汽车电动转向系统黏滞问题分析及优化

2018-07-24梁阿南丁宁张琦

汽车工程师 2018年2期

梁阿南丁宁张琦

（北京汽车股份有限公司）

随着汽车的普及，汽车已不仅仅是一个代步的工具，人们在驾驶汽车的过程中，也在享受驾驶的乐趣。转向性能是每位驾驶者最容易感知的一项基础性能，转向手力的大小和舒适度都极易被驾驶员感知，从而影响其对汽车整体性能的满意度。近年来，经常报道一些车型存在转向黏滞，即转向受力突变的问题，其中，美、韩及日系车型都有。客户对这些车型的转向黏滞问题抱怨很大，但是问题迟迟不能得到解决。主要有两方面因素：一方面是设计之初没有充分识别客户对转向黏滞的感知度；另一方面是由于卡滞问题影响因素较多，解决比较困难。文章基于在开发电动助力转向（EPS）系统[1]初期阶段出现多次转向黏滞问题，采用逐项排查及试验验证等方法，最终确定问题的根本原因为EPS系统蜗杆表面结构不利于油膜附着以及蜗杆润滑不良等综合因素。最后通过优化润滑工艺、改变蜗杆表面结构及增加黏滞补偿等措施，解决了转向黏滞问题。

1 问题描述

客户反馈某车型原地或行车时出现转向力突然变大的状况，即：转向黏滞现象，尤其是高速行驶时故障现象明显。通过对故障复现测试，发现黏滞现象的规律：黏滞出现在转向盘由静止至转动的过程，此时手力会出现一个明显的波动。因转向系统问题涉及整车安全，在原地或行驶过程中若出现明显的助力变化，会影响到整车的行驶安全，因此必须对该问题进行分析，解决转向系统手力突变的问题。

2 原因分析

针对问题的描述，主要从人员、机器、原料、方法及环境等方面进行故障原因的排查。其可能的影响因素有：系统装配不规范、内摩擦大、润滑不良、涡轮蜗杆啮合不良、涡轮蜗杆尺寸超差、润滑脂性能变化及外部冲击载荷等。

通过对110个故障件进行测试，发现故障件黏滞程度与启动力矩有强相关性，因此确认导致管柱黏滞的直接原因为系统内摩擦力大。经分析导致系统内摩擦力大的主要影响因素有以下两方面。

2.1 润滑不良因素

因润滑脂内混入了防锈油，导致涡轮蜗杆摩擦力大，故对卡滞件进行带不良油脂和去除不良油脂启动力矩的对比试验，试验结果，如图1所示。从图1可以看出，去除不良油脂后电动助力转向管柱的启动力矩明显下降。

图1 电动助力转向管柱启动力矩试验对比

2.2 蜗杆结构因素

电动转向管柱蜗杆表面光洁度高，不利于油脂存储，产生镜面摩擦效果。通过摩擦特性的研究，证实接近镜面结构的金属表面在一定的温度压力下与涡轮材料摩擦能产生力的阶跃式波动。

针对以上总结分析，确定黏滞问题主要原因为电动助力转向管柱总成内摩擦大，系统启动力矩大。在转向盘由静止至转动过程，由于系统启动力矩大，驾驶员会感觉到手力的突变。

3 优化方案制定

因导致管柱黏滞的直接原因为系统内摩擦力大，所以通过改善润滑方式及蜗杆结构可改善该问题。为达到最优效果，通过试验验证，采用“软件补偿”的方式进行机械粘滞补偿，同时从润滑不良和蜗杆表面结构优化等方面开展工作，改善转向系统粘滞问题。

最终方案为：1）针对润滑脂中混入防锈油，导致润滑性能下降，摩擦力变大的问题，采用生产线上切削油代替原防锈油对输出轴进行防锈；2）蜗杆表面优化为高尔夫球面结构，与涡轮啮合更稳定；3）电动助力转向管柱软件增加黏滞补偿功能，降低黏滞问题发生概率，当驾驶员手力发生变化而电动机转速为0时，黏滞补偿功能介入，减小波动幅值。

具体补偿策略为当驾驶员手力发生变化而EPS电动机不提供助力时，黏滞补偿功能介入，当电动机正常工作提供助力时，补偿功能退出。