楊香蓮　吳傳全　付豪

關(guān)鍵詞：C-EPS;轉(zhuǎn)向管柱;異響;臺架;受力分析

中圖分類號：U463.4 文獻標識碼：A

0引言

隨著國民生活質(zhì)量的提高，人們對汽車舒適性的追求及整車振動噪聲控制的要求越來越高[1]。汽車使用過程中產(chǎn)生的異響，已經(jīng)成為越來越多用戶抱怨的焦點。因而對于異響的消除需要更加嚴格的控制。

管柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（C-EPS）相對于液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS），可以節(jié)油3%～5%，其節(jié)能性、電動化和低噪聲的優(yōu)勢明顯，綜合操控性能更加優(yōu)異[2]。但是，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部集成的零部件數(shù)量較多，結(jié)構(gòu)相對比較復雜。尤其是管柱類的助力轉(zhuǎn)向器，其工作機構(gòu)位于駕駛室內(nèi)，距離駕駛員較近[3]，在發(fā)生異響時更容易被駕駛員發(fā)覺，且異響發(fā)生時常常伴有方向盤上的手感振動沖擊。

轉(zhuǎn)向異響多為瞬態(tài)噪聲，按照其產(chǎn)生類型分為3類：第一類為“嗡嗡”聲（Buzz），主要是由于部件的共振引起的噪聲;第二類為“吱吱”聲（Squeak），主要由于連接部位摩擦接觸或滑移產(chǎn)生的噪聲;第三類為“咔噠”聲（Rattle），主要是連接部位之間的沖擊接觸而產(chǎn)生的噪聲。其他類型的異響還包括電磁噪聲、軸承噪聲等。對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲進行有效控制，可以提升駕乘的舒適性，因此對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響的研究很有必要。

1轉(zhuǎn)向管柱異響問題概述

1.1問題描述

轉(zhuǎn)向管柱是轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向助力輔助裝置、方向盤調(diào)節(jié)鎖止機構(gòu)和方向盤鎖止機構(gòu)的承載體[4]，同時擔負著車輛碰撞時對駕駛員保護和能量吸收的作用。車輛行駛時，方向盤的轉(zhuǎn)動通過轉(zhuǎn)向軸的硬性連接傳遞給輸入軸，扭矩傳感器根據(jù)扭桿的變形量計算出轉(zhuǎn)向扭矩并輸入給電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元?？刂茊卧刂妻D(zhuǎn)向電機運轉(zhuǎn)，提供的助力扭矩到蝸桿、蝸輪組合件，最后蝸桿驅(qū)動蝸輪，蝸輪帶動輸出軸實現(xiàn)助力輸出[5]。

某裝配C-EPS的車型下線后，測試人員在按照評價條目對車輛進行測試。調(diào)試人員反饋，當整車在車輛定置（即車輛原地不動起動）工況，低速來回轉(zhuǎn)動方向盤，轉(zhuǎn)速約為20r/min，一段時間后，駕駛員前方儀表臺內(nèi)部會有不連續(xù)的、有類似于敲擊聲的異響。拆除駕駛員前方的儀表臺后異響更明顯，該異響主觀評價等級為4.5分，為易察覺的等級，需要進行改進（表1）。經(jīng)調(diào)試人員主觀判斷，該異響來自轉(zhuǎn)向管柱附近，需對該問題進行調(diào)查分析。

1.2問題定位

首先將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的附件，如時鐘彈簧、安全氣囊等拆除后，異響變化不大，評分等級仍為4.5分。然后將轉(zhuǎn)向柱拆除后，按照標準流程重新安裝，異響等級略有降低，評分為5分。

對轉(zhuǎn)向柱進行交換試驗。準備一輛針對該問題評分為8分的下線車輛，定義為A車，問題車輛定義為B車。將B車的轉(zhuǎn)向器更換至A車后，A車異響評分等級變?yōu)?分，屬于易察覺狀態(tài)。而將A車的轉(zhuǎn)向器更換至B車后，B車的異響評分等級為8分。

最后將轉(zhuǎn)向器各自裝回原車輛后，B車異響復現(xiàn)，評分等級為5分;A車評分等級變回8分。通過對轉(zhuǎn)向器整件的交換試驗可以推斷，異響來自轉(zhuǎn)向器。調(diào)試人員通過釋放轉(zhuǎn)向管柱調(diào)節(jié)手柄后，異響消失。將手柄鎖緊后，異響復現(xiàn)。

2問題原因分析及驗證

2.1振動信號采集

通過對異響的主觀判斷，此類敲擊噪聲多為機械噪聲，因此排除電磁噪聲類型。并且此類敲擊噪聲多為結(jié)構(gòu)噪聲，通?？梢砸哉駝有盘柋碚髀曇舻拇笮?。因此為了進一步鎖定異響位置，通過在駕駛室內(nèi)布置麥克風采集聲音信號，同時在轉(zhuǎn)向管柱不同位置布置加速度傳感器來采集振動信號，進一步鎖定異響位置。

振動信號測量位置包括3個位置：上管柱支架、動力源殼體位置和中間軸位置。這樣也可以獲取振動信號傳遞的方式（圖1）。

所有信號采集完成后，對所采集的聲音及振動測試時域信號進行分析，如圖2所示。其中橫坐標為時間，縱坐標為聲壓值和振動加速度值，信號中的突起為信號峰值時刻，表征為異響時刻。通過采集的聲音信號進行回放（圖2中上側(cè)紅色曲線），并結(jié)合對振動時域（圖2中下側(cè)曲線）信號數(shù)值統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)在異響時刻，上管柱組件支架處的振動水平（綠色曲線）明顯高于其他兩個位置。

通過將異響時刻的振動信號進行放大（圖3），可看到上管柱支架處最早出現(xiàn)振動波動信號（綠色曲線），說明振動源在上管柱組件位置。通過對上管柱相關(guān)附件進行拆除及組件之間的交換實驗，最終鎖定異響來自于安裝支架。

2.2原因分析

為了進一步研究異響產(chǎn)生的原因，將發(fā)生異響的轉(zhuǎn)向管柱安裝至離線臺架上對聲音進行復現(xiàn)（圖4），并對臺架異響進行主觀評測和振動信號采集。結(jié)果臺架異響主觀評分及信號特征與整車一致，于是在臺架上對異響問題進行研究。

起初異響樣件不能穩(wěn)定的在臺架上進行復現(xiàn)，通過觀察轉(zhuǎn)向管柱安裝端面的印記，發(fā)現(xiàn)其左側(cè)安裝端面的壓痕印記比右側(cè)明顯，初步懷疑安裝后左右兩側(cè)受力不均造成。為驗證該猜想，通過在左側(cè)安裝支架與臺架支架間增加一薄墊片，模擬受力不均的工況（圖5），實施該方案后可穩(wěn)定地復現(xiàn)異響。另外重新更換一新支架后，利用該方法同樣可以復現(xiàn)該異響。

結(jié)合上述復現(xiàn)實驗，參照圖紙要求對整車安裝轉(zhuǎn)向管柱的左右兩側(cè)端面進行尺寸測量后，發(fā)現(xiàn)其安裝端面高度差超出圖紙尺寸要求。

2.3CAE分析

為了對異響問題有更好的解析，對方向盤轉(zhuǎn)動過程中的支架進行受力分析。首先對模型進行簡化（圖6），然后模擬實車安裝狀態(tài)對螺栓固定位置進行約束處理。最后通過模擬使用中的操作狀態(tài)，對轉(zhuǎn)向管柱安裝支架進行受力分析。

工況一：對自由端施加一個上下調(diào)節(jié)的力后，對其支架端的受力進行分析。通過分析結(jié)果可知（圖7），應力最大處為左側(cè)支架某處焊點連接位置。

工況二：對自由端施加一個模擬轉(zhuǎn)動方向盤的力后，對其支架端的受力進行分析。分析結(jié)果如圖8所示，應力最大處為左側(cè)支架某處焊點連接位置。

2.4失效原因分析

結(jié)合上述分析可判斷，失效原因為車輛管梁安裝轉(zhuǎn)向管柱的支架左右兩端高度差尺寸超差，造成轉(zhuǎn)向管柱安裝完成后，管柱安裝支架產(chǎn)生形變。因此在方向盤持續(xù)操作的過程中，管柱安裝支架焊接位置會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，從而造成2個支架焊點位置會產(chǎn)生形變，形成局部空隙。最終在應力釋放過程中，支架與安裝點發(fā)生摩擦敲擊產(chǎn)生異響。

2.5改進方案及驗證

通過對失效原因的分析，針對該問題提出2種改進方案。

（1）控制管梁轉(zhuǎn)向器安裝支架高度差尺寸，使其尺寸滿足圖紙標準要求。

（2）更改轉(zhuǎn)向管柱安裝支架焊接方法，由點焊變?yōu)樵黾雍缚p長度（圖9），從而提高其剛度，降低其工作過程中的形變量。

最終方案實施后，隨機挑選10輛下線車輛進行主觀評測驗證，主觀評分全部為7.5分以上，方案驗證合格。

3結(jié)束語

對于C-EPS，車輛管梁安裝轉(zhuǎn)向管柱的支架左右兩端高度差尺寸，對于轉(zhuǎn)向管柱的使用性能具有非常大的影響。如果出現(xiàn)超差，會造成轉(zhuǎn)向管柱安裝完成后，安裝支架產(chǎn)生形變，焊接位置會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，形成局部空隙。最終在應力釋放過程中，支架與安裝點發(fā)生摩擦敲擊產(chǎn)生異響，從而影響駕乘舒適性。

本文通過對管柱支架、動力源殼體位置和中間軸3個位置進行客觀數(shù)據(jù)采集，并將所采集到的聲音及振動測試時域信號進行分析，鎖定異響來自于安裝支架。結(jié)合臺架復現(xiàn)和CAE分析，判斷失效原因為車輛管梁安裝轉(zhuǎn)向管柱的支架左右兩端高度差尺寸超差。本研究針對該問題提出改進方案，并通過裝車驗證方案的可行性。該方法為后期工程人員解決同類問題提供了一種解決思路。

作者簡介：

楊香蓮，碩士，工程師、講師，研究方向為車輛工程。