一种新型设计的转向机压块预紧机构

摘 要：压块预紧机构作为转向机重要组成部分，主要作用为齿轮齿条啮合提供预紧力，保证齿轮齿条一直处于啮合状态，消除齿轮齿条间隙；其次为转向机在冲击工况下提供缓冲作用，保护各个零件，防止零件破坏引起噪音问题；最后为齿条提供支撑作用，防止齿条旋转。因此压块预紧机构的好坏直接影响转向机各个性能，而现有设计的膜片弹簧耐久磨损后，由于明显的刚度下降，为齿轮齿条提供的预紧力大大减小，导致转向机在耐久后易出现压块间隙变大，造成转向机噪音问题。本文新型设计的蝶形弹簧，解决了现有技术的不足，大大提高了压块机构的承载能力以及寿命。本文从材料性能、刚度、预紧力衰减以及工艺装配流程进行具体分析。

关键词：膜片弹簧 蝶形弹簧 压块机构 刚度 预紧力台

0 引言

由于电动汽车行业的快速发展，电动汽车市场占有率越来越大，而电动汽车所需零件越来越多，整车布局越来越复杂。整车厂对各个零部件供应商要求也越来越高，希望各级零部件体积越来越小，重量越来越轻，但是容量以及质量越来越高。转向机作为汽车零件的一个非常重要的部件，直接关系着驾驶人员生命安全，同样也面临着整车厂各种要求。并且转向机性能的好坏直接影响驾驶人员的操作手感，目前转向机面临着噪音、传感器失效、丢失助力、拉杆球头断裂等诸多问题，因此优化转向机性能势在必得。

压块预紧机构作为转向机重要组成部分，其作用有以下几个方面：1、为齿轮齿条啮合提供支撑以及预紧力，防止耐久后各零件磨损导致压块间隙增大，引起各种噪音问题[1-2]。2、为转向机在各种冲击工况下提供缓冲作用，防止在冲击作用下，各个零件破坏失效，从而引起click、rattle等噪音。3、为齿条倾覆旋转提供支撑，防止齿条旋转。4、为转向机提供密封性能，防止转向机进水引起各个零件生锈腐蚀以及电器件损坏丢失信号，造成转向机丢失助力。因此压块预紧机构性能的好坏直接影响转向机性能。

1 现有压块预紧机构设计

现有压块预紧机构如图一所示，组成零件分别为：压块、衬片、压块O型圈、膜片弹簧、密封圈、调整螺母、调整螺母塞。每一个零件作用分别如下：压块包裹着齿条齿背，一直为齿轮齿条啮合提供支撑作用，但是金属压块与金属齿条相接触时，由于来回摩擦，会造成压块磨损严重，引起耐久后噪音问题，因此塑料衬片的作用提高耐磨性。压块上的O型圈为在冲击工况下，提供缓冲作用，防止在冲击工况下，压块倾斜与壳体碰撞产生噪音。膜片弹簧能够提供较大的预紧力，为齿轮齿条一直处于啮合状态提供预紧作用。压块顶端处密封圈起到密封作用，防止外界水分进入转向机。调整螺母与壳体螺纹配合，固定整个压块小总成。调整螺母塞装配前产线需测量压块间隙，压块间隙测量方法[3]，探针需要伸入调整螺母孔内，顶在膜片弹簧上，然后转动齿轮齿条，读取该区域沿着压块轴线的间隙变化，压块间隙测量完成后安装上调整螺母塞进行密封。

该设计在耐久后由于齿轮齿条磨损，并且齿条不同区域磨损量也不一致，中间区域磨损量最大，压块预紧位置发生变化，弹簧预紧力下降，压块间隙变大，造成齿轮齿条区域各种噪音。初始状态压块间隙产线会控制在0-0.1mm内，耐久后由于磨损，预紧力不足，压块间隙会增加到大于0.2mm，造成各种换向和rattle噪音。

2 新型压块预紧机构设计

为了提高耐久后的预紧力以及疲劳寿命，设计一种新型的蝶形弹簧结构。相比于现有设计，优化膜片弹簧设计，如图一和二所示，原设计膜片弹簧为一个圆盘结构，而新设计的膜片弹簧为环形设计，命名为蝶形弹簧。除了形状结构有差异外，该蝶形弹簧材料、刚度、耐久后预紧力表现、装配工艺等都明显优于老设计。以下进行详细说明。

2.1 原材料性能差异性

原设计的膜片材料为C75S钢，新设计的材料为50CrVA钢，屈服强度和抗拉强度值详见表格1。从棒料角度考虑，新设计的抗拉强度比原设计大95 N/mm2，屈服强度大245 N/mm2，屈服强度明显提高。表明新设计的材料性能更优，承载能力更强。延伸率水平相当。

2.2 刚度性能对比差异性

刚度性能通过膜片弹簧与压块和调整螺母的配合长度以及弹簧本身的刚度曲线进行对比分析。

2.2.1 弹簧与压块和调整螺母的配合长度对比分析

膜片弹簧和蝶形弹簧分别与压块和调整螺母配合设计参考图3。ra为弹簧与压块径向配合重合长度，rb为弹簧与调整螺母径向配合重合长度，轴向硬限位距离为膜片弹簧与调整螺母轴向配合长度以及蝶形膜片与压块轴向配合长度。通过尺寸链计算得出轴向和径向重合长度见表2。原设计径向最小支撑长度为1.05 mm，新设计为1.28 mm，原设计轴向最小支撑长度为0.54 mm，新设计为0.8 mm，新设计的径向和轴向重合长度都远远大于原有设计。重合长度越长，硬限位刚度越高，对高负载工况的支撑功能越有利，因此从配合长度角度考虑，新设计优于原设计。

2.2.2 膜片弹簧与蝶形弹簧耐久前后刚度衰减差异性

图4和5五分别为两种设计耐久前后刚度衰减曲线，刚度衰减值公式为

K=ΔF/Δλ （1）

K：为刚度衰减值；

ΔF：为耐久前后预紧力差值；

Δλ：为耐久前后弹簧变形量。

两种设计耐久前后预紧力值如表格3所示。可以得出原设计刚度衰减值K为1.6，新设计刚度衰减值K为0.27，衰减值远远小于原设计，表明转向机在耐久后，即使膜片弹簧有少量的磨损，压块间隙有一定的增加，但是弹簧仍然能够提供足够大的预紧力和弹簧力，依旧能够保证齿轮齿条之间良好的啮合。因此，可以预防耐久后噪音的产生，提高转向机噪音表现。

2.3 耐久前后预紧力性能对比差异性

按照耐久前后磨损量变化值0.3mm，实测两种设计的预紧力，分别为：原设计耐久前后预紧力分别为680N和200N，衰减量为480N，衰减百分比为70.5%。而新设计的耐久前后预紧力分别为830N和750N，衰减量仅为80N，衰减百分比仅为9.6%。预紧力耐久后会降低，但是即使降低，新设计耐久后的预紧力相比于原设计耐久前的预紧力更大，更有利于齿轮齿条啮合。

2.4 装配工艺差异性

原设计膜片弹簧与调整螺母通过铆压固定在一起，组成调整螺母小总成，如图六所示，相比于新设计优点为由于铆压工艺在供应商处实施，为转向机装配节省节拍。缺点如下所示：目前供应商铆压工艺不稳定，易造成诸多问题，比如调整螺母小总成在运输过程中，膜片弹簧易脱落，若产线未识别出，将造成膜片弹簧缺失，齿轮齿条啮合力不足，产生噪音问题，其次在测量压块间隙时被顶针顶开，造成膜片弹簧脱落或者倾斜，导致压块间隙变大，依旧出现噪音问题。

而新设计的产线采用真空吸头向下装配蝶形弹簧，如图6所示，真空吸头带角度进行正反防错，并通过照相机进行监控，蝶形弹簧外圈被调整螺母固定，内圈安装在压块凸台上，取消了铆压工艺，并且测量压块间隙时，与顶针不接触，因此不会出现被顶针顶脱落或者顶歪现象，防止假间隙的发生，有利于噪音优化。

3 结束语

随着电动汽车以及乘用车的快速发展，整车对转向机的性能要求越来越高，除了具有很强的承载能力外，还需要具有很高的灵敏度，优异的手感表现以及噪音表现。因此本新型设计蝶形弹簧相比于现有膜片弹簧，无论从材料性能方面具有更高的屈服强度和抗拉强度外，还具有刚度大，刚度衰减小，预紧力大，以及工艺装配优越等优势。

优异的材料性能以及刚度性能为转向机压块机构提供了更大的预紧力，提高了转向机的承载能力以及使用寿命，稳定的刚度变化，为转向机耐久后优异的噪音表现提供依据。

参考文献：

[1]刘长军.汽车转向系统异响的问题解决方案[J].现代零部件杂志，2013（1）：81-83.

[2]曲莉范，张帮琴.C-EPS系统中转向机异响问题分析[J].汽车零部件，2014（7）：47-53.

[3]王亚平，等.带异响“检测-反馈”系统的转向机设计[J].时代汽车，2023（02）：125-127.