机械转向器坏路异响优化设计

杨伟, 孙宾泽

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)



机械转向器坏路异响优化设计

杨伟1，2, 孙宾泽1，2

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

摘要：汽车异响问题一直是困扰每个厂家的难题，尤其是在车辆运动状态，其原因排查与方案验证更为困难。以转向机坏路异响为例，层层剖析异响产生机制，通过实验进行验证，提出优化方案，最终解决转向机坏路异响问题。

关键词：转向器；坏路异响；失效机制;优化设计

0引言

转向系统异响是车辆在正常使用中最常见的一种故障，随着驾乘人员对整车NVH舒适性要求越来越高，对于整车表现的要求也越来越严格。

1问题概述

自2015年4月份以来，转向机坏路异响问题日益突出(见表1)，故将此问题作为零缺陷项目进行立项解决。

转向系统主要由管柱、中间传动轴、机械转向机3个部分组成，如图1所示。

转向系统运动传递过程如图2所示： 转动方向盘时，扭杆受到来自转向轴与输入轴的扭矩产生变形，电子控制单元驱动蜗轮蜗杆机构提供助力到输出轴，从而转动中间轴与转向机的齿轮齿条机构，驱动车轮转向；而当在颠簸路上时，来自路面的激励会通过轮胎对转向系统产生逆向冲击。

2问题验证剖析

2.1故障原因可能性分析

随机对售后返回的其中4台故障件进行装车验证，结果见表2。

由实际装车验证得出：故障再现件均表现为卵石路的“哐哐”异响。

将故障件系统(WOW)与正常件系统(BOB)分别拆解为：转向管柱、中间传动轴及转向机3个部分，进行交互试验(主观噪声评估)验证，如图3所示。通过以上试验得出转向机是“哐哐”异响的异响源，需对转向机结构进行进一步分析。

通过互换验证分析，确认异响声源自转向机总成。此“哐哐”异响是由于金属零件直接碰撞产生，对转向机各部件进行分析，以下3点(见图4)会导致该“哐哐”异响：(1)调整体内压块、壳体碰撞；(2)转向机齿条衬套与壳体撞击；(3)横拉杆球头、球座碰撞。

汽车行驶过程中，如图5所示，地面的冲击通过车轮传递到齿条。过颠簸路面时，来自路面的剧烈冲击传递到齿条后，如果齿条轴向、径向摆幅过大，齿条带动压块在壳体孔内运动碰撞产生“哐哐”异响。调整体结构上，左端是利用压块压力压紧齿条，右端是通过齿条衬套贴紧齿条。

(1)压块间隙。通过调取缺陷件压块间隙出厂数据，数据值都小于0.08 mm，符合设计要求。

(2)缺陷件衬套无法拆除(见图6)，因此随机从生产现场抽取50件衬套进行测量，数据均合格；并且齿条衬套本身为尼龙材质，与壳体接触部位还有减震隔噪双“O”形圈结构。由此可以基本排除此部位风险点。

(3)如图7所示：横拉杆球头总成主要由拉杆球头、球座以及球头壳体压铆后组成。工作时拉杆连接车轮，当车轮经过颠簸路面，接受路面带来的反冲击力，如果拉杆球头与球座间隙过大，拉杆球头与球座就会撞击产生“哒哒”异响，出厂时拉杆球头间隙要求0.1 mm。将拉杆放置在专用的检测设备上，夹紧施加±980 N的力，由传感器自动测量。检测故障再现件的拉杆球头间隙， 随机抽取的4台故障再现件拉杆球头间隙检测结果如表3所示：检测间隙合格。检测结果说明“哐哐”异响与拉杆球头间隙无关，排除拉杆球头风险点。

2.2数据测试

生产现场分别在2015年6月10日和9月6日将异响件WOW与正常件BOB安装在同一整车上进行NVH振动加速度对比测试，贴片位置如图8所示。

(1)6月10日测试数据(图9)显示：压块在壳体孔内径向振动比较大。

(2)9月6日测试数据(图10)显示：压块在壳体孔内轴向振动比较大。

分别对压块径向、轴向振动大原因进行深度剖析：

(1)压块径向振动大方面。主要是压块在壳体压块孔内摆动撞击壳体内壁所致。对缺陷件进行相关零件尺寸测量，选取4例售后返厂件进行拆解，测量压块外径和壳体压块孔内径，数据统计如表4所示。

配合间隙Xmax=ES-ei=0.016-(-0.045)=0.061 mm

配合间隙Xmin=EI-es=0-(-0.025)=0.025 mm

表44个列返厂件尺寸测量数据

通过数据测量并结合图11可以得出：缺陷件压块与壳体压块孔配合间隙都符合技术要求，但靠近上极限公差。

如图12所示：转向机在转向时，齿轮与齿条相接处，接触面小齿轮给齿条一垂直接触力F1，使齿条在轴向运动的同时与压块贴合。齿条在轴向运动时，摩擦力带动压块一起运动，压块下部与压块孔相碰；同时齿条在轴向运动的同时会有一扭矩F2，带动压块一起运动，造成压块与压块孔相碰；距离越远，速度越快，冲击越大。压块总成上有两个橡胶“O”形圈，起到一定支撑减震的作用。异响的出现说明“O”形圈未起到应有的作用，需重新对尺寸进行优化。

结论：收紧压块与压块孔间隙对压块径向的摆幅有较大作用。

(2)压块轴向振动大方面。主要是压块在壳体压块孔内轴向间隙大，无法压紧齿条，齿条在壳体孔内径向摆动所致。

随机调取4例故障件原始数据，见表5。功能测试台工艺标准为压块间隙中间舒适区(±180°)小于0.08 mm。

表54例故障件压块舒适区间隙

结论：缺陷件间隙都符合工艺要求，但依然存在异响。

如图13所示：膜片弹簧未装配时为平面，通过调整螺母装配到转向器中，由压块中间凸台顶住膜片使其产生弯曲，膜片弯曲后产生压力F1使压块压紧齿条与小齿轮，抑制齿条径向摆动。在相同弯曲程度下，收小压块处间隙可增加压力f1，进一步抑制齿条径向摆动从而改善轴向异响。

结论：收紧间隙对压块轴向摆幅有较大作用。

通过上述故障件失效数据测量及机制分析可得：整车在颠簸路上行驶时，由于压块轴、径向摆幅大导致压块与压块孔碰撞而产生“哐哐”异响的原因为：(1)压块与齿条间隙大；(2)压块与压块孔配合间隙大。

3问题优化方案

通过对比分析转向机同类产品结构，为减小压块处间隙和压块与压块孔配合间隙，从而抑制压块轴、径向摆幅大，制定如表6所示几种验证方案。

并对以上验证方案进行整车主观噪声评估(BI:主观评分制)，评估结果如表7所示。

对试验结果进行分析得出：压块间隙收紧到0.05 mm，压块O形圈槽增大0.02 mm为最优组合。故需对齿条轴向、径向配合尺寸重新进行优化，如图14所示。

在转向机齿条外壳体上贴加速度传感器，对比优化前、后产品在颠簸路况的检测结果。如图15所示，优化后的转向机齿条在颠簸路况下震动微弱。

4总结

(1)通过转向机坏路异响问题的改进，问题系统分析能力有显著提高；明确了异响的影响因素，完成了产品的改进，提升了产品质量；并且内部横展预防，提升了产品的设计预防能力。(2)优化完成后降低了车辆售后市场的反馈与索赔，减少了客户抱怨的风险。

参考文献:

【1】Q/CC SY022-2013整车NVH主观评价方法与指标[S].

【2】程翔.机械转向器异响原因分析及优化设计[C]//2012年海南省机械工程学会论文集,2012.

【3】王望予.汽车设计[M].北京:机械工业出版社,2004.

【4】刘惟信.机械最优化设计[M].北京:清华大学出版社,1994.

【5】体验精湛的技术与服务 采埃孚(ZF)德国之旅(下)[J].汽车与配件,2013(28):24-28.

Optimal Design for Bad Road Abnormal Sound of Mechanical Steering Gear

YANG Wei1，2，SUN Binze1，2

(1.R & D Center of Great Wall Motor Company，Baoding Hebei 071000,China；2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei，Baoding Hebei 071000,China)

Keywords:Steering gear; Bad road abnormal sound; Failure mechanism; Optimized design

Abstract:The abnormal sound problem of vehicle has always plagued each manufacturer. The investigation of the root causes and program verification are more difficult, especially the vehicle in motion. Taking the bad road abnormal sound of the steering gear as an example, the mechanism of the abnormal sound was analyzed step by step which was verified be experiments,an optimizing program was put forward. Finally,the problem of bad road abnormal sound of the steering gear was solved.

收稿日期：2015-12-20

作者简介：杨伟(1981—)，大学专科，助理工程师，主要从事转向系统开发匹配研究。E-mail:41711525@qq.com。

中图分类号:U463.43

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)04-062-06