胡羽生、楊炎貴

（廣汽埃安新能源汽車股份有限公司，廣州 511400）

0 引言

隨著新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車關鍵零部件如轉向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)的電動化也得到快速發(fā)展。電動助力轉向系統(tǒng)（EPS）因具有油耗更低、車輛動態(tài)控制性能更好、結構簡單以及占用空間位置小等諸多優(yōu)勢，使其發(fā)展迅速，逐漸取代液壓助力轉向系統(tǒng)，在乘用車尤其是新能源汽車領域應用廣泛[1]。由于電動助力轉向管柱內部結構相對復雜，零部件繁多，當車輛在壞路行駛時，其內部零部件之間的配合不良容易導致異響的發(fā)生[2]。純電動汽車由于沒有發(fā)動機噪音，其轉向管柱的異響更容易被用戶察覺并引發(fā)用戶抱怨[3]。所以對純電動汽車的電動助力轉向管柱異響問題的研究是十分必要的。

本文基于某純電動SUV 車型在經過顛簸壞路時出現(xiàn)的異響問題，從其設計、生產制造等方面展開調查，鎖定異響原因并對其生產制造過程進行優(yōu)化，最終解決該異響問題。

1 轉向系統(tǒng)異響問題描述

某純電動SUV 車型在試制階段，整車經過顛簸壞路時發(fā)生批量轉向系統(tǒng)rattle 異響問題。主要現(xiàn)象為以25-30 km/h 速度經過卵石路和一般壞路、15 ～20 km/h 的速度經過繩索路以及凹凸路時（圖1），轉向系統(tǒng)有明顯rattle 異響，并且方向盤能感受到明顯的振動感。針對轉向系統(tǒng)異響課題，經過主觀評價及對轉向系統(tǒng)的ABA 互換驗證，鎖定異響源為管柱本體，排除裝配及轉向系統(tǒng)中其他零件單品（方向機和中間軸）的影響。

圖1 轉向系統(tǒng)異響測試路段，從左到右依次是卵石路、繩索路和凹凸路

2 原因分析

通過主觀駕駛評價，初步鎖定異響源為轉向管柱減速機構附近。電動助力轉向管柱減速模塊主要包含蝸輪、蝸桿、蝸輪箱、間隙調節(jié)座、蝸桿軸承和電機總成等零部件[4]?；谶^往經驗分析，轉向管柱rattle 異響一般與管柱內部零件配合間隙大有關。該型號管柱減速機構的間隙配合副主要包含電機花鍵和蝸桿花鍵配合副、蝸桿軸承和蝸輪箱配合副、蝸桿和蝸輪配合副以及蝸桿和間隙調節(jié)座配合副（圖2）。如果這些配合副間隙過大，車輛在經過顛簸路面時，從底盤傳遞過來的激勵會通過機械轉向器-轉向中間軸傳遞到轉向管柱，這種外部激勵過大則會導致配合副兩個零件之間發(fā)生撞擊，從而產生異響，引發(fā)客戶抱怨。

圖2 轉向管柱減速機構及內部配合副

為進一步鎖定異響源頭，利用異響噪聲測試設備對轉向管柱的幾個配合副進行布點，采集可疑異響源位置的振動波形，實際布點位置如圖3 所示。整車按前述條件的速度分別駕駛經過卵石路、一般壞路、繩索路及凹凸路，采集車輛行駛過程中布點位置的振動加速度數據,結果如圖4 所示。通過對比振動波形，確認振動加速度最大的位置為蝸輪箱，并且蝸輪蝸桿嚙合的方向振動加速度最大，達到54 m/s2。故初步判斷rattle 異響來源于蝸輪-蝸桿配合副，并極有可能是蝸輪蝸桿撞擊異響。

圖3 傳感器布點示意圖

圖4 轉向管柱可疑異響源布點測試振動圖

鎖定管柱異響源為蝸輪-蝸桿配合副后，為進一步調查問題原因，取2 臺異響件與非異響件進行對比分析。參照過往類似問題的解析流程，第一步先復測不良件空載力矩，同時對比非異響不良件空載復測結果，發(fā)現(xiàn)不良件空載力矩相比出廠狀態(tài)差異較大（表1），而非異響件復測空載力矩相對于其出廠空載力矩差異相對較小。從實際測量數據對比分析，異響不良件復測空載力矩下降較大，異響件空載降低程度達到非異響件的2 倍以上，初步判斷異響件的空載大幅下降為異?，F(xiàn)象，空載力矩的異常下降與本次異響問題直接關聯(lián)。

表1 異響件及非異響件出廠空載和復測空載結果

結合過往經驗歸納分析，轉向管柱總成空載力矩的異常降低一般與蝸輪及蝸桿等子零件關聯(lián)較大[5]。故進一步拆解出管柱總成的蝸輪及蝸桿單品，復測蝸輪中心距及蝸桿三針距，并對比異響件與非異響件的蝸輪、蝸桿出廠測量數據。對比結果如表2所示，對比異響件與非異響件尺寸測量結果，發(fā)現(xiàn)異響件的蝸輪中心距相比其出廠狀態(tài)有明顯差異。2 個異響件蝸輪中心距復測分別減小約0.1600 mm、0.1200 mm，而非異響件蝸輪中心距復測減小的值小于0.0400 mm。但是異響件與非異響件蝸桿三針距的出廠數據相對其復測數據相差不大，因此鎖定轉向管柱空載力矩下降過大的原因為蝸輪中心距減小過大。蝸輪中心距減小過大會使得蝸輪-蝸桿配合副間隙變大，蝸輪-蝸桿配合副間隙變大則會導致轉向管柱在受到外部振動激勵后產生蝸輪蝸桿碰撞異響。

表2 異響件及非異響件蝸輪-蝸桿出廠及復測數據

該型號轉向管柱蝸輪盤原材料為PA66+25% GF，其表面硬度較高，耐磨性較好。從設計上分析，不應出現(xiàn)零公里磨損達到異響件狀態(tài)的問題。調查同期使用相同型號蝸輪毛坯但不同產線加工供應其他主機廠的產品，確認未反饋類似異響問題。同步對比其出廠及復測數據，與非異響件裝車前后的差異基本一致，判斷該型號轉向管柱蝸輪盤加工線存在異常。

為進一步調查異響件蝸輪中心距裝車后異常減小的問題，取蝸輪毛坯，將毛坯的齒面噴上紅漆，在蝸輪加工生產線上重復其齒面磨削加工-蝸輪中心距測量生產制造過程，發(fā)現(xiàn)加工出來的蝸輪樣件齒面磨削的配合面偏離其設計位置（中心位置）。如圖5所示，無紅漆位置即為實際磨削加工后的齒面，可以發(fā)現(xiàn)，其左側磨削齒面至蝸輪端面距離與右面磨削齒面至蝸輪端面距離不一致，即實際磨削加工位置偏離設計位置(設計要求左側磨削齒面至蝸輪端面距離與右側磨削齒面至蝸輪端面距離一致)。

圖5 蝸輪左右齒面磨削加工情況

由于蝸輪齒面實際磨削加工位置偏離設計位置，導致裝配成管柱總成后蝸輪蝸桿嚙合狀態(tài)不佳，此時轉向管柱空載力矩不真實。在管柱總成裝車磨合一段時間后，其蝸輪嚙合面的磨損遠大于正常嚙合狀態(tài)下的蝸輪，故在裝車磨合后再次復測蝸輪中心距降低較大。蝸輪齒面的異常磨損使得蝸輪蝸桿配合副的間隙增大，最終在整車上表現(xiàn)即為管柱空載力矩大幅降低及顛簸路rattle 異響。

蝸輪裝車磨合后磨損過大的原因是其磨削加工面與實際配合面不一致，蝸輪蝸桿嚙合狀態(tài)不對。針對蝸輪磨削加工位置偏離問題調查鎖定原因為磨削加工工裝未按要求進行定期校驗，實際生產時工裝已偏離設計位置，導致蝸輪齒面磨削加工時磨削后的嚙合面偏離設計位置，最終導致裝車后異響問題的發(fā)生。

3 優(yōu)化方案制定及效果驗證

針對問題原因，調整磨削加工工裝，使磨削工裝符合要求。為驗證磨削工裝改善后的效果，取1 件蝸輪毛坯，在蝸輪毛坯齒面均勻噴涂紅漆。之后按正常流程加工蝸輪毛坯，加工完成后觀察確認蝸輪左右側磨削位置與設計位置一致。

按改善磨削加工工裝后的狀態(tài)生產3 個蝸輪盤，并正常生產組裝為3 條轉向管柱總成。3 條管柱的出廠空載力矩、蝸輪中心距及蝸桿三針距如表3 所示。

表3 改善后轉向管柱驗證件出廠空載力矩及蝸輪蝸桿數據

將3 條裝配并測試后的管柱裝配至整車上，按相應的車速駕駛經過卵石路、一般壞路、繩索路及凹凸路，主觀評價轉向管柱噪音在可接受范圍內，轉向管柱顛簸路異響問題得到解決。之后，再以相同的駕駛條件對車輛進行客觀評價，使用異響探測設備按圖4 方式進行傳感器布點，采集車輛按相應車速經過上述路段時的管柱布點位置的振動加速度數據，結果如圖6 所示。對比圖6與圖4 可知，改善后蝸輪蝸桿嚙合方向最大振動加速度為13.8 m/s2，振動加速度最大為15.9 m/s2，方向為蝸桿軸向方向，遠小于異響件最大振動加速度54.0 m/s2。通過主觀及客觀評價，確認改善蝸輪磨削加工工裝后，轉向管柱顛簸路異響問題得到明顯，不會再引起客戶抱怨。

圖6 蝸輪磨損工裝改善后轉向管柱噪聲測試數據

為進一步確認對策有效性，將裝車驗證后的三條轉向管柱復測空載力矩后拆解并復測其蝸輪中心距及蝸桿三針距，并對比其相對應的出廠數據，其結果如表4 所示。分析測量數據可發(fā)現(xiàn)改善磨削工裝后，轉向管柱改善件裝車前后空載力矩及蝸輪中心距未出現(xiàn)類似異響件大幅減小的問題，從側面也印證改善對策有效。

表4 轉向管柱改善驗證件空載力矩、蝸輪中心距和蝸桿三針距出廠及復測數據

4 結束語

蝸輪蝸桿的嚙合狀態(tài)對轉向系統(tǒng)的異響有較大影響，合理的嚙合狀態(tài)不僅可減少轉向異響，還可延長轉向管柱的使用壽命。本文通過異響探測設備鎖定異響源為蝸輪蝸桿配合副，經過對比分析鎖定異響原因為蝸輪齒面磨削加工異常。改善蝸輪磨削加工工序后，通過整車搭載主觀及客觀評價后，確認改善對策有效，異響問題得到解決。