吳允久 安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有節(jié)能、駕駛性能好的特點，因此成了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要的應(yīng)用和發(fā)展方向。隨著用戶對車輛NVH 性能要求的提升，各種異常噪聲問題備受關(guān)注。近年來，相關(guān)技術(shù)人員對電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響的研究在不斷增加，通過研究來進(jìn)一步優(yōu)化電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能。低噪音和使用性能的可靠性，構(gòu)成了EPS 的基礎(chǔ)功能。而歸根結(jié)底EPS 噪聲是振動引起的異響問題，其主要來源包括，蝸輪摩擦異常、轉(zhuǎn)向柱調(diào)整不合理、中間傳動軸故障以及齒輪條間隙不當(dāng)造成的。通過對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響現(xiàn)象的總結(jié)和分析，需要從工藝制作和材料方面，解決電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響問題。

一、關(guān)于汽車電動助力轉(zhuǎn)向發(fā)生的異響簡述

（一）助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的噪聲

根據(jù)異常振動的形式可分為旋轉(zhuǎn)異響、沖擊異響和顛簸異響。旋轉(zhuǎn)異響是由于電機運行產(chǎn)生的異響。顛簸異響噪聲來源于車輛在行駛過程中，因路面不平，零件間隙的作用而產(chǎn)生噪音。沖擊異響是將方向盤固定在某一方向為中點時，來回轉(zhuǎn)動方向盤，產(chǎn)生類似碰撞的聲音。如果發(fā)生助力轉(zhuǎn)向異常噪音，在受力作用下會引起零件不同程度的損傷，影響汽車的正常使用功能。

（二）關(guān)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦異響的特點

轉(zhuǎn)向柱蝸輪與蝸桿擦摩異常主要分為兩種，一種是當(dāng)方向盤啟動時，緩慢轉(zhuǎn)動方向盤，蝸桿與蝸桿嚙合出現(xiàn)異響，基本上是由于蝸桿與螺桿卡死造成的。另一種是蝸輪蝸桿在低溫運動時，發(fā)出明顯的異響，主要是由斜齒輪和蝸輪的經(jīng)常摩擦引起的。

二、系統(tǒng)產(chǎn)生異響的主要來源

汽車在使用過程中，技術(shù)人員在對其轉(zhuǎn)向異響里程進(jìn)行統(tǒng)計，80%的異響故障發(fā)生在約2000～10000 公里之間，轉(zhuǎn)向故障部位及異響程度與機械磨損有直接的關(guān)系。系統(tǒng)產(chǎn)生異響的主要來源如下：

（一）電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中蝸輪摩擦異常

其機理主要是蝸輪與蝸輪接觸面產(chǎn)生一定的粘連作用，因此使表面產(chǎn)生振動，形成傳動阻力造成異響。其粘滑現(xiàn)象是由靜、動摩擦反復(fù)交替引起的，當(dāng)結(jié)構(gòu)面的靜摩擦超過動摩擦?xí)r，使系統(tǒng)產(chǎn)生彈性因此發(fā)生粘滑現(xiàn)象。在發(fā)生粘滑作用后，靜摩擦逐漸增加，當(dāng)外力使用能克服其摩擦力時，結(jié)構(gòu)的接觸界面就會發(fā)生滑移，并同時發(fā)出高頻異響。

（二）轉(zhuǎn)向柱調(diào)整時發(fā)生異響

管柱繞旋轉(zhuǎn)原點作徑向和軸向滑動，進(jìn)行方向和高度調(diào)整時，通過滑動凸輪以及連接齒相互作用進(jìn)行鎖緊和松開。轉(zhuǎn)向柱與汽車的方向盤相連，并通過鉸鏈和墊圈連接到底部支架。鉸鏈銷和嵌件連接到主體上，并將鉸鏈銷軸為其原點。在頂部有2 個安裝點焊接在支架上，調(diào)節(jié)支架通過螺紋桿與底座相連。支架上有弧形滑槽和調(diào)節(jié)凸輪。當(dāng)松開調(diào)節(jié)桿時，調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝面會留有間隙。當(dāng)轉(zhuǎn)向軸角度變化時，使調(diào)節(jié)凸輪滑入弧形槽內(nèi)。帶動固定座，調(diào)節(jié)管柱進(jìn)行滑動，以達(dá)到調(diào)節(jié)方向的目的。但當(dāng)調(diào)節(jié)臂被鎖定時，調(diào)節(jié)凸輪旋轉(zhuǎn)并壓縮調(diào)節(jié)支架，使調(diào)其內(nèi)側(cè)受到收縮。而固定座與下管柱的焊接連接，使下管柱與滑套壓緊而收縮。一旦間隙消除，各部件就不能有效進(jìn)行平滑運動，推動徑向和軸向位移量。此時調(diào)整轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)動方向盤時，轉(zhuǎn)向柱調(diào)整機構(gòu)就會發(fā)出“咔嗒”的異響。另外，當(dāng)松開調(diào)節(jié)桿后，鎖塊沿與手柄連接線方向轉(zhuǎn)動。支架管底安裝孔為矩形孔，并與銷軸連接。當(dāng)上下調(diào)節(jié)管繩，銷軸會產(chǎn)生上下運動，同時發(fā)生異響。根據(jù)特定車型轉(zhuǎn)向柱異響分析和研究，支架和銷的設(shè)計中存在腔體，以方便對轉(zhuǎn)向柱進(jìn)行安裝。實際安裝后，調(diào)整中管柱出現(xiàn)異響。通過分析，得出矩形底托孔的寬度公差過大。可通過對銷軸公差的調(diào)整消除了結(jié)構(gòu)間隙[1]。

（三）助力系統(tǒng)中間傳動軸發(fā)生異響

產(chǎn)生傳動軸異響應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合評定。中間軸由輸出軸和齒輪軸組成。并與兩端節(jié)叉花鍵相連，后用螺栓將中間軸固定于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。因此，花鍵、螺栓及其參數(shù)將影響助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向性能，同時十字軸與前叉尺寸也會對轉(zhuǎn)向產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)出異常。傳動軸異響的檢測方法包括，根據(jù)車輛情況，將管柱固定。為了比較其是否存在異響，要在工作臺上固定一套檢測用的轉(zhuǎn)向管柱。然后，轉(zhuǎn)向器軸按要求角度和位置與齒輪軸相連，調(diào)整到對于車輛的角度。如果在試驗中發(fā)現(xiàn)驅(qū)動軸有異響，或振動頻率增加，則可直接判斷轉(zhuǎn)向系統(tǒng)軸存在故障問題。

（四）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)齒輪齒條間隙異響

齒輪齒條轉(zhuǎn)向器，其作用是將扭矩為轉(zhuǎn)向軸提供推拉作用力。齒輪齒條工作時，其中心距是實時偏移的，在車輛行駛一段時間后，彈簧會發(fā)生疲勞變形，這種變形會影響齒輪齒條的空間位置，使助力系統(tǒng)的運行出現(xiàn)問題。另外，如轉(zhuǎn)向器外殼支座不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其外徑大小、O 形圈的耐用性和齒條規(guī)格尺寸都會影響轉(zhuǎn)向功能，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生異響。因此，技術(shù)人員要重點關(guān)注轉(zhuǎn)向齒輪齒條間齒隙，防止出現(xiàn)異響。通常檢查動力系統(tǒng)傳動軸異響，其測試中要取下齒輪，由機器進(jìn)行異常噪音的檢測。并把轉(zhuǎn)向器放在這個位置，對整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行測試，同時檢查整個路徑中的齒條和齒輪間的空間，以評動力系統(tǒng)的異常噪音[2]。

三、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的異響分析

（一）影響斜齒輪磨損異響的分析

首先蝸輪以及蝸桿材料的耐磨性比較差。轉(zhuǎn)向柱伺服結(jié)構(gòu)中，與蝸桿配件相比，蝸輪結(jié)構(gòu)的耐磨性相對較差，導(dǎo)致蝸輪在運行時磨損更嚴(yán)重。轉(zhuǎn)向柱的蝸輪和蝸桿設(shè)計為固定中心距運行結(jié)構(gòu)。因其不能有效調(diào)節(jié)蝸輪與蝸桿間隙進(jìn)行補償。當(dāng)汽車通過凹凸路面時，蝸輪和蝸桿結(jié)構(gòu)會形成一定的間隙。最后通過對離線轉(zhuǎn)向柱拆解，發(fā)現(xiàn)蝸輪頂部存在缺陷。該缺陷是由于蝸輪、蝸桿嚙合時嚙合面損壞造成的，因此而增大結(jié)構(gòu)間隙。

（二）關(guān)于上轉(zhuǎn)向柱異響

要使轉(zhuǎn)向柱良好運行，上轉(zhuǎn)向傳動軸可將其設(shè)計為軸向滑動，結(jié)構(gòu)的上下軸用內(nèi)外花鍵進(jìn)行連接，使旋轉(zhuǎn)時可以軸向改變傳遞扭矩。但在實際應(yīng)用中，如上下軸內(nèi)外關(guān)鍵參數(shù)不能正確調(diào)整，會使轉(zhuǎn)向軸間的密封設(shè)置不正確，造成上下軸位置不正確，使轉(zhuǎn)向軸在正常運行時產(chǎn)生異響。消除該異響的方法操作如下：技術(shù)人員要將管柱固定，同時鎖緊管柱的輸出軸。根據(jù)旋轉(zhuǎn)頻率增加轉(zhuǎn)向行程，檢測并進(jìn)行位置分析，檢測聲音的頻率變化，用手觸摸方向盤，如果在震動的聲音和頻率增加，可直接判斷轉(zhuǎn)向柱連接處存在間隙[2]。

（三）蝸輪噪音異常

斜齒輪機構(gòu)包括斜齒輪和蝸輪。在轉(zhuǎn)向器設(shè)計和生產(chǎn)過程中，必須控制好蝸輪與蝸桿間隙，采用無間隙補償機構(gòu)控制。由于在其運行過程中會產(chǎn)生熱量，材料產(chǎn)生熱膨脹效應(yīng)，導(dǎo)致蝸輪與蝸桿之間的空間減小，由于滾動阻力增加，最終影響了助力轉(zhuǎn)向性能異常。為此，在轉(zhuǎn)向器設(shè)計和制造中，必須嚴(yán)格控制間隙在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。如果間隙太大會產(chǎn)生異響，而過小會直接影響車輛的轉(zhuǎn)向性能。另外，在實際使用過程中，如果經(jīng)車輛長的時間運行后，材料磨損會導(dǎo)致間隙增加并產(chǎn)生異響。消除方法是將轉(zhuǎn)向柱固定，并檢查是否存在異響。再通過模擬信號控制器，檢測轉(zhuǎn)向軸的工作狀態(tài)。如果助力系統(tǒng)在運行時只產(chǎn)生異常噪音，則可基石判定噪音是由蝸輪、蝸桿產(chǎn)生。

四、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦異響的優(yōu)化措施

針對蝸輪邊緣磨損痕跡，判斷蝸輪蝸桿在運動中存在摩擦。因此，需要對蝸輪進(jìn)行全面的檢測，如果蝸輪尺寸存在偏差，端面跳動偏差大，會導(dǎo)致蝸輪蝸桿接觸不良，接觸壓力的突變?nèi)菀桩a(chǎn)生增大摩擦力進(jìn)而產(chǎn)生異響。為解決此問題，需要對蝸輪蝸桿的尺寸進(jìn)行優(yōu)化。目前轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的蝸輪外圈多用注塑加工，異響蝸輪注塑采用了 4 點注入，造成跳動偏差較大，在轉(zhuǎn)動中會出現(xiàn)摩擦異響。因此，可以選擇將蝸輪注塑更改成的 6 點注入，提高公差準(zhǔn)確度，提升了系統(tǒng)運行的耐久性能。針對蝸桿齒頂銳邊問題，齒頂需要進(jìn)行圓角設(shè)計，確保不會發(fā)生粘滯，控制蝸桿粗糙度，減少表面出現(xiàn)的劃痕。對于蝸輪材料的硬度、摩擦磨損和在尺寸變化等特性，與摩擦異響有很大關(guān)系，對于不同材料的蝸輪的硬度不相同。因此，需要具有較低的摩擦系數(shù)和磨損性能，具有不同溫度條件下的尺寸穩(wěn)定性，還需要具有較強的老化性能。還需要針對不同的蝸輪材料進(jìn)行性能測試，蝸輪材料的硬度決定了蝸輪齒的強度，硬度越高強度越高，還要匹配適當(dāng)?shù)奈仐U，這樣更有利于異響的控制。

五、關(guān)于系統(tǒng)異響的案例分析

某汽車在行駛過程中發(fā)出環(huán)向噪音，經(jīng)分析測定其噪聲等級為5 級，已達(dá)到噪聲污染等級，必須進(jìn)行修善。由以上分析可知，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲與零部件的配合相關(guān)。因此，在檢測中要強調(diào)對零部件的全面檢查。異響產(chǎn)出，通過檢查確定噪聲位置來自于中間軸及下叉位置。技術(shù)人員通過利用傳感器的進(jìn)行分析，對輛車進(jìn)行了4 個點的信息觀察，由于采用三軸傳感器實施數(shù)據(jù)跟蹤，數(shù)據(jù)涵蓋三個不同的方面，在分析中，要將最終的最大值應(yīng)用于后續(xù)研究。對有異響汽車的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取一段時間的振動數(shù)，得知最大加速度顯示異常。通過比較擴展數(shù)據(jù)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)有異響汽車，其水平向的振動參數(shù)差異很小，但在異常點上相差約6 倍。通過分析得出，汽車開關(guān)噪聲問題與異常點有關(guān)。因此，之后的檢測操作，技術(shù)人員全面針對中間軸及下叉點位置進(jìn)行檢查。重點檢測轉(zhuǎn)向和輸入軸的運動位置。在檢查中，確定了噪聲的產(chǎn)生原因有兩個，其一是傳動結(jié)構(gòu)運動位置間隙過大造成的。經(jīng)深入檢查確定，造成間隙大的原因是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的零件，不來自同一制造商，因此造成零件的尺寸和使用性能存在差異。如果傳動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大間隙，會下拉降低傳動系統(tǒng)的工作質(zhì)量并同時伴隨噪音的產(chǎn)生。其二是由于蝸桿齒頂存在磕碰現(xiàn)象導(dǎo)致發(fā)生異響，當(dāng)明確產(chǎn)生異響的原因。針對第一個原因，技術(shù)通過對兩家制造產(chǎn)品的綜合能力進(jìn)行比較，而異響車輸入軸存在明顯差異，由此可見，汽車異響造成的主要原因是輸入軸與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的差異造成的。以此，技術(shù)人員就可以制定相應(yīng)的解決方案，以減少噪聲影響。及時更換輸入軸，增加花鍵的自由活動空間，減小公差值與標(biāo)準(zhǔn)值的差異，最終確保車輛異響問題得以解決。針對第二個異響問題，技術(shù)人員要從材料質(zhì)量和生產(chǎn)質(zhì)量兩方面，以有效提高蝸輪和蝸桿結(jié)構(gòu)的耐磨性。由于車輛里程的增加，轉(zhuǎn)向柱中蝸輪與蝸桿之間的間隙會增加。為充分改善蝸輪與蝸桿的間隙，可能通過增加齒隙調(diào)節(jié)機構(gòu)進(jìn)行有效的補償，以解決磨損間隙造成的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響。首先，蝸桿清洗筐容量過大，導(dǎo)致存在磕碰現(xiàn)象。因此，可對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。其次是提高蝸輪材料的表面的硬度，增加蝸輪的耐磨性。蝸桿要經(jīng)過高頻淬火處理。

六、結(jié)束語

綜上所述，本文通過對電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響進(jìn)行全面的分析。總結(jié)出通過優(yōu)化更換蝸輪、蝸桿的設(shè)計和生產(chǎn)工藝，改進(jìn)制度材料，以有效提高其運行中的耐久性，解決了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)間隙異響的問題。技術(shù)人員要嚴(yán)格控制蝸輪與蝸桿間的有效空隙，保持合理范圍之內(nèi)，要增設(shè)合理的間隙補償機構(gòu)，改善結(jié)構(gòu)性能和異響。