汽车电动转向系统异响问题分析及优化

2021-01-16吴允久安徽江淮汽车集团股份有限公司

环球市场 2021年35期

吴允久安徽江淮汽车集团股份有限公司

电动助力转向系统具有节能、驾驶性能好的特点，因此成了汽车转向系统主要的应用和发展方向。随着用户对车辆NVH 性能要求的提升，各种异常噪声问题备受关注。近年来，相关技术人员对电动转向系统异响的研究在不断增加，通过研究来进一步优化电动转向系统性能。低噪音和使用性能的可靠性，构成了EPS 的基础功能。而归根结底EPS 噪声是振动引起的异响问题，其主要来源包括，蜗轮摩擦异常、转向柱调整不合理、中间传动轴故障以及齿轮条间隙不当造成的。通过对转向系统异响现象的总结和分析，需要从工艺制作和材料方面，解决电动转向系统异响问题。

一、关于汽车电动助力转向发生的异响简述

（一）助力转向系统的噪声

根据异常振动的形式可分为旋转异响、冲击异响和颠簸异响。旋转异响是由于电机运行产生的异响。颠簸异响噪声来源于车辆在行驶过程中，因路面不平，零件间隙的作用而产生噪音。冲击异响是将方向盘固定在某一方向为中点时，来回转动方向盘，产生类似碰撞的声音。如果发生助力转向异常噪音，在受力作用下会引起零件不同程度的损伤，影响汽车的正常使用功能。

（二）关于转向系统摩擦异响的特点

转向柱蜗轮与蜗杆擦摩异常主要分为两种，一种是当方向盘启动时，缓慢转动方向盘，蜗杆与蜗杆啮合出现异响，基本上是由于蜗杆与螺杆卡死造成的。另一种是蜗轮蜗杆在低温运动时，发出明显的异响，主要是由斜齿轮和蜗轮的经常摩擦引起的。

二、系统产生异响的主要来源

汽车在使用过程中，技术人员在对其转向异响里程进行统计，80%的异响故障发生在约2000～10000 公里之间，转向故障部位及异响程度与机械磨损有直接的关系。系统产生异响的主要来源如下：

（一）电动助力转向系统中蜗轮摩擦异常

其机理主要是蜗轮与蜗轮接触面产生一定的粘连作用，因此使表面产生振动，形成传动阻力造成异响。其粘滑现象是由静、动摩擦反复交替引起的，当结构面的静摩擦超过动摩擦时，使系统产生弹性因此发生粘滑现象。在发生粘滑作用后，静摩擦逐渐增加，当外力使用能克服其摩擦力时，结构的接触界面就会发生滑移，并同时发出高频异响。

（二）转向柱调整时发生异响

管柱绕旋转原点作径向和轴向滑动，进行方向和高度调整时，通过滑动凸轮以及连接齿相互作用进行锁紧和松开。转向柱与汽车的方向盘相连，并通过铰链和垫圈连接到底部支架。铰链销和嵌件连接到主体上，并将铰链销轴为其原点。在顶部有2 个安装点焊接在支架上，调节支架通过螺纹杆与底座相连。支架上有弧形滑槽和调节凸轮。当松开调节杆时，调节机构安装面会留有间隙。当转向轴角度变化时，使调节凸轮滑入弧形槽内。带动固定座，调节管柱进行滑动，以达到调节方向的目的。但当调节臂被锁定时，调节凸轮旋转并压缩调节支架，使调其内侧受到收缩。而固定座与下管柱的焊接连接，使下管柱与滑套压紧而收缩。一旦间隙消除，各部件就不能有效进行平滑运动，推动径向和轴向位移量。此时调整转向柱转动方向盘时，转向柱调整机构就会发出“咔嗒”的异响。另外，当松开调节杆后，锁块沿与手柄连接线方向转动。支架管底安装孔为矩形孔，并与销轴连接。当上下调节管绳，销轴会产生上下运动，同时发生异响。根据特定车型转向柱异响分析和研究，支架和销的设计中存在腔体，以方便对转向柱进行安装。实际安装后，调整中管柱出现异响。通过分析，得出矩形底托孔的宽度公差过大。可通过对销轴公差的调整消除了结构间隙[1]。

（三）助力系统中间传动轴发生异响

产生传动轴异响应根据结构进行综合评定。中间轴由输出轴和齿轮轴组成。并与两端节叉花键相连，后用螺栓将中间轴固定于转向系统。因此，花键、螺栓及其参数将影响助力转向系统的转向性能，同时十字轴与前叉尺寸也会对转向产生一定影响，导致设备发出异常。传动轴异响的检测方法包括，根据车辆情况，将管柱固定。为了比较其是否存在异响，要在工作台上固定一套检测用的转向管柱。然后，转向器轴按要求角度和位置与齿轮轴相连，调整到对于车辆的角度。如果在试验中发现驱动轴有异响，或振动频率增加，则可直接判断转向系统轴存在故障问题。

（四）转向系统齿轮齿条间隙异响

齿轮齿条转向器，其作用是将扭矩为转向轴提供推拉作用力。齿轮齿条工作时，其中心距是实时偏移的，在车辆行驶一段时间后，弹簧会发生疲劳变形，这种变形会影响齿轮齿条的空间位置，使助力系统的运行出现问题。另外，如转向器外壳支座不符合质量标准，其外径大小、O 形圈的耐用性和齿条规格尺寸都会影响转向功能，导致转向系统发生异响。因此，技术人员要重点关注转向齿轮齿条间齿隙，防止出现异响。通常检查动力系统传动轴异响，其测试中要取下齿轮，由机器进行异常噪音的检测。并把转向器放在这个位置，对整个转向系统进行测试，同时检查整个路径中的齿条和齿轮间的空间，以评动力系统的异常噪音[2]。

三、动力转向系统的异响分析

（一）影响斜齿轮磨损异响的分析

首先蜗轮以及蜗杆材料的耐磨性比较差。转向柱伺服结构中，与蜗杆配件相比，蜗轮结构的耐磨性相对较差，导致蜗轮在运行时磨损更严重。转向柱的蜗轮和蜗杆设计为固定中心距运行结构。因其不能有效调节蜗轮与蜗杆间隙进行补偿。当汽车通过凹凸路面时，蜗轮和蜗杆结构会形成一定的间隙。最后通过对离线转向柱拆解，发现蜗轮顶部存在缺陷。该缺陷是由于蜗轮、蜗杆啮合时啮合面损坏造成的，因此而增大结构间隙。

（二）关于上转向柱异响

要使转向柱良好运行，上转向传动轴可将其设计为轴向滑动，结构的上下轴用内外花键进行连接，使旋转时可以轴向改变传递扭矩。但在实际应用中，如上下轴内外关键参数不能正确调整，会使转向轴间的密封设置不正确，造成上下轴位置不正确，使转向轴在正常运行时产生异响。消除该异响的方法操作如下：技术人员要将管柱固定，同时锁紧管柱的输出轴。根据旋转频率增加转向行程，检测并进行位置分析，检测声音的频率变化，用手触摸方向盘，如果在震动的声音和频率增加，可直接判断转向柱连接处存在间隙[2]。

（三）蜗轮噪音异常

斜齿轮机构包括斜齿轮和蜗轮。在转向器设计和生产过程中，必须控制好蜗轮与蜗杆间隙，采用无间隙补偿机构控制。由于在其运行过程中会产生热量，材料产生热膨胀效应，导致蜗轮与蜗杆之间的空间减小，由于滚动阻力增加，最终影响了助力转向性能异常。为此，在转向器设计和制造中，必须严格控制间隙在标准范围内。如果间隙太大会产生异响，而过小会直接影响车辆的转向性能。另外，在实际使用过程中，如果经车辆长的时间运行后，材料磨损会导致间隙增加并产生异响。消除方法是将转向柱固定，并检查是否存在异响。再通过模拟信号控制器，检测转向轴的工作状态。如果助力系统在运行时只产生异常噪音，则可基石判定噪音是由蜗轮、蜗杆产生。

四、转向系统摩擦异响的优化措施

针对蜗轮边缘磨损痕迹，判断蜗轮蜗杆在运动中存在摩擦。因此，需要对蜗轮进行全面的检测，如果蜗轮尺寸存在偏差，端面跳动偏差大，会导致蜗轮蜗杆接触不良，接触压力的突变容易产生增大摩擦力进而产生异响。为解决此问题，需要对蜗轮蜗杆的尺寸进行优化。目前转向系统使用的蜗轮外圈多用注塑加工，异响蜗轮注塑采用了 4 点注入，造成跳动偏差较大，在转动中会出现摩擦异响。因此，可以选择将蜗轮注塑更改成的 6 点注入，提高公差准确度，提升了系统运行的耐久性能。针对蜗杆齿顶锐边问题，齿顶需要进行圆角设计，确保不会发生粘滞，控制蜗杆粗糙度，减少表面出现的划痕。对于蜗轮材料的硬度、摩擦磨损和在尺寸变化等特性，与摩擦异响有很大关系，对于不同材料的蜗轮的硬度不相同。因此，需要具有较低的摩擦系数和磨损性能，具有不同温度条件下的尺寸稳定性，还需要具有较强的老化性能。还需要针对不同的蜗轮材料进行性能测试，蜗轮材料的硬度决定了蜗轮齿的强度，硬度越高强度越高，还要匹配适当的蜗杆，这样更有利于异响的控制。

五、关于系统异响的案例分析

某汽车在行驶过程中发出环向噪音，经分析测定其噪声等级为5 级，已达到噪声污染等级，必须进行修善。由以上分析可知，转向系统噪声与零部件的配合相关。因此，在检测中要强调对零部件的全面检查。异响产出，通过检查确定噪声位置来自于中间轴及下叉位置。技术人员通过利用传感器的进行分析，对辆车进行了4 个点的信息观察，由于采用三轴传感器实施数据跟踪，数据涵盖三个不同的方面，在分析中，要将最终的最大值应用于后续研究。对有异响汽车的振动数据进行分析，选取一段时间的振动数，得知最大加速度显示异常。通过比较扩展数据参数，发现有异响汽车，其水平向的振动参数差异很小，但在异常点上相差约6 倍。通过分析得出，汽车开关噪声问题与异常点有关。因此，之后的检测操作，技术人员全面针对中间轴及下叉点位置进行检查。重点检测转向和输入轴的运动位置。在检查中，确定了噪声的产生原因有两个，其一是传动结构运动位置间隙过大造成的。经深入检查确定，造成间隙大的原因是转向系统使用的零件，不来自同一制造商，因此造成零件的尺寸和使用性能存在差异。如果传动结构产生较大间隙，会下拉降低传动系统的工作质量并同时伴随噪音的产生。其二是由于蜗杆齿顶存在磕碰现象导致发生异响，当明确产生异响的原因。针对第一个原因，技术通过对两家制造产品的综合能力进行比较，而异响车输入轴存在明显差异，由此可见，汽车异响造成的主要原因是输入轴与转向系统的差异造成的。以此，技术人员就可以制定相应的解决方案，以减少噪声影响。及时更换输入轴，增加花键的自由活动空间，减小公差值与标准值的差异，最终确保车辆异响问题得以解决。针对第二个异响问题，技术人员要从材料质量和生产质量两方面，以有效提高蜗轮和蜗杆结构的耐磨性。由于车辆里程的增加，转向柱中蜗轮与蜗杆之间的间隙会增加。为充分改善蜗轮与蜗杆的间隙，可能通过增加齿隙调节机构进行有效的补偿，以解决磨损间隙造成的转向系统异响。首先，蜗杆清洗筐容量过大，导致存在磕碰现象。因此，可对其结构进行优化。其次是提高蜗轮材料的表面的硬度，增加蜗轮的耐磨性。蜗杆要经过高频淬火处理。