转向机压块Stick-slip异响问题分析及优化

陈佳欣　金旭文　肖会涛　俞力铭　梁九生

摘 要：本文根据MSG型号单齿轮转向机测试驾驶员抱怨的换向异响问题，首先进行加速度贴片测试确定换向异响振幅最大区域主要来自于压块，进而影响齿条衬套与拉杆同样产生振幅，并推断出该异响类型为stick-slip噪声。然后采用故障树分析方法对压块产生噪音的主要原因逐层分析从而确定优化方向。最后从零件表面粗糙度因素和零件润滑因素两个方面确定优化方案，为相同类型问题的解决提供一定的理论参考。

关键词：单齿轮式电子转向机 压块 压块衬片 故障树分析方法

0 引言

随着我国新能源汽车市场的蓬勃发展，人们对于汽车的功能需求已经不单单局限于基本的转向、制动与前进。各个整车车企及零部件供应商也在不断提升自身竞争力，比如提高驾驶员在行驶过程中的操作稳定性、转向过程中的行驶平顺性和制动性能等评价指标的标准。尤其是在新能源汽车不断追求安静舒适的驾驶环境，转向机也在不断降低自身所产生的噪声，从而提高驾驶员与乘客的整体乘坐舒适性[1]。

本文基于MSG车型单齿轮式电子转向机所出现的Stick-slip换向异响噪音问题进行分析，并根据换向异响问题的主要原因提出解决措施，为后续相关问题提供一定的理论参考。

1 Stick-slip噪音运动学机理及问题来源介绍

Stick-slip噪音广泛出现在机械工程领域，其主要定义为在运动过程中两个不同接触面之间粘滞和滑动持续交替而引发的有害噪声，不仅仅会影响机械件接触界面的磨损，还会降低系统运动精度。Stick-slip的运动学机理通常为机械件在受到外力作用下，首先会因为静态摩擦力大于外力而阻碍二者之间的相对作用而使机械件仍保持静止状态。然而当外力持续增长大于静态摩擦力时，二者之间发生相对滑动，由静态摩擦力转变为动态摩擦力[2]。当外力逐渐下降时，物体运动状态回到静止，动态摩擦力再次转变为静态摩擦力，物体在外力作用下重新开始运动，持续反复整个流程，在机械件中形成Stick-slip噪音[3-4]，完整粘滞滑动振动所产生的时间与位移关系图如图1所示。

（1）

（2）

（3）

机械件接触面不连续锯齿状运动轨迹主要是由于在滑动区间受到公式（1）的约束，在粘滞区间受到公式（2）约束。如图1所示，假设两个不同的机械件中接触面1，在粘滞状态中从M点移动至N点，此时两接触面之间的静摩擦力需要抵抗恒定阻尼力cv和增长弹簧力kx的恢复力。从N点至Q点后，恢复力在克服峰值静态摩擦力F?-s后，由静态摩擦力转变为动态摩擦力，进入滑动状态，其中，?s为静摩擦系数，F?-s为静态摩擦力。长期反复这种粘滞-滑动的运动状态，造成机械件在摩擦力作用下产生摩擦自激振动进而形成Stick-slip噪音[5-6]。随着摩擦自激振动冲击增大，动态摩擦力转变为静态摩擦力所产生的动能也大幅度提升，Stick-slip噪声随之增大，而与峰值静态摩擦力最直接的相关的因素为摩擦系数，所以减小摩擦系数可以直接减小峰值静摩擦力，从而降低或抑制Stick-slip噪声。

MSG车型在整车组装完毕下线试车阶段，测试驾驶员发现转向机在换向过程中方向盘在任意位置快速换向时会出现“哒”的响声。虽然此异响暂时不影响驾驶员的正常转向，但是并不排除长期异响会增加转向机内部零件失效的潜在风险，因此需要针对该问题对单齿轮式电子转向机自身结构零部件进行深入分析。

2 单齿轮转向机异响位置确定

通常来说，驾驶员转向过程中产生的“哒”的异响声主要是由于转向机结构件之间的相互接触摩擦而产生的异响。为了确定本文异响的主要类别，首先收集试车阶段存在问题的转向机，去除电机后噪音依然存在，在台架上固定后进行加速度贴片测试，加速度贴片位置如图2简化单齿轮转向机示意图红框所示，主要在压块、衬套和拉杆三个区域进行。然后，将方向盘连续从静止到运动左右转动直至听到有“哒”的异响，转动测试时长大约为30s左右。最后，导出加速度测试结果进行分析，根据振动测试来确定噪音振幅最大区域从而对该区域的结构进行进一步的分析和优化，加速度贴片结果如图3所示。

由于全部加速度贴片测试数据比较杂乱，为了更清晰地分析转向过程中压块、衬套和拉杆三部分区域的振动规律与振幅情况，本文仅选取转向机一次转向0.0045s内的测试结果。根据测试结果可知：三个区域都有不同程度的振动，压块区域最先起振且振动幅度最大，单次振动加速度可高达10m/s2以上，然而拉杆区域振动幅度最小，x，y，z三个方向的振动幅度均在5m/s2之间。

3 单齿轮电子转向机Stick-slip噪音机理分析

前一节已通过加速度贴片测试客观测量单齿轮电子转向机的振动情况，确认了Stick-slip噪音来自于压块区域，进而辐射影响至齿条衬套区域与拉杆区域。考虑到压块、壳体和齿条之间的配合紧密，运动过程中零件接触表面并不能达到理想状态下的光滑无摩擦，因此当两接触表面之间处于干摩擦、边界润滑或者混合润滑的状态下，转向机转向过程需要克服接触滑动副的表面不平整性，导致摩擦力波动，当摩擦力波动足够剧烈时则会产生持续的粘滞现象。即使在测试阶段保持稳定的匀速转向，但相互接触的滑动副表面不稳定的摩擦振动会导致噪声，通常被称为Stick-slip噪声。为了进一步确认转向机发生Stick-slip噪音的位置，利用故障树方法对噪声涉及的零部件进一步划分，不仅仅可以确定噪音的直接影响因素，还可以不断细化分析影响因素所指向的零部件，为后面优化单齿轮电子转向机Stick-slip噪音问题提供思路，其中故障树问题分支图如图4所示。

根据异响故障树的多层次分析可知，压块区域是产生异响的最主要区域，以压块区域为主进行发散可间接影响齿条衬套区域和拉杆球头。想要解决Stick-slip异响，便要从压块区域上进行调整。根据加速度贴片测试中压块轴向振动结果远高于正常水平的结果，可推测压块处存在摩擦力波动进而导致了Stick-slip噪音问题。首先考虑到压块与壳体之间只会发生沿着齿条径向的运动，与实际加速度贴片测试结果的轴向振动不符，因此排除壳体与压块之间的摩擦影响，确定为压块与齿条两个零部件之间的问题而产生异响，为下一节提出噪音优化方案作铺垫。

4 单齿轮电子转向机Stick-slip噪音优化方案

由第三节Stick-slip噪音机理故障树分析示意图可知，单齿轮转向机Stick-slip噪音优化方向主要为压块区域。根据Stick-slip噪音运动学机理可知需要从摩擦系数?的角度进行研究分析，多方面采取措施减小摩擦系数，因此选取零件表面粗糙度因素和零件润滑因素两个方面提出优化方案来减小或抑制Stick-slip噪音。为了验证优化方案的可行性，搭建了如图5所示的试验台架，将两根齿条与台架配合，其中装有压块衬片的压块与齿条配合，同时在三个固定点处设定绳牵正压力的大小分别为2000N和4000N。实验过程中利用液压缸前后推动，观察测量十组样件压块滑移力具体数值结果，用于测试不同方案下摩擦系数结果对比，从而验证该方案的可行性。

4.1 压块表面粗糙度

由于不同厂家生产的压块所使用的材料不同，其硬度及表面粗糙度也不尽相同。当压块表面粗糙度较大时，压块与齿条之间的相互接触和摩擦不仅仅会导致两个部件接触面之间的磨损还会在粘滞振动趋于饱和时发生Stick-slip噪音，因此在为转向机选择压块时，应当在预算范围内尽量选择表面粗糙度较低的优化压块，如图6所示。优化压块会在衬片外层包裹一层润滑平整的PTFE材质，从而降低与齿条之间的摩擦力，与现用压块之间的摩擦系数对比情况如图7所示。

4.2 齿背粗糙度

齿条在转向过程中齿背直接接触压块，因此当齿条表面出现磨损或是工艺缺陷时，不仅会提高整车负载状态下发生NVH噪音的可能性，还会影响转向过程中驾驶员原本平稳顺滑的转向手感。齿背表面上容易出现频率较高的规律性条纹磨损，如图8所示，其主要产生原因是由于感应淬火引起，应当及时调整抛光轮的线速度和进给速度可有效改善其表面质量，降低与压块之间的摩擦，进而降低Stick-slip噪声。

4.3零件润滑因素

除了针对性更换优化压块，本文还对抱怨件进行拆解，观察压块零件状态。结果发现压块衬片储存油脂量过少，如图9所示。当压块衬片储油槽的储油量降低后，压块衬片接触面与齿条接触面在转向过程中摩擦系数增大，齿背和压块之间更容易因滑动副表面不稳定的摩擦振动而增大Stick-slip噪音。为了确定压块在润滑状态下与非润滑情况下的摩擦系数，使用图9所示的试验台架随机抽取十个同批次样件测试现用压块在涂油与不涂油两种方案下的摩擦系数，从而验证零件润滑因素同样对Stick-slip噪音存在较大的影响，实验结果如图10所示。根据实验结果可以得知，涂油后压块与齿条之间的摩擦系数明显低于未涂油情况，说明压块涂油后可有效降低齿条与压块之间的摩擦力，减小发生摩擦自激振动的可能性，进而减小或抑制Stick-slip噪音。

经过台架测试结果可知，良好的润滑条件可以有效降低Stick-slip噪音风险，因此将压块衬片表面由原本的四点涂油法更新至中心涂油法，如图11所示。中心涂油法相较于四点涂油法的优势在于既可以保证注油量的充足也可以确保转向过程中压块与齿条都可以均匀地覆盖油脂，尽可能地发挥油脂减噪性的优点。

5 结论

为了解决转向机异响原因复杂难排查、难解决的问题，本文以MSG单齿轮转向机测试驾驶员抱怨的换向异响问题为切入点，采用加速度贴片测试法确定换向异响区域，根据测试结果推断出该异响类型为Stick-slip噪声。然后利用故障树方法对Stick-slip噪音影响区域进行梳理和机理分析。最后从零件表面粗糙度因素和零件润滑因素两个方面提出优化方案来减小或抑制Stick-slip噪音，为类似转向机噪音问题的解决提供一定的理论参考。

参考文献：

[1]邹文红，王佳良.电动助力转向机的噪音分析[J].农业装备与车辆工程，2020，58（07）：54-56.

[2]IBRAHIM R. Friction-induced vibration， chatter， squeal， and chaos - part II： dynamics and modeling [J]. Applied Mechanics Reviews， 1994， 47（7）： 227-53.

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[5]JUNG C， FEENY B. Friction-induced vibration in periodic linear elastic media [J]. Journal of Sound and Vibration， 2002， 252（5）： 945-54.

[6]宋保江，阎绍泽.界面黏滑摩擦现象的研究进展[J].中国机械工程，2017，28（13）：1513-1522.