郭廷++黃巨成++卜萬里++張海源

摘 要：針對(duì)配備C-EPS（管柱助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）轉(zhuǎn)向的車輛，行駛在特定路面時(shí)轉(zhuǎn)向機(jī)發(fā)出異響，通過臺(tái)架試驗(yàn)甄別發(fā)生異響的部位，進(jìn)行零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證并批量生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：C-EPS；齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)；異響

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

自1988年日本鈴木公司首先在其小型轎車Cervo上裝備電動(dòng)轉(zhuǎn)向以來，隨著電機(jī)和電控技術(shù)的發(fā)展，在國內(nèi)市場(chǎng)上銷售的車輛中EPS的裝車量在飛速增加。2008年EPS的裝車量為68萬輛，2009年為95萬輛，2010年為130萬輛，2016年EPS的裝車量超過1000萬輛，預(yù)計(jì)2020年場(chǎng)上銷售的車輛中EPS的裝車在90%以上。與液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）相比，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）具有節(jié)能（降低油耗0.3L/100km左右）環(huán)保（無更換液壓油引起的二次污染）以及更加優(yōu)異的操縱性能。但由于電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，在不平路面行駛時(shí)缺少液壓油的緩沖衰減，更容易導(dǎo)致在顛簸路面行駛時(shí)產(chǎn)生異響。

一、問題描述、分析與異響排查

1.問題描述

某款配備C-EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車型，在整車下線后進(jìn)行的動(dòng)態(tài)路試中，駕駛員以10km/h～15km/h的時(shí)速行駛在卵石路、凸凹路和鋼索路面時(shí)，駕駛員能夠聽到明顯、連續(xù)的rattle、click、clink異響， 同時(shí)伴隨著方向盤有明顯的振動(dòng)沖擊出現(xiàn)。異響如果不能得到解決，后期一方面會(huì)引起客戶的強(qiáng)烈抱怨，另一方面也同時(shí)會(huì)導(dǎo)致EPS系統(tǒng)內(nèi)零部件異常磨損而導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障。

2.異響分析

如圖1所示，改款車型裝配的C-EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要構(gòu)成為：電動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱總成、中間軸總成、齒輪齒條機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)總成。車輛行駛在卵石路、凸凹路和鋼索路面時(shí)，輪胎受到不平路面的逆向沖擊后，通過轉(zhuǎn)向拉桿的球頭傳遞到齒條，導(dǎo)致齒條在受到?jīng)_擊后左右移動(dòng)；齒條的左右移動(dòng)通過齒輪齒條的線角傳動(dòng)改變?yōu)橹虚g軸和EPS管柱芯軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在不平路面產(chǎn)生振動(dòng)的高頻激勵(lì)下，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部零部件的間隙在高頻沖擊下產(chǎn)生異響。

3.異響排查

首先確認(rèn)零部件連接點(diǎn)是否配合到位：方向盤與轉(zhuǎn)向管柱花鍵緊固螺母、中間軸與轉(zhuǎn)向柱花鍵緊固螺栓、中間軸與轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸緊固螺栓、內(nèi)拉桿與外球頭緊固螺母、外球頭與轉(zhuǎn)向節(jié)緊固螺母以及底盤其他系統(tǒng)緊固件力矩。確認(rèn)連接件無松動(dòng)緊固到位后，進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析確認(rèn)異響源頭。具體方法：在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件的不同位置（外球頭、齒條支撐端、齒條嚙合端、中間軸、EPS渦輪箱處等）設(shè)置振動(dòng)加速度傳感器，記錄車輛在通過卵石路、凸凹路和鋼索路面時(shí)的音頻和加速度值，對(duì)比異響聲音出現(xiàn)時(shí)不同位置的加速度數(shù)值，確定異響源，如圖2所示。本文主要對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)在卵石路、凸凹路和鋼索路產(chǎn)生異響進(jìn)行分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證。

二、齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)異響排查及驗(yàn)證

1.故障件臺(tái)架測(cè)量

將轉(zhuǎn)向機(jī)帶橫拉桿總成以整車狀態(tài)固定在試驗(yàn)臺(tái)上，將一慣性飛輪固定在轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸上，固定齒輪齒條嚙合端外球頭，在齒條襯套端施加特定載荷、頻率和波形的負(fù)載。在間隙調(diào)整托座和齒條支撐端安裝振動(dòng)加速度傳感器，測(cè)量施加載荷后兩個(gè)位置的振動(dòng)加速度，如圖3所示，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

故障件轉(zhuǎn)向機(jī)的間隙調(diào)整托座和齒條支撐端的振動(dòng)加速度測(cè)量值與數(shù)據(jù)庫中不存在異響的其他車型轉(zhuǎn)向機(jī)相同位置的測(cè)量結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)此兩個(gè)位置的振動(dòng)加速度峰值異常（較大），認(rèn)定此轉(zhuǎn)向機(jī)調(diào)整托座和齒條支撐端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，需要進(jìn)行改進(jìn)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)調(diào)整托座處比齒條支撐襯套處振動(dòng)加速度高點(diǎn)出現(xiàn)的頻率高和峰值大，說明異響主要來源于此，為重點(diǎn)改進(jìn)方向。

2.改進(jìn)方案及整車評(píng)價(jià)

車輛在卵石或其他不平路面行駛時(shí)，車輪受到路面激勵(lì)后，帶動(dòng)齒條快速左右換向，齒條左右移動(dòng)導(dǎo)致調(diào)整托座上下運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)結(jié)構(gòu)為調(diào)整托座與殼體有一個(gè)O型圈，調(diào)整托座在齒條移動(dòng)導(dǎo)致的上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，單O型圈結(jié)構(gòu)導(dǎo)向差，托座外周與殼體內(nèi)壁之間、托座端面與緊固螺塞摩擦或撞擊產(chǎn)生。改進(jìn)方案為調(diào)整托座上的O型圈由一個(gè)增加為兩個(gè)，在調(diào)整托座和緊固螺塞之間增加一個(gè)O型圈，同時(shí)調(diào)整壓緊彈簧的剛度，如圖5所示。

齒條支撐端現(xiàn)結(jié)構(gòu)為單O型圈，此結(jié)構(gòu)支撐套的剛度不足，在路面激勵(lì)導(dǎo)致齒條的運(yùn)動(dòng)過程中，齒條在軸向和徑向都受到較大的力，支撐套的剛度不足在受力下變形，最終導(dǎo)致二者之間間隙過大產(chǎn)生振動(dòng)異響。此處改進(jìn)方案為：支撐套與殼體配合O型圈增加為兩個(gè)，增大支撐剛度，同時(shí)增加齒條與支撐套的過盈量，如圖6所示。

對(duì)調(diào)整托座增加O型圈、緊固螺塞端面O型圈、彈簧剛度、齒輪齒條嚙合間隙等方案進(jìn)行DOE試驗(yàn)，做出7套樣件進(jìn)行整車卵石路、凹凸路、鋼索路面異響驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)整車的轉(zhuǎn)向性能（原地轉(zhuǎn)向力、中高速轉(zhuǎn)向力、低速和高速回正性能）進(jìn)行了評(píng)價(jià)，最終選定調(diào)整托座雙O型圈、端面O型圈、彈簧剛度250、嚙合間隙0.07、齒條支撐端雙O型圈作為最終解決方案。驗(yàn)證記錄及評(píng)價(jià)見表1。

3.性能耐久驗(yàn)證

經(jīng)過整車路試和轉(zhuǎn)向性能評(píng)價(jià)確認(rèn)最終的改進(jìn)方案，在理論分析上存在轉(zhuǎn)向機(jī)下線和耐久的正逆驅(qū)動(dòng)力不符合轉(zhuǎn)向機(jī)性能定義的風(fēng)險(xiǎn)。如何通過產(chǎn)品加工工藝參數(shù)和尺寸公差設(shè)置，需要經(jīng)過計(jì)算分析和臺(tái)架性能可靠性驗(yàn)證。

公差尺寸和工藝參數(shù)的具體驗(yàn)證過程不做詳細(xì)敘述，為了滿足間隙和轉(zhuǎn)向機(jī)正逆驅(qū)動(dòng)力，工藝需做如下改進(jìn)：如襯套端涂脂量≥8g、支撐座端涂脂量≥6g以達(dá)到輔助潤滑效果，與襯套、支撐座接觸的齒條齒面，粗糙度需≤Ra0.35以減少對(duì)支撐件的摩擦等。經(jīng)過工藝改進(jìn)后，轉(zhuǎn)向機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)合格，見表2。

結(jié)語

為了解決EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)在卵石路、凸凹路和鋼索路產(chǎn)生rattle、click、clink異響，在試驗(yàn)臺(tái)上完成了小載荷和大載荷兩種工況下的振動(dòng)加速度試驗(yàn)，進(jìn)行了振動(dòng)加速度的時(shí)域和頻域分析，得出異響產(chǎn)生的位置，并提出了優(yōu)化方案。并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)和整車評(píng)價(jià)，效果良好。值得注意的是隨著客戶對(duì)汽車NVH性能的要求越來越高，作為工程師應(yīng)該建立異響庫，建立設(shè)計(jì)規(guī)范和固化先進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，直接應(yīng)用到新開發(fā)車型中，避免后期類似問題重復(fù)發(fā)生。

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