C-EPS电动转向管柱颤响优化设计

杨伟

(长城汽车股份有限公司,河北保定 071000)

C-EPS电动转向管柱颤响优化设计

杨伟

(长城汽车股份有限公司,河北保定 071000)

主要针对C-EPs管柱助力式电动转向因尺寸、结构设计不合理而产生的石块路颤响问题进行深度剖析，提出优化设计方案；并对优化设计前后相关零部件进行对比分析。该优化设计已经经过试验验证及批量生产验证，且适用于同平台车型。

C-EPs电动转向管柱；颤响；优化方案

0 引言

当前公共交通事业迅猛发展，汽车作为众多交通工具的一种，也越来越多地走进了千家万户。然而随着汽车的普及所带来的一系列的能源、环境、操控性能、维修等问题，也越来越受到大众的重视，因此电动转向助力系统在大环境下应运而生。

伴随汽车数量的快速增长，电动助力转向系统凭借自身的性能优势与发展空间，越来越受到广大车企的青睐。

1 问题描述分析

电动助力转向与传统液压助力转向相比，结构、助力形式有着很大的差异。表面上虽然规避了转向油液渗、漏等诸如此类问题，但是各种各样的的异响问题伴随着汽车的生产越来越凸显。

电动助力转向系统由于没有了转向油液液压阻尼缓冲作用，如图1所示：颠簸路面高频振动冲击反馈的路感，在转向系统和与其相连接各个零部件的作用下进行放大。首先轮胎左右摆动转换成转向器齿条沿轴线方向快速左右运动；左右运动位移量再通过转向器齿轮齿条啮合的线角传动比进行转化，形成转向器输入轴(小齿轮轴)快速换向转动；运动向上传递最后通过传动轴、管柱等一系列硬性连接反馈至驾驶员方向盘位置，最终表现为方向盘位置剧烈震动，并伴随“嗡嗡”颤音异响。

对于此问题，首先初步判定问题方向。针对故障再现件方向盘“嗡嗡”颤响，通过“工业听诊器”依次对转向管柱、转向中间轴及转向机进行异响源探测和大总成零部件互换试验验证。初步确定“嗡嗡”颤音异响源自于转向管柱总成，采用排除法的原则剔除了转向中间轴与转向机总成，缩小问题范围，初步判定问题方向。

问题方向初步确定后，再作进一步分析。转向管柱的传递、运动机制如图2所示：车辆行驶时，方向盘的转动通过转向轴的硬性连接传递给输入轴(扭杆)；扭矩传感器根据扭杆的变形量计算出转向扭矩并输入给控制单元(电动转向电控ECU)；ECU控制转向电机，提供的助力扭矩到蜗杆、蜗轮组合件；最后蜗杆驱动蜗轮，涡轮带动输出轴实现助力输出。

进一步分析，如图3所示，故障再现件可分别拆解为传感器总成及机械管柱总成两部分。

故障件拆解成两大分总成再重新装配成转向管柱后装车验证，仍有嗡嗡颤响，首先排除分总成组装过程中人为因素的影响。取正常件和故障件的转向管柱拆解为传感器总成及机械管柱总成，再重新互换装配成转向管柱后装车验证。通过上述两轮交互试验，发现“嗡嗡”颤响的发生跟随传感器单元总成部分；并且晃动或者敲击故障再现件拆解下来的传感器总成部分，也会有类似“嗡嗡”颤音。由此可以确定：颤音为传感器总成内的零件碰撞、颤动而引起。

2 真因排查

进一步拆解传感器单元分总成，并结合零部件生产组装过程，可以确认：滚针轴承通过液压机械压入输入轴(滚针轴承与输入轴过盈配合)；扭杆也是液压机械压入输出轴(扭杆与输出轴过盈配合)；只有扭杆与滚针轴承是间隙配合这一问题风险点。

如图4所示:扭杆与滚针轴承设计状态为间隙配合(排除扭杆外径或滚针轴承内径尺寸是否符合图纸规格要求或尺寸制造公差的人为影响因素)，整车通过石块路时被激励、颤动，最终导致扭杆与滚针轴承碰撞产生颤音。

Xmax=ES-ei=0.031-(-0.009)=0.040

Xmin=es-EI=0.013-0=0.013

通过理论计算与实际装配印证得出：转向管柱扭杆外径与滚针轴承内径之间为间隙配合，配合间隙由配合公差带图计算可得为0.013～0.04 mm。管柱扭杆与滚针轴承配合设计不合理是导致管柱颤响的真正原因。

3 对策验证方案实施

问题真因已经锁定，下一步通过试验结合实车验证，来寻找最佳的滚针轴承内径与扭杆外径的配合间隙，规避由此产生的颤响问题。

通过大量的、分段验证的方法得出：配合间隙应收严到不大于0.020 mm，对于解决管柱颤响问题改善效果比较显著。

根据此试验结果，重新优化转向管柱扭杆外径公差带及滚针轴承内径公差带，保证零部件配合基准不变的前提下，优化公差带如图6所示，具体实施方案有两种：

优化后根据配合公差带数据计算配合公差：

Xmax=ES-ei=0.014-(-0.006)=0.020 mm

Xmin=es-EI=0.002-0=0.002 mm

由此计算得出：优化后的配合间隙为0.002～0.020 mm，配合尺寸基本可以满足试验结果的要求。

优化更改完成后经过长达半年的生产与售后实车跟踪：方案切换后问题发生频率明显降低，图7所示问题发生频次由20%降至0.01%。扭杆与滚针轴承都为金属材质，如果改成过渡或是过盈配合，就是去了零部件本身的意义(首先装配过程工艺不易实现，退一步说，就算实现后轴承滚针部位受到外力冲击，已经破坏或存在破坏的风险隐患；其次转向电机提供的转动扭矩是通过施加在方向盘上的手力，使扭杆发生变形，扭矩传感器计算变形量转化成信号得出的。如果为过盈与过渡配合，整体可以看作是刚性连接，电动转向就失去了其本身的意义，不提供助力)。间隙配合也只能减小问题发生的频次，不能完全规避颤响问题。扭杆与滚针轴承的配合间隙为0.002～0.02 mm，已经接近0间隙。再通过减小配合间隙，完全消除颤音异响问题，无进一步优化空间。

通过外部对标借鉴其他公司类似平台车型成功经验，将滚针轴承结构更改为滑动轴承结构。如图8所示：滑动轴承内表面为聚四氟乙烯材料。实车状态车辆在颠簸路面行驶发生共振时，扭杆与滑动轴承发生碰撞。更改为塑料与金属材质撞击，能够有效地规避碰撞颤音。

滑动轴优化完成切换后，又经过近半年的生产跟踪验证与售后市场反馈，完全规避颤响问题，提升车辆整体品质，消除客户抱怨。

4 总结

零部件配合间隙在零部件生产过程中是必不可少的，传统的工艺方法、设计只是满足了最基本的使用要求，预留了很多优化空间。系统设计开发阶段，类似问题对标工作不全面、横向与纵向拓展不足、问题风险点识别有所欠缺等诸多因素是导致问题发生的主要原因。

通过外部对标横展，借鉴类似平台结构，规避新结构初次应用风险。并将知识积淀，完善零部件开发矩阵表、录入失效FMEA库；固化经验、建立设计规范，来预防后期类似问题的发生。

【1】Q/CC JT365-2012汽车电动助力转向装置(管柱助力式)技术条件[M].

【2】Q/CC SY022-2013整车NVH主观评价方法与指标[M].

【3】采埃孚( ZF ).体验精湛的技术与服务[OL].

【4】王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

【5】刘惟信.机械最优化设计[M].北京：清华大学出版社，1994.

C-EPS Electric Steering Column Fibrillation Optimization Design

YANG Wei

(Great Wall Motor Co.,Ltd., Baoding Heibei 071000,China)

Due to unreasonable design of structure and size, automobile equipped with C-EPS electric steering column generates fibrillation driving on stone road.To solve the problem, in-depth analysis was done, optimal design scheme was proposed, contrast analyses before and after optimization were completed to related parts.The optimal design has been passed experimental verification and batch verification. It is fitted to same platform models too.

C-EPS electric steering column; Fibrillation ring;Optimization scheme

2015-08-21

杨伟(1981—)，助理工程师，主要从事转向系统开发匹配研究。E-mail:41711525@qq.com。