EPS转向系统鹅卵石路、绳索路异响分析

朱志刚　辛庆锋　徐梅梅　胡飞　常文楠

摘 要：在当前的车辆开发中，传统的燃油车、电动车的都已实现了转向系统的电动助力，但转向系统增加了蜗轮蜗杆结构，并且电机进行助力驱动，这导致在蜗轮蜗杆以及与电机配合结构、尺寸、公差的影响，导致转向系统在过一些特殊路况下产生转向异响。文章介绍了EPS转向系统在过鹅卵石、绳索路等特殊路况是转向系统易产生异响，通过对空载力矩、蜗轮蜗杆的配合以及电机与蜗杆的配合型式对转向系统特殊路况异响。

关键词：转向系统 空载力矩 转向异响

1 引言

隨着汽车发展转向系统的功能及要求也在逐步的提高，同时转向系统在开发过程中重点需要关注转向系统零部件的可靠性同时也要规避转向系统的异响问题，乘用车采用EPS转向系统是普遍情况，而EPS除了给客户带来更好转向驾驶感的同时，也能集成智能驾驶的功能，实现自动驾驶功能对整车的横向进行控制，但EPS转向系统需要通过助力单元进行EPS的控制，增加了蜗轮蜗杆结构或者带传动结构进行驱动转向系统，这使得转向系统在工作过程中在一些特殊路面，特别是鹅卵石、绳索路、比利时路面时，车速在10km/h，蜗轮蜗杆结构或者带传动结构被路面的反馈激励起振动造成转向系统异响问题。

文章主要针对转向系统在鹅卵石、绳索路、比利时路产生的异响进行分析可能的原因，通过优化蜗轮蜗杆的配比、蜗杆与控制器的连接方式等方向结构转向异响的问题，通过对转向管柱结构型式的EPS进行分析结构型式，通过优化蜗轮蜗杆的设计、匹配、蜗轮的加工型式以及合理的选择联轴器的结构方式消除转向系统在特殊路段的异响问题，为后续转向系统的设计开发提供理论依据及实践借鉴意义，规避产品后续开发中出现类似的问题。

2 特殊路段转向异响的机理

以转向管柱助力的EPS系统进行分析，车辆在过一些特殊路面时会通过路面激励使得转向系统产生“哒哒-哒哒”异响声，从产生的机理上是轮胎将地面的振动通过转向器、中间轴传递到转向管柱的蜗轮蜗杆、蜗杆与电机连接部位，而这些配合部位由于尺寸配合和安装的要求存在间隙，这就导致振动传递上来在这些部位相互接触时产生异响，产生异响的部位有可能是蜗轮蜗杆接触部位，也有可能是电机与蜗杆配合连接部位，针对这些部位的异响需要控制转向空载力矩，优化蜗轮蜗杆的匹配，蜗杆轴承的选型，蜗杆与电机的连接等型式都会对转向异响有贡献，如图1所示。

3 转向系统优化改善异响的方案

3.1 蜗轮蜗杆的匹配及空载力矩

EPS转向系统蜗轮蜗杆结构，电机驱动蜗轮带动管柱转动，通过蜗轮蜗杆结构将电机的助力放大，实现转向助力。转向异响通过地面传递上的力矩对蜗轮蜗杆处产生作用，地面的激励会使得蜗轮快速的来回转动，蜗轮与蜗杆配合匹配不当将产生异响，同时对应蜗轮蜗杆的空载扭矩过小不能有效抑制传递上来激励给蜗杆的冲击也会产生转向异响的情况，所以在设计蜗轮蜗杆是需要将蜗轮和蜗杆进行分档匹配，保证蜗轮蜗杆的啮合距离，对蜗杆进行分档与蜗轮匹配在保证中心距要求的情况，也对空载力矩进行了范围的控制，一般情况下空载力矩控制范围在2.0N.m-3.5N.m的范围值，通过对空载扭矩的要求和蜗杆分档控制来抑制转向异响，蜗轮蜗杆的配合，如图２所示。

蜗杆的参数

齿部采用精磨齿（磨齿Rz≤0.4） 滚光（滚光Rz≤ 0.2）工艺

蜗杆精度等级 7 GB 10089

蜗轮的参数

蜗轮齿面粗糙度Rz≤1.6

蜗轮精度等级 7 GB 10089

对于蜗轮蜗杆结构的EPS转向系统，通过调整蜗杆的分档控制以及空载力矩进行控制，能有效的将转向异响进行抑制，蜗轮蜗杆的精度和表面粗糙度也会对转向异响产生影响，需要严格控制，并且避免蜗轮在匹配蜗杆过程出现多次更改蜗杆导致蜗轮多个接触啮合面，也易产生转向异响的问题，可以通过不带电机空载力矩检测一次对蜗轮蜗杆的匹配进行筛选，合格后再对蜗轮蜗杆磨合，完成后在带电机空载力矩检测，这样来保证蜗轮蜗杆接触面的充分结合，同时可以将空载力矩控制在需求范围内。如图示为蜗轮与不同蜗杆匹配导致啮合多接触面。

3.2 蜗杆与电机的配合方式

蜗杆与电机连接匹配的方式现在主流结构是采用四爪联轴器型式配减震垫结构，这种结构能有解决电机与蜗杆同轴问题，但减重垫采用橡胶结构，要求他的可靠性和耐久性要好，这也使得不同的EPS供应商开发出有各自不同的联轴器结构，来改善转向异响问题，同时对于电机传递的扭矩能快速的影响。合资主流供应商如ZF、博世、耐世特等都有各自的设计方案，国内自主供应商则主要以常规的四爪结构来开发EPS转向系统。四爪结构以及衍生的不同联轴器结构如图4所示。

除了四爪结构外还有以日本NSK开发的花键结构也有在使用产品，但采用该结构要求对于蜗杆与电机配合的同轴度要求高，内外花键配合的，对于电机外花键的跳动需要控制≤0.032mm，电机法兰与蜗轮箱安装面的垂直度要求控制在≤0.1mm，并且在目前使用过程中该结构在鹅卵石路面产生异响的频率较高，主要是内外花键配合属于刚性连接对于路面传递上来的激励无法有效的衰减，所以内外花键结构对于转向异响特别是在鹅卵石、绳索路异响问题更容易产生，在生产、装配过程中对于花键的加工以及电机花键调动和安装面的垂直度要求较高，而四爪结构减震垫能吸收冲击，可以有效解决转向异响。如图对比花键结构和联轴器结构型式。

3.3 蜗杆结构的设计

蜗杆结构设计一般为2头结构设计，蜗轮与蜗杆配合时通过在蜗杆端部增加调整间隙结构来保证蜗杆与蜗轮能贴合紧密，转向管柱在工作过程中蜗轮与蜗杆能时时接触，保证在转向换向过程中蜗轮蜗杆不会产生换向异响的问题，同时也能使得路面反馈上来的冲击在蜗轮和蜗杆充分压紧接触的情况也能减小在特殊路面上转向异响问题，设计调整间隙结构时需要保证预压紧力垂直压紧蜗杆已保证蜗杆能有效的贴合蜗轮使得转向过程中手力平顺，并且对于转向异响也能有效的抑制。

蜗杆与壳体的固定也需要进行控制，蜗杆除了在端部进行预紧力的压紧来保证贴紧，同时也要对转向管柱的空载力矩进行保证，这也需要蜗杆能在工作过程中对于轴向力进行补偿调整，所以蜗杆与蜗轮箱安装配合时选用的轴承采用摆动轴承，提供蜗杆的角度摆动，同时摆动量不影响蜗杆的预紧效果如图。

蜗杆与电机连接过程中为了减少电机的轴向窜动产生异响，通常采用轴向缓冲弹簧来规避电机及蜗杆的轴向窜动，通过装配后弹簧对蜗杆及电机轴支撑，而路面传递上的激励这时通过弹簧变形进行吸收将振动进行消减如图9。

对于转向管柱EPS转向异响问题主要问题点集中在蜗轮蜗杆配合以及与蜗杆和电机配合方式，在实际使用过程中如何避免转向异响问题需要综合考虑空载力矩的大小，同时蜗轮蜗杆的匹配值，蜗杆与电机的连接型式以及电机端部本身波形弹簧的支持力（80N～120N）都会对转向异响产生影响，所以在设计过程如何将转向异响在鹅卵石路、绳索路规避是设计前期基于以往经验教训和优化结构来进行改进，以上是通过几方面进行分析研究可能会产生转向异响的问题点。

4 结论

（1）文章对转向异响进行了初步的分析以及评估各个零部件对异响的影响。

（2）通过对转向管柱空载力矩、蜗轮蜗杆的配合型式、联轴器的型式。

（3）文章对转向异响问题进行了阐述，对于影响转向异响的部件进行分析说明，可以在开发过程中进行借鉴，避免在特殊路面鹅卵石、绳索路的异响问题。

参考文献：

[1]余志生．汽车理论[M]．2版．北京：机械工业出版社，1990．

[2]陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2004.