汽车助力转向系统异响问题分析研究

王文龙，陈自新

（华晨汽车工程研究院 路试处，辽宁 沈阳 100141）

汽车助力转向系统异响问题分析研究

王文龙，陈自新

（华晨汽车工程研究院 路试处，辽宁 沈阳 100141）

以某A0级轿车助力转向系统为研究对象，阐述了排查汽车转向系统异响问题的一般方法，之后对转向系统内关键部件的结构进行了分析，最后对各关键部件异响的形成机理进行了研究，形成了分析排查电动转向系统异响的一般流程，具有一定的参考意义。

汽车；电动转向；异响

CLC NO.:U463.4Document Code:BArticle ID:1671-7988(2014)07-21-03

前言

车辆转向系统是汽车中重要的底盘结构，随着对汽车驾驶舒适性和安全性要求的提高以及转向技术的不断发展，助力转向已经渐渐取代了传统的机械转向。当今中国较为流行的助力转向系统分别为液压助力转向系统、电动助力转向系统和电子液压助力转向系统。据统计，2011年液压助力转向系统以56.6%的市场份额占据着中国汽车转向系统的主动地位，电动助力和电子液压助力系统分别占24.8%和10.5%。三大助力转向系统中，电动转向系统在未来的占有率将会不断攀升，预计2015年在中国汽车行业的占有率将超过40%，而在乘用车市场将会更高【1】。

本文以某A0级车电动助力转向系统为研究对象，参考产品验证阶段规范要求和客户实际驾驶操作习惯，对车辆转向时异响的发生机理和结构进行了分析，并探讨了转向系统可靠性因素对转向异响的影响，为电动转向系统的开发设计及产品质量控制提供了一定的参考意义。

1、汽车电动转向系统异响问题分析的一般方法

本文所研究的电动转向系统搭载于某A0级轿车上，助力电机布置在转向管柱上，按照助力单元布置位置划分，属于C-EPS类型。电动转向系统主要由电动转向管柱、转向传动中间轴和机械转向器组成，如图1所示：

转向管柱总成主要由转向柱管、转向轴、助力电机和电动转向控制器等零部件组成。转向器总成主要齿轮轴、转向壳体、转向齿条和转向拉杆组成。转向管柱与转向器之间由中间传动轴通过螺栓进行连接。理论分析和试验表明：转向异响的根本原因是连接部件之间的间隙或是啮合部件的传动不连续。所以在对电动转向系统异响问题进行排查分析的时

候，重点对转向传动的连接区域进行分析，考察其异响可能性。

电动转向系统的异响问题可按其形成机理分为常规转向异响和助力转向异响。常规转向异响指的是电动转向系统处于非工作状态时存在的机械异响，此时的异响是由机械结构传递力或扭矩时存在间隙导致的，可通过台架对管柱、中间传动轴和转向器逐一进行鉴定。助力转向异响指的是电动转向系统处于工作状态时存在的异响，此时的异响排查需要借助于常规转向异响的排查方案和步骤，常规转向异响可导致助力转向异响，也就是说，诊断助力异响问题时需要保证不存在常规转向异响，否则会对助力转向异响的排查形成干扰。

2、电动转向系统易形成异响部件的结构特征

前文所述，电动转向系统的异响原因主要来自于转向传动的连接部位，其关键连接关键点可分为以下六个部分，如图2所示：

2.1 上转向轴

按照整车安全性能的要求，需要在车辆发生碰撞时对驾驶员进行保护，故转向管柱需要设计成可溃缩式，以保证在受到轴向压缩力（碰撞时驾驶员对方向盘冲击的分力）时方向盘可以向下移动，同时吸收掉一部分驾驶员的冲击能量，以减少驾驶员受伤害程度。

2.2 蜗轮蜗杆机构

蜗轮蜗杆又称为减速机构，主要功用是改变助力电机扭矩方向和减速增扭。蜗轮蜗杆只在电动转向系统工作时进行大扭矩传动，蜗轮蜗杆结构如图3所示，考虑传动时降低噪声、吸收震动，蜗轮连接部位多采用尼龙材料。尼龙材料的耐磨损性能不及蜗杆，所以工作一段时间后，蜗轮蜗杆机构的间隙会有一定程度的增大，蜗轮蜗杆结构如图3所示。

对性能要求高的产品会考虑在蜗轮蜗杆机构上增加一个间隙补偿装置，以保证蜗轮蜗杆的传动间隙一直处于一个稳定的区间，提高耐磨损性能【2】。

2.3 管柱输出轴与节叉连接处、中间传动轴伸缩处、节叉与齿轮轴连接处

此三处连接均是花键连接、螺栓拧紧的结构，节叉示意图如图4所示：

花键和螺纹的参数及精度对转向性能及可靠性能有很大的影响。

2.4 齿轮齿条连接处

转向系统工作时，转向器齿轮轴与齿条啮合传动，在这个过程中，齿条受到轴向推拉力的同时，还受到来自齿轮轴的径向推力。受此推力影响，齿条会产生远离齿轮轴的运动趋势，为此，在齿条后部装有推力弹簧和支撑座，以保证齿轮齿条传动时的稳定压紧力，最终保证转向器运转时性能最佳。

3、电动转向系统异响形成机理及排查流程

电动转向系统异响与系统结构特征是密切相关的，连接部位的结构特点对异响问题的促成有重要的意义。主要连接部位的结构特点如前文所述，其各部位异响形成机理如下：

3.1 上转向轴

为实现转向管柱可以进行溃缩，上转向传动轴要做成轴向可滑动式，如图3所示，此上下轴采用内外花键连接，在传递扭矩的同时可吸收轴向位移。如果此处花键参数设置不合理、质量控制不精准或密封措施失效，均会导致转向时产生“咯噔”异响。

此处异响排查可利用台架完成：首先将管柱装在台架上，将管柱输出轴锁死并固定于台架上。其次，按照逐渐变大的转动频率和转动行程转动方向盘，仔细聆听是否存在“咯噔”

异响以及响声频率，同时感受方向盘上的振动情况。如果试验过程中存在异响，且响声与方向盘上的振动同频率增大，可判定转向轴连接处存在间隙，导致转向异响。

3.2 蜗轮蜗杆机构

蜗轮蜗杆机构主要由蜗轮和蜗杆两部分组成，如图5所示：

在产品生产时蜗轮与蜗杆在径向上的间隙需要严格进行控制（无间隙补偿机构），主要是由于蜗轮蜗杆在大负荷作用下会生热，而蜗轮材料尼龙受热膨胀率要明显高于蜗杆，蜗轮受热膨胀后使蜗轮蜗杆间隙减小，滚动阻力加大，严重影响转向性能。所以产品生产时会将此间隙控制在一个区间，过大会造成异响，过小会影响转向性能。车辆行驶一定里程后，蜗轮材料会发生磨损，间接造成间隙增大，产生异响。

蜗杆与蜗轮啮合后的轴向齿间间隙过大也会造成转向换向时的异响，需要严格控制蜗轮和蜗杆齿形的参数和精度。

此处异响排查要借助于排查上转向轴异响时使用的台架，安装固定方式不变，将电动转向管柱工作所需的电源以及信号模拟出来，并输入到控制器中，使电动转向处于工作状态。如果只有在电动转向系统工作时才存在异响，则说明异响问题出自蜗轮蜗杆机构。

3.3 中间传动轴

中间传动轴通过两端节叉的三角花键将转向管柱输出轴与转向器齿轮轴连接起来，并利用三个螺栓将中间轴紧固于转向系统中。三角花键、螺栓和螺纹的参数以及强度对转向性能和耐久性能有着重要的影响。十字轴与节叉的配合尺寸以及装配对也直接关系着转向性能。

此处异响问题的排查：需要一套能够将管柱按照整车装配角度固定的台架，同时需要一套无异响问题的转向管柱（这种方式较为方便）。管柱（带中间传动轴）固定于台架上，将转向器齿轮轴按整车位置及角度焊接在台架上，连接中间传动轴和齿轮轴，即：中间传动轴按照整车相位角进行布置。具体的异响验证手段与上转向轴的验证手段相同，如果试验过程中存在异响，且响声与方向盘上的振动同频率增大，可判定是中间传动轴导致转向异响。

3.4 转向器齿轮齿条间隙

齿轮齿条式转向器通过齿轮传动将齿轮轴的扭矩转变成齿条轴向的推拉力。齿轮齿条啮合工作时，齿轮齿条的中心距在实时发生变化，车辆行驶一定里程后，支撑弹簧受疲劳和耐久性能影响会发生变形，此变形直接影响齿轮齿条间隙量，从而导致异响。

除此之外，转向器壳体的支撑座安装孔内径、支撑座外径、0型圈耐久性能、齿条衬套尺寸以及齿轮轴轴向铆接质量都会对转向基本性能产生影响，甚至导致转向异响。

排查此处异响所需的台架只需将排查中间传动轴异响的台架中的齿轮轴（焊接于台架上）去除，取而代之将问题转向器固定于该位置，即：将整个转向系统按照整车角度布置，同时将转向器外拉杆球头固定于试验台架上。具体的异响验证手段与前者的验证手段相同。

综上所述，汽车电动助力转向系统异响的排查流程图6所示：

4、结束语

转向异响是工程实际中经常遇到的问题，异响的来源和产生机理也千差万变。本文根据工程实际经验，初步建立起一套分析排查异响的方法。从常规转向异响和助力转向异响两个方面进行分析，从各连接点传动副的连接形式以及配合方式出发，对异响的产生机理和解决方式进行了较全面阐述说明。

经过几个整车项目的电动转向系统开发验证表明，这套分析流程可以排查工程实际中大部分转向异响问题。对实际工程应用有着一定的实际指导意义。当然，由于目前的工程经验还不够丰富，还有很多细节问题有待继续探索。在今后的工作研究过程中，还会对该分析体系不断的改进和完善。

[1] 2011-2012年中国汽车转向系统行业研究报告[R].水清木华研究中心，2008.3.

[2] 侯宇. EPS系统特性匹配及其评价技术研究[D].吉林大学工程硕士论文,2012.4.

Noise Research of Vehicle EPS System

Wang Wenlong, Chen Zixin

（Brilliance Automotive Engineering Research Institute Product Verification Section, Liaoning Shenyang 110141）

EPS noise was analyzed in this text based on A0 vehicle. Firstly, some methods about EPS noise analysis was described, then do some research on the key structure of EPS. At last, given a detailed describe of EPS noise analysis and form a process , which is very useful to Engineering practice.

Vehicle；EPS；Noise

U463.4

B

1671-7988(2014)07-21-03

王文龙，就职于华晨汽车工程研究院。