齿轮齿条式转向器异响原因分析及控制方法

徐百双　张晶　吕祥　杨魏绮

摘 要：本文根据路试车验证过程中，针对出现过的齿轮齿条式转向器异响情况，总结出原因分析及控制方法，分享给从事转向器设计以及制造相关的工程师作为参考。

关键词：转向器;齿轮齿条;异响

1 引言

齿轮齿条式转向器以结构简单、体积小、转向灵敏、传递效率高、制造成本低等优点，被广泛应用于载荷小的微型车、轿车中。路试车验证过程中齿轮齿条式转向器异响是最常见的故障模式，异响引起驾驶员舒适性差，影响汽车本身的产品质量。而异响问题主要原因是由壳体、齿轮、齿条、导套、压块总成等零部件结构设计、加工、装配过程中存在缺陷造成。

齿轮齿条式转向器工作原理：齿轮齿条式转向器（图1）是由壳体、齿轮、齿条、导套、调整机构、轴承、O型圈等组成。其工作原理以C-EPS转向系统传递扭矩（图2）为例，当驾驶员转动方向盘时，电动助力转向管柱接收信号产生助力，转向传动轴传递扭矩到转向器齿轮上，齿轮带动啮合的齿条沿着直线反复运动，从而轉向拉杆带动转向节转动，使转向轮偏转，实现汽车转向。

2 齿轮齿条啮合异响

故障模式：车辆静止状态转动方向盘从转向器部位传来断断续续、无规则“嘎哒”的异响声音。对故障件进行啮合间隙、转动力矩及转向力矩波动、齿条移动力检测（表1、表2、表3），通过检测可知，啮合间隙相对于设计出厂值大，齿轮转动力矩及齿条推力均偏小。

原因分析：齿轮齿条啮合间隙过大，会出现齿轮齿条相互撞击而产生异响。

控制方法：

1）出厂时齿轮齿条啮合间隙严格按照设计要求±180°行程内≤0.07mm，全行程≤0.1mm;

2）合理选择的油脂以及用量，建议齿轮室涂6g-7g油脂，齿条面涂至少6g-7g油脂;

3）控制好齿条的跨棒距、粗糙度≤0.4、直线度≤0.08mm、齿轮跳动≤0.056、齿形偏差≤0.02。

3 齿条导套异响

导套作用支撑齿条在运动过程中保持直线运动。

故障模式：车辆静止状态快速转动方向盘从转向器部位传来“吱吱”的异响声音。对故障件导套间隙检测（表4）相对于设计值偏大，然而齿轮齿条间隙测量满足设计要求。

原因分析：

1）齿条与导套间隙大，从而使齿条运动过程中偏斜，产生异响;

2）导套的刚度不足，变形过大，齿条与导套间隙大，导致异响;

3）导套中O型圈变形量大，不能够压紧导套，使齿条与导套间隙大，引起异响。

控制方法：

1）齿条与导套径向间隙≤0.15mm（从-100N到100N），径向间隙≤0.25mm（从-250N到250N）;

2）导套采用用半开放抱紧结构，导套与齿条是无间隙配合的，能有效消除齿条导套间隙;

3）O型圈材料选择NBR，硬度要求70±5HS，设计变形量范围不超过12%。

4 调整机构异响

调整机构主要作用在齿轮齿条啮合运动时，吸收因零件制造误差引起的振动调节齿轮齿条啮合间隙。

故障模式：车辆静止状态转动方向盘时从转向器部位传来连续“咔哒”的异响声音。用手转动齿轮，可听到声音从调整机构端传出，可能存在的几种问题（表5、表6、表7）不满足设计要求，从而引起异响。

原因分析：

1）调整机构与壳体间隙小，使得调整机构上的O型圈受到挤压，产生永久变形量大不能在壳体孔内正常运动，导致调整机构偏斜与壳体内壁偏磨，产生异响;调整机构与壳体间隙大，调整机构上下窜动与壳体内壁撞击，引起异响;

2）调整机构涂油脂量少，使得调整机构与壳体内壁干磨擦，出现异响;

3）齿条齿背粗糙度偏大，在转向时调整机构受到齿条的轴向力过大，导致调整机构摆动撞击壳体内壁，引起异响。

4）调整弹簧刚度不足，导致调整机构上下窜动与壳体内壁撞击，引起异响。

控制方法：

1）规定调整体外周与壳体内孔之间有合理的配合间隙，一般设计二者之间的间隙为0.04～0.1mm

2）规定调整体外周要涂抹润滑脂，一般至少0.3g;

3）齿条齿背及调整体衬垫粗糙度要合适，一般要求在Ra0.4以下，以减小两者之间的摩擦力;

4）弹簧需经低温回火处理，保证弹簧刚度（载荷350±30N时变形量为2.3mm）;

5）采用双O型圈缓冲使用中的冲击，降低噪音，硬度要求70IRHD;

6）压块座要求真空浸油处理工艺。

5 球轴承异响

故障模式：车辆行驶过程中转动方向盘时，明显听到从转向器部件传过来的“咯噔”声音。用手转动齿轮，可听到转向器齿轮端有“咯噔”声异响，对故障件球轴承检测（表8）不满足设计要求。

原因分析：

1）球轴承结构、规格或游隙选取不当;

2）齿轮与轴承的产品尺寸设计配合。

控制方法：

1）球轴承滚动体采用4点接触式结构而不采用深沟球轴承（图3），径向游隙可控9μm以下，轴向游隙约其2～3倍，轴向刚性大（图4）

2）控制齿轮上下轴承配合位置的同轴度φ0.02;

3）压紧螺塞拧紧力矩（34N.m～44N.m）适当且有防松措施，见表8。

6 结束语

齿轮齿条式转向器中产生异响原因有很多，排查引起异响的原因也很复杂，所以在零部件结构设计、加工、装配过程中均需要提前采取预防措施，防止出现异响等故障。

参考文献：

[1]王望予.汽车设计（第四版）.北京：机械工业出版社，2003.

[2]王霄峰.汽车底盘设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]孟永超.齿轮齿条机械转向器异响成因浅析.河南省汽车工程学会，2013.

[4]刘蒙，郭常本.齿轮齿条转向器异响分析[J].科技风，2018（17）：144-145.

[5]曲莉范，张帮琴.C-EPS系统中转向器异响问题分析[J].汽车零部件，2014（07）：47-50+53.