带异响“检测-反馈”系统的转向机设计

王亚平 王佳良 肖会涛 曹宝宝 王硕

1.博世华域转向系统（烟台）有限公司 山东省烟台市 265500 2.博世华域转向系统有限公司 上海市 201821

随着汽车行业的不断发展与技术持续革新，人们对汽车的质量、设计等各方面的要求也逐渐升高。汽车转向机作为汽车的重要组成部分和重要的人机交互系统之一，其安全性直接关系到驾驶人员的人身安全。当转向系统发生噪音或其他异常情况时，容易对驾驶人员操控稳定性产生影响并埋藏其他安全隐患。因此，避免转向系统异响是确保转向系统正常运转的重要措施。

近年来，解决转向机噪音问题已成为汽车领域探讨的热点问题，已有大部分研究表明，导致转向机异响的原因复杂、影响因素繁多，例如转向机故障、前减震失效、方向盘内气囊游丝断裂、转向横拉杆损坏、轮胎损坏均可能会导致转向机异响。张学斌在反复的专业振动速度测试实验及深入分析的基础上，提出了通过小齿轮上球轴承的游隙和性能优化措施，以实现机械转向机异响优化[1]。邹文红、王佳良从优化电动助力转向机的角度提出考虑直接对压块进行涂油脂，增加壳体压块孔粗糙度抽检频次来降低转向机异响发生概率[2]。郭廷、黄巨成等人基于台架试验，对转向机异响部位进行甄别的基础上，提出了零部件设计结构优化的建议[3]，以降低转向机异响问题。综上发现，已有分析主要试图从汽车其他部件来探究转向机噪音问题，缺乏对转向机自身因素所引起噪音的原因探究。因此，分析转向机压块间隙与转向机噪音之间的关系并试图解决转向机噪音问题十分必要，且具有重要的实践意义。

1 转向机压块间隙工作原理及存在问题

1.1 转向机压块间隙规范

当前，转向机压块间隙通常要求保持在0～0.1mm 之间，当压块间隙超过0.2mm，汽车转向时，因齿条齿轮的预紧力不足或者压块的窜动，就容易产生较差的噪声、振动与声振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness，NVH）表 现，造 成Clunk 和Rattle 产生异响。

表1 转向机压块间隙规范及异响临界值

1.2 转向机压块间隙变动机理

随着汽车的持续使用，转向机齿轮、齿条、啮合面以及齿条背面与压块的匹配面均会出现不同程度的磨损，随着时间的推移，持续的摩擦会导致压块间隙逐渐增大。深入剖析可发现，探针伸入调整螺母孔内后，用一定扭矩T0 拧齿条，齿条和齿轮的接触面变化，压块沿轴向移动(由位置1 移动到位置2)，探针会随之产生轴向运动，将此时探针位置标为0(即此处压块间隙为0)。松开拧紧扳手后，压块回到原来的位置1 处，探针也会随之运动，此时的探针的示数即此处压块间隙（位置2 与位置1 的差值）（图1）。随着齿条的轴向移动，移动到各个位置都会存在1 个压块间隙值，将上述压块间隙取值连起来便成为了压块间隙曲线（图2）。

图1 压块间隙原理示意图

图2 压块间隙示例图

1.3 转向机设计存在的问题

当压块间隙取值超过0.2mm 后，由于转向机没有安装相应的检测报警装置，不能及时反馈转向机工作性能参数，以至随时可能会因此产生噪音。此外，受固有思维局限性的影响，转向机压块间隙问题通常不会被作为转向机异响的首要考虑因素，以至维修检查时不能精准及时锁定异响源，这不仅影响用户使用舒适性、增加检修成本，还会造成潜在客户流失，影响产业长远发展。

2 带自动检测压块间隙转向机的工作原理及优势

2.1 带自动检测压块间隙转向机的工作原理

带自动检测压块间隙的转向机工作原理主要是依靠传感器实时“检测-反馈”系统来实现。首先，转向机压块间隙检测系统中的传感器会实时监测转向机压块间隙取；其次，“检测-反馈”系统中传感器会将监测到的数据实时反馈并交由ECU进行处理（图3）。当转向机压块间隙增大到0.2mm（易产生噪音）的临界值时，ECU 会自动进行报警并及时通知驾驶员，要求其对转向机进行基本的维护，以避免转向机噪音及其他关联故障的发生。

图3 带自动检测压块间隙转向机的工作原理

2.2 带自动检测压块间隙转向机的具体工作路径

首先，通过调整螺母到齿轮之间的一系列零件配合调整出合理的压块间隙（一般转向机下线时压块间隙保持在0.05mm左右）。其次，传感器会测量出传感器下端到压块内部凹坑面的距离（见图一中红色箭头标记的距离），并将此距离置为零，记为零点。再次，在转向机使用过程中，齿轮和齿条的啮合磨损以及衬片和齿条的磨损会导致压块间隙的增大，同时传感器测量的距离从零开始增大，并通过线束实时将距离信号反馈给ECU（转向机运转时，持续循环运转该流程）。最后，当传感器测量出的距离达到0.15mm 时（此时的距离加上转向机下线时本身间隙距离的实际压块间隙已经达到0.2mm）ECU 会自动判定此时的压块间隙已经达到了易产生噪音的临界值，控制转向机并向驾驶员报警，完成自动检测压块间隙异响预警操作流程，实现异响报警工作（图4、图5）。压块间隙放大报警示意图各编号具体含义如下：①转向机壳体、②壳体密封圈、③压块密封圈、④压块、⑤衬片、⑥齿条、⑦齿轮、⑧压缩弹簧、⑨激光传感器、⑩调整螺母、线束、ECU。

图4 带自动检测压块间隙转向机的示意图

图5 带自动检测压块间隙转向机的剖视图

2.3 带自动检测压块间隙转向机的优势

带自动检测压块间隙转向机的优势主要体现在以下六个方面：一是压块间隙变化传递方式创新。带自动检测压块间隙转向机相比普通转向机而言，其工作原理是通过激光传感器来传递压块间隙的变化情况，具有较高的稳定性。当转向机长时间耐久使用出现压块间隙增大的情况时，可以在压块间隙增大到容易产生异响的状态时，及时提醒驾驶员及时到4S 店增大调整螺母的拧紧角度，使压块间隙维持在0.05mm 左右，有效避免异响的发生。二是结构创新。该设计是将激光测距传感器通过卡接的方式直接安装在转向机原本就存在的调整螺母上，不需要额外的固定工装和运行空间，最大限度的减少激光测距传感器的空间占用；三是功能创新。该设计在转向机上安装自动检测压块间隙装置系统，能实时监控压块间隙变化并反馈给ECU，进而反馈给车机，最终避免产生压块异响可有效避免因压块间隙超过噪音临界值而产生的噪音，保障驾乘人员安全。四是密封设计的创新。该设计不需要给传感器径向活动的空间，可通过加装密封圈来实现良好的密封效果，以防止压块小总成处灰尘、水汽等物质进入（详见图6）。基于上述优势，驾驶带自动检测压块间隙转向机的汽车可有效避免因异响给驾乘人员带来的不好的体验，提高驾乘人员使用的舒适度，降低维修的成本和售后问题处理率。图中各编号具体含义分别为：⑨传感器、⑩调整螺母、密封圈。

图6 卡接器示意图图

3 研究结语

从源头解决转向机异响问题是推进转向机取得进一步重要突破的关键举措。为此，文章在梳理转向机异响可能存在的原因的基础上，首先介绍了传统转向机压块间隙的规范、工作原理及存在问题。其次，深入分析了带自动检测压块间隙工作原理、具体实现路径。最后对比分析了带自动检测压块间隙的转向机较传统转向机的优势，发现带自动检测压块间隙的转向机通过传感器实时“检测-反馈”系统能够有效地将转向机异响问题扼杀在摇篮中。从转向机设计源头来降低转向机异响发生概率，是推进汽车产业进一步发展的重要支撑。