转向器异响及优化设计

摘 要：转向异响是转向器故障的常见的故障，引起故障原因主要有设计不合理、制造过程不符合工艺引起。本文为对生产过程中不符合工艺引起的一种异响进行原因分析和优化，从而解决异响问题。

关键词：齿轮齿条转向器 异响 优化设计

1 前言

现在大部分乘用车基本都使用电动助力转向系统，在电动转向系统中，C-EPS是最便宜的，所以大部分都使用C-EPS转向系统，该系统主要由电动助力转向管柱和齿轮齿条式转向器构成。齿轮齿条式转向器具有结构简单、重量轻、传动效率高、成本低等特点，在轿车及SUV车型上广泛应用，但异响问题一直都伴随着齿轮齿条转向器，通过这么多年解决异响问题的经验积累和优化，基本已规避了大部分，但新开发转向器仍时有发生异响。

1.1 齿轮齿条式转向器的优点

与其他形式的转向器相比，齿轮齿条转向器具有以下优点：体积小、结构简单紧凑、壳体可采用铝合金或镁铝合金铸造而成，转向器的质量小；制造成本低；传动效率高达85%。

1.2 齿轮齿条式转向器的缺点

因为此类转向器的逆效率高（70%左右），汽车在不平路面行驶时，发生在转向轮和路面之间的冲击力，大部分都能传到方向盘，这会使驾驶员感觉到很明显的不平路面对方向盘的冲击，驾驶员容易疲劳经过凹凸不平路面，转向盘的突然转动会造成打手；另外，机械转向器内各部件基本都为刚性连接或接触，当加工精度不够的时候容易产生异响，异响是机械转向器极易发的故障。

2 异响原因分析

2.1 某车型齿轮齿条转向器的异响症状

当向左慢速转向时，会发生清脆的异响声。有3台故障转向器装车结果全行程皆有可能发生异响，无固定异响点，该件生产批次虽不同，但是生产时间相差不是太大，都在在6个月以内。下文是对此异响进行拆解分析的过程。

2.2 啮合间隙过大引起的异响排查

首先进行啮合间隙检测，内核间隙检测主要检测啮合间隙及波动、齿条移动力及波动，啮合间隙及波动可直观的反馈其配合情况，为异响源判断提供直接的依据。齿轮齿条啮合间隙一般要求≤0.08mm，过大则容易产生异响，同时也不能太小，太小则会导致齿条移动力过大，影响整车转向手力及回正效果。因此使用啮合间隙及波动、齿条移动力及波动参数来控制器间隙，达到需要的效果。

机械转向器齿轮齿条间隙过大异响的原因主要有以下几点。

（1）调整弹簧预紧力和刚度过小：调整弹簧预紧力过小，直接导致齿轮齿条间隙达不到要求，从而引起异响。现在生产过程中齿轮齿条间隙值为100%检测。调整弹簧刚度过小，则会在齿条使用磨损后，不能很好的弥补其间隙，使得间隙过大产生异响。

（2）齿轮齿条的磨损：‌齿轮齿条在车辆使用过程中，由于长期摩擦和冲击作用，‌会导致齿轮齿条端面磨损，‌引起间隙变大，从而‌在转向时产生异响。

（3）齿条轴与衬套间隙过大：‌齿条轴与衬套间设计时设计有一定的间隙， ‌然而‌如果间隙由于其他原因导致此间隙过大，‌就会容易导致齿条震动或共振，‌进而产生异响。‌引起间隙过大原因可能是由于产品设计不合理或者或加工精度不符合要求，‌或者是零部件过度磨损所导致。‌

调整弹簧只能在一定的间隙内使齿轮齿条啮合间隙达到规定要求，如果啮合间隙超过其补偿范围值，则需要重新调整调整螺栓，补偿弹簧预紧力，‌以保证齿轮齿条始终处于最佳啮合状态。

图1为转向器间隙调整机构：

故障件间隙检测，检查结果如下表1：

经过检测，各性能参数符合设计要求，排除齿轮齿条间隙过大导致异响。

2.3 小齿轮窜动检测

小齿轮窜动引起异响原因主要包括转向器滚针轴承和滚珠轴承设计选型不合理，及轴承与轴承挡圈间隙设计不合理，导致小齿轮耐久强度满足不了要求而损坏，或轴承与轴承挡圈间隙过大，小齿轮沿轴向窜动，引起异响。

2.3.1 向器滚针轴承和滚珠轴承设计选型不合理

滚针轴承和滚珠轴承型号选用不合理，轴向及径向力满足不了使用需求，导致轴承损坏，从而引起上下窜动。轴承选型需根据齿条力大小计算分析来确定。

齿轮的受力分析：在斜齿轮传动中，作用于齿面上的法向载荷Fn沿径向分解为Fr和沿轴向分解为Fa，及分解为沿齿轮的周向分力（圆周力）Ft，如下图3。

各力大小为：

Ft=2T1/d1

F′=Ft/cosβ

Fr=F′tanαn=Ft*tanαn/cosβ

Fn=F′/cosαn

式中：β——节圆螺旋角，对标准斜齿轮即分度圆螺旋角；

αn——法面压力角

αt——端面压力角

βb——啮合平面螺旋角

T1——齿轮扭矩

d1——节圆直径

由上公式可计算出齿轮轴向力Fa，由于小齿轮的轴向力完全由滚珠轴承承担，因此在计算的基础上，选择一定安全系数，确定齿轮轴向力后选择合适的滚珠轴承。

小齿轮径向力Fr分别由滚珠轴承和滚珠轴承共同承担，承担比例根据齿轮齿条啮合位置而变化，通过滚珠轴承和滚针轴承到啮合线的距离分配其载荷大小，同时需留一定的后备系数。

2.3.2 故障件小齿轮窜动量检测

检查结果如下表2：

经过检查，小齿轮窜动量检测满足要求，排除小齿轮由于上下窜动导致异响。

2.4 轴承游隙引起异响检测

2.4.1 轴承负游隙会产生异响的原理

轴承负游隙会产生异响的原理主要涉及到轴承内部结构的配合和运动状态。

轴承游戏定义：将轴承内圈或外圈的一方固定，然后使未被固定的一方做径向或轴向移动时的移动量，叫轴承游隙。如果得内圈或外圈被施加其他额外力，导致内外圈之间存在弹性变形，形成了负游隙。

轴承游隙‌对于轴承的正常运行十分重要。‌适当的游隙可以确保轴承内部的滚动体在运转时能够自由滚动，‌减少摩擦和磨损，‌从而保持轴承的稳定性和寿命。‌然而，‌当轴承存在负游隙时，会导致以下问题。‌

摩擦力加大：‌负游隙由于有其他预紧力存在，使得滚动体与内外圈之间的摩擦力加大，会导致轴承在运转时产生额外的热量，‌加速轴承材料的磨损。‌

运动不平稳：‌由于游隙过小，‌滚动体在运转过程中可能无法自由滚动，‌从而导致运动不平稳，‌这种不平稳的运动会引起振动和噪音。‌

负荷分布不均：‌负游隙可能导致轴承内部负荷分布不均匀，‌部分滚动体承受过大的压力，‌加速了其磨损和损坏。‌

以上这些因素作用，使得轴承在转动时产生异响。因此，保持适当的游隙对于确保轴承的平稳运行和延长使用寿命至关重要。‌轴承生产时一般不会有负游隙现象发谁，负游隙一般时装配轴承时发生，如发现轴承为负游隙，应采取措调整，‌以确保其正常运转。

2.4.2 故障排查

轴承问题首先采用ABA互换齿轮轴合件验证。

A#、B#、C#件更换齿轮-轴承合件进行装车验证，转向器异响消除，验证后故障跟随齿轮-轴承合件转移，拆解后发现手动改转动轴承时均有明现卡滞感，表现为某一位置点卡滞。检测齿轮轴外径和轴承内径，发现异响件齿轮轴外径存在超上差0.001～0.002mm的情况，导致轴承内圈外径超差，轴承游隙为负游隙。检测结果如下表3：

2.5 改善措施

对齿轮轴与轴承处的配合尺寸优化，从现有轴外径Φ22（+0.025/+0.018），优化为Φ22（+0.02/+0.01），减小齿轮-轴承过盈量，采用此配合尺寸的齿轮轴合件装回原异响转向器上，异响消失，措施有效。

3 结论

本文通过一个异响故障排查示例，提供了一种故障排查的步骤，同时对制造过程中由于轴承轴加工尺寸不满足要求，引起与轴承负游隙过大导致异响的原因进行分析，并提出了优化方案，对优化前后相关零部件进行检测和结果对比。优化后的转向器异响现象消失，该措施有效。

参考文献：

[1]王望予.汽车设计[M].北京：机械工艺出版社，2011.

[2]程翔.机械转向器异响原因分析及优化设计[M].海口：海南省机械共创学会论文集，2012.