齿轮齿条式机械转向器异响分析及改进
2017-09-07郭廷黄巨成卜万里张海源
郭廷++黄巨成++卜万里++张海源
摘 要:针对配备C-EPS(管柱助力式电动转向系统)转向的车辆,行驶在特定路面时转向机发出异响,通过台架试验甄别发生异响的部位,进行零部件优化设计结构,并对设计优化结果进行试验验证并批量生产。
关键词:C-EPS;齿轮齿条转向机;异响
中图分类号:U463 文献标识码:A
自1988年日本铃木公司首先在其小型轿车Cervo上装备电动转向以来,随着电机和电控技术的发展,在国内市场上销售的车辆中EPS的装车量在飞速增加。2008年EPS的装车量为68万辆,2009年为95万辆,2010年为130万辆,2016年EPS的装车量超过1000万辆,预计2020年场上销售的车辆中EPS的装车在90%以上。与液压转向系统(HPS)相比,电动助力转向系统(EPS)具有节能(降低油耗0.3L/100km左右)环保(无更换液压油引起的二次污染)以及更加优异的操纵性能。但由于电动转向系统与液压转向系统相比,在不平路面行驶时缺少液压油的缓冲衰减,更容易导致在颠簸路面行驶时产生异响。
一、问题描述、分析与异响排查
1.问题描述
某款配备C-EPS转向系统的车型,在整车下线后进行的动态路试中,驾驶员以10km/h~15km/h的时速行驶在卵石路、凸凹路和钢索路面时,驾驶员能够听到明显、连续的rattle、click、clink异响, 同时伴随着方向盘有明显的振动冲击出现。异响如果不能得到解决,后期一方面会引起客户的强烈抱怨,另一方面也同时会导致EPS系统内零部件异常磨损而导致整个转向系统故障。
2.异响分析
如图1所示,改款车型装配的C-EPS转向系统主要构成为:电动转向管柱总成、中间轴总成、齿轮齿条机械转向机总成。车辆行驶在卵石路、凸凹路和钢索路面时,轮胎受到不平路面的逆向冲击后,通过转向拉杆的球头传递到齿条,导致齿条在受到冲击后左右移动;齿条的左右移动通过齿轮齿条的线角传动改变为中间轴和EPS管柱芯轴的旋转运动。在不平路面产生振动的高频激励下,转向系统内部零部件的间隙在高频冲击下产生异响。
3.异响排查
首先确认零部件连接点是否配合到位:方向盘与转向管柱花键紧固螺母、中间轴与转向柱花键紧固螺栓、中间轴与转向机输入轴紧固螺栓、内拉杆与外球头紧固螺母、外球头与转向节紧固螺母以及底盘其他系统紧固件力矩。确认连接件无松动紧固到位后,进行内部结构分析确认异响源头。具体方法:在转向系统零部件的不同位置(外球头、齿条支撑端、齿条啮合端、中间轴、EPS涡轮箱处等)设置振动加速度传感器,记录车辆在通过卵石路、凸凹路和钢索路面时的音频和加速度值,对比异响声音出现时不同位置的加速度数值,确定异响源,如图2所示。本文主要对转向机在卵石路、凸凹路和钢索路产生异响进行分析、结构优化及试验验证。
二、齒轮齿条转向机异响排查及验证
1.故障件台架测量
将转向机带横拉杆总成以整车状态固定在试验台上,将一惯性飞轮固定在转向机输入轴上,固定齿轮齿条啮合端外球头,在齿条衬套端施加特定载荷、频率和波形的负载。在间隙调整托座和齿条支撑端安装振动加速度传感器,测量施加载荷后两个位置的振动加速度,如图3所示,测量结果如图4所示。
故障件转向机的间隙调整托座和齿条支撑端的振动加速度测量值与数据库中不存在异响的其他车型转向机相同位置的测量结果对比,发现此两个位置的振动加速度峰值异常(较大),认定此转向机调整托座和齿条支撑端结构设计不合理,需要进行改进。同时发现调整托座处比齿条支撑衬套处振动加速度高点出现的频率高和峰值大,说明异响主要来源于此,为重点改进方向。
2.改进方案及整车评价
车辆在卵石或其他不平路面行驶时,车轮受到路面激励后,带动齿条快速左右换向,齿条左右移动导致调整托座上下运动。现结构为调整托座与壳体有一个O型圈,调整托座在齿条移动导致的上下运动时,单O型圈结构导向差,托座外周与壳体内壁之间、托座端面与紧固螺塞摩擦或撞击产生。改进方案为调整托座上的O型圈由一个增加为两个,在调整托座和紧固螺塞之间增加一个O型圈,同时调整压紧弹簧的刚度,如图5所示。
齿条支撑端现结构为单O型圈,此结构支撑套的刚度不足,在路面激励导致齿条的运动过程中,齿条在轴向和径向都受到较大的力,支撑套的刚度不足在受力下变形,最终导致二者之间间隙过大产生振动异响。此处改进方案为:支撑套与壳体配合O型圈增加为两个,增大支撑刚度,同时增加齿条与支撑套的过盈量,如图6所示。
对调整托座增加O型圈、紧固螺塞端面O型圈、弹簧刚度、齿轮齿条啮合间隙等方案进行DOE试验,做出7套样件进行整车卵石路、凹凸路、钢索路面异响验证,同时对整车的转向性能(原地转向力、中高速转向力、低速和高速回正性能)进行了评价,最终选定调整托座双O型圈、端面O型圈、弹簧刚度250、啮合间隙0.07、齿条支撑端双O型圈作为最终解决方案。验证记录及评价见表1。
3.性能耐久验证
经过整车路试和转向性能评价确认最终的改进方案,在理论分析上存在转向机下线和耐久的正逆驱动力不符合转向机性能定义的风险。如何通过产品加工工艺参数和尺寸公差设置,需要经过计算分析和台架性能可靠性验证。
公差尺寸和工艺参数的具体验证过程不做详细叙述,为了满足间隙和转向机正逆驱动力,工艺需做如下改进:如衬套端涂脂量≥8g、支撑座端涂脂量≥6g以达到辅助润滑效果,与衬套、支撑座接触的齿条齿面,粗糙度需≤Ra0.35以减少对支撑件的摩擦等。经过工艺改进后,转向机台架试验合格,见表2。
结语
为了解决EPS转向系统中齿轮齿条式转向机在卵石路、凸凹路和钢索路产生rattle、click、clink异响,在试验台上完成了小载荷和大载荷两种工况下的振动加速度试验,进行了振动加速度的时域和频域分析,得出异响产生的位置,并提出了优化方案。并对优化方案进行了台架试验和整车评价,效果良好。值得注意的是随着客户对汽车NVH性能的要求越来越高,作为工程师应该建立异响库,建立设计规范和固化先进设计结构,直接应用到新开发车型中,避免后期类似问题重复发生。
参考文献
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