面及擋圈端面間為零間隙配合、壓緊螺塞端面與軸承外圈端面為零間隙配合時(shí)，才能徹底消除該處間隙，避免異響產(chǎn)生。

3 齒輪、齒條嚙合間隙對轉(zhuǎn)向異響的影響

異響故障現(xiàn)象：原地向左或向右大角度打方向、換向時(shí)異響，一般表現(xiàn)為較沉悶、聲音較大的“悾悾”聲或向一側(cè)打方向后放手回彈“咚”的一聲，同時(shí)在凹凸路、鵝卵石路等顛簸路面也會(huì)產(chǎn)生振響。

圖1 齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖

原因分析：機(jī)械轉(zhuǎn)向器總成內(nèi)部齒輪齒條的緊密貼合是靠壓塊、彈簧及調(diào)整螺塞組合所提供的壓緊力實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)齒條受外力作用時(shí)會(huì)脫離齒輪軸，而此時(shí)齒條與齒輪軸形成的最遠(yuǎn)距離即是齒輪齒條的嚙合間隙，這個(gè)間隙值也就是壓塊與調(diào)整螺塞的端面距離值如圖3所示。 齒輪齒條嚙合間隙越大，代表齒條脫離齒輪的距離越遠(yuǎn)，因此大角度打方向換向時(shí)齒條回彈后產(chǎn)生的撞擊聲會(huì)越大。在在凹凸路、鵝卵石路等顛簸路面上，因齒條所受的反作用力方向不斷變化，因此異響聽起來也比較連續(xù)。

建議整改措施：解決該異響問題主要方向是減小轉(zhuǎn)向機(jī)的齒輪齒條嚙合間隙。但齒輪齒條嚙合間隙減小會(huì)使轉(zhuǎn)向機(jī)軸向力增加，軸向力的增加又會(huì)引起轉(zhuǎn)向沉重及轉(zhuǎn)向回正慢等系統(tǒng)問題。因此轉(zhuǎn)向器軸向力和間隙要求要同時(shí)提高才是解決問題的根本。機(jī)械轉(zhuǎn)向器可以解決齒輪齒條嚙合間隙與軸向力之間矛盾的方法也有很多：比如更改壓緊塊的材料，在壓緊力不變的情況下減小壓塊與齒條間的摩擦系數(shù)；提高齒輪齒條的精度，齒輪齒條加工后齒精度最低要滿足8級精度要求；控制齒條各齒之間跨棒距的變差值，跨棒距變差值定義應(yīng)小于0.03mm（推薦），同時(shí)齒輪軸齒的跨棒距也應(yīng)做適當(dāng)控制?？傊O(shè)計(jì)之初就要考慮如何在保證機(jī)械轉(zhuǎn)向器軸向力滿足要求前提下盡可能將齒輪齒條的嚙合間隙做到最小才能降低轉(zhuǎn)向換向異響出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

4 齒條與支撐襯套的配合間隙對轉(zhuǎn)向異響的影響

圖2 齒輪軸、壓緊螺塞、軸承、殼體配合剖視圖

圖3 齒輪齒條嚙合間隙示意圖

異響故障現(xiàn)象：①原地向左或向右打方向、換向時(shí)異響，一般表現(xiàn)為較沉悶、聲音較大的“悾?！甭暬蛳蛞粋?cè)打方向后放手回彈“咚”的一聲；②向左或向右任何位置打方向時(shí)，出現(xiàn)非金屬的摩擦異響。

原因分析：機(jī)械轉(zhuǎn)向器右側(cè)齒條通過襯套支撐如圖4所示。當(dāng)駕駛員向左或向右打方向時(shí)，齒條兩端會(huì)受到來自拉桿不同方向的徑向力作用，齒條因而產(chǎn)生擺動(dòng)。當(dāng)換向時(shí)齒條受力方向改變，擺動(dòng)方向也會(huì)隨之改變，當(dāng)齒條從一個(gè)方向擺動(dòng)到另一個(gè)方向時(shí)，擺動(dòng)距離較大，若齒條支撐襯套內(nèi)徑與齒條配合間隙越大，齒條擺動(dòng)的距離也就會(huì)越大，因此上述①的換向時(shí)的異響現(xiàn)象就會(huì)越明顯。而當(dāng)齒條與支撐襯套配合較緊、油脂選擇不合理時(shí)就會(huì)出現(xiàn)上述②摩擦異響現(xiàn)象。

建議整改措施：理想狀態(tài)，齒條與支撐襯套應(yīng)為零間隙配合才更有利于解決換向異響的問題，但零間隙配合容易使轉(zhuǎn)向器軸向力增加而不滿足系統(tǒng)要求，且容易出現(xiàn)襯套與齒條之間的摩擦異響，若既能滿足軸向力要求又能保證零間隙配合，需要通過設(shè)計(jì)較好的襯套結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，例如圖5所示襯套結(jié)構(gòu)。這種襯套與齒條裝配后，通過O形圈的抱緊力既可以保證零間隙配合，又可以在襯套磨損后提供間隙補(bǔ)償，進(jìn)一步消除襯套內(nèi)徑與齒條的間隙，其具有較高的耐磨持久性。此外因這種結(jié)構(gòu)有較大的存脂空間，潤滑效果較好，所以不會(huì)造成襯套與齒條之間摩擦異響及系統(tǒng)軸向力大的問題。但通常這類襯套因結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其模具和材料等制造成本會(huì)比較高。如果齒輪軸、齒條加工等零件精度控制較好，齒輪齒條嚙合間隙可以控制到較小值，那么齒條與支撐襯套配合間隙的定義也可以適當(dāng)放寬要求、允許有一定的間隙存在，此時(shí)也可以選擇類似圖6的襯套結(jié)構(gòu)。這種襯套結(jié)構(gòu)雖然間隙一旦磨損后無法補(bǔ)償，長時(shí)間后不能再實(shí)現(xiàn)襯套與齒條的零間隙配合，但只要適當(dāng)提高材料的耐磨性及適當(dāng)控制襯套與齒條之間的配合間隙，在齒輪齒條嚙合間隙控制較小的情況下，也會(huì)使換向異響問題得到較大改善。此類襯套與齒條的初始配合需定義襯套受齒條徑向壓縮力后的變形量，該值單方向不應(yīng)超過0.06mm，前后兩個(gè)方向徑向受力后，襯套變形量之和不應(yīng)超過0.12mm為宜（推薦值）。

圖4 齒條與支撐襯套配合示意圖

圖5 帶O 形圈的襯套結(jié)構(gòu)

圖6 不帶O 形圈襯套結(jié)構(gòu)

結(jié)論

以上僅是針對因機(jī)械轉(zhuǎn)向器總成各主要零部件間的配合間隙所引起的典型轉(zhuǎn)向異響問題進(jìn)行論述，當(dāng)然轉(zhuǎn)向異響的存在不僅來源于機(jī)械轉(zhuǎn)向器本身，而是屬于系統(tǒng)問題，是與轉(zhuǎn)向有關(guān)的各部件的間隙配合問題。只有從方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、中間軸、轉(zhuǎn)向器、到轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)等與轉(zhuǎn)向有關(guān)各零部件及各零部件的連接部位都要做好相應(yīng)的控制，才能徹底有效的解決轉(zhuǎn)向異響問題。

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.