汽车转向粘滞异响机理分析及控制研究

（北京汽车集团有限公司 101300）

0 前言

转向异响作为用户最容易感知的一种问题，在近些年客户的投诉案件中占比越来越高，如何降低用户对转向过程中出现的各类异响的感知，从转向系统的根本上预防该类异响，成为了各大主机厂商所亟需解决的问题。作为用户感受最为直接、体验最受影响的一类异响，粘滞异响成为了开发人员普遍关注与研究的对象。本论文就以粘滞异响作为研究重点，从异响现象、异响机理和异响控制方法3 个主要方面进行深入的剖析。

1 转向粘滞异响现象及机理分析

电动助力转向系统的粘滞异响通常发生在蜗轮与蜗杆啮合的过程中，即蜗杆与蜗轮通过面运动副，在传递扭矩的过程中，接触面间由于摩擦运动而产生的一种异常的声响。粘滞异响（图1）是由于物体粘滑（Stick-slip）运动产生的。由于电动助力转向管柱的蜗轮蜗杆，相互接触的表面之间产生相对运动，其接触面弹性变形会储存能力。当静摩擦超过动摩擦时这种能量就会释放，转向时因而产生类似“叽叽”的声音。

图1 粘滞异响模型示意图

图2 粘滞异响测试数据表现

转向粘滞异响不仅影响车辆舒适性，对操纵稳定性也会产生影响。因此在车辆开发阶段，控制转向粘滞异响问题尤为重要。

粘滑现象可表现为系统之间静动摩擦系数的跳变。在系统静动摩擦转换的瞬间，由于加速度变化会造成冲击振动，继而产生噪声。转向粘滞异响是低频率下发生的，但异响伴随的低频粘滑运动产生的振动能够释放出高频噪声（图2）。根据粘滑原理可知，造成粘滑现象的主要因素有：粘滞滑动产生的接触压力（载荷）、滑动速度、表面特征、材料属性、界面接触的时间（记忆摩擦）和摩擦系数等。其中摩擦系数用于表征和分析粘滞运动，是决定摩擦力的最重要因素。

2 电动助力转向系统粘滞异响分析

2.1 电动助力转向系统

电动助力转向系统已经成为乘用车的标准配置，管柱助力式电动助力转向系统由于成本优势，被广泛应用。管柱助力式电动助力转向系统由上管柱、减速机构、控制器、电机、中间轴和机械式转向器等部分组成（图3）。系统控制单元主要由控制器、电机、扭矩/角度传感器以及减速机构组成[1]。

图3 电动助力转向系统

图4 蜗轮盘3D 扫描分析

驾驶员通过转动方向盘，将扭矩传递给主轴扭杆，扭矩传感器通过扭杆的变形，检测的扭矩信号。控制器通过采集扭矩信号、转角信号和车速等信号，综合计算相应的控制数据给电机。电机通过联轴器将助力传递给蜗杆，蜗杆进而带动蜗轮进行转动，电机助力最终传递给转向器，拉动车轮使车辆进行转向。

2.2 典型转向粘滞异响问题分析排查

针对某车型路试测试阶段发生的粘滞异响进行分析，转向粘滞异响问题产生潜在原因有，系统装配不规范、润滑不良、啮合表面不良、蜗轮尺寸超差、蜗杆表面结构不利于油膜生成、蜗杆齿顶有锐边、受外部冲击和润滑脂性能变化等。

通过对转向粘滞异响潜在问题的逐一排查，运用质量分析工具、科学的测试分析手段，最终确定导致该问题的原因为润滑不良、蜗轮尺寸超差、蜗杆表面结构不利于油膜生成和蜗杆齿顶有锐边（图4）。

图5 软件补偿控制单元视图

2.3 典型转向粘滞异响问题解决方案

针对粘滞异响的产生原因，通过对粘滞异响的定量化测试，研究转向部件的特性，寻求最佳解决方案[2]。

（1）润滑不良解决方案

改善前方案：输出轴表面涂的防锈油进入蜗杆之间的润滑脂内，从而使油脂润滑效果降低，蜗轮蜗杆摩擦系数增加。

改善方案:采用对润滑脂性能无不良影响的切削油代替原防锈油进行防锈。

（2）蜗轮尺寸超差解决方案

改善前方案：采用4 孔注塑工艺，导致蜗轮尺寸精度差。

改善方案：采用6 孔注塑工艺，蜗轮尺寸精度提高,更改后的蜗轮盘总成啮合面符合优化设计要求

（3）蜗杆表面结构不利于油膜生成问题解决方案

改善前方案：蜗杆表面光洁度高，不利于油脂存储，产生镜面摩擦效果。

改善方案：在蜗杆加工过程中，提高蜗杆表面粗糙度，提升油脂存储空间。

（4）蜗杆齿顶锐边解决方案

改善前方案：蜗杆齿顶锐边造成表面划痕，导致二者啮合可能出现机械卡滞。

改善方案：蜗杆齿顶改为圆角设计，消除机械粘滞隐患。

2.4 软件补偿策略

为快速解决问题，缩短整改周期，在以上措施实施的同时，可进行转向系统基础软件功能调整，采用粘滞补偿软件对粘滞过程中伴随的力矩突变进行优化。当前电动助力转向系统具有基础助力、摩擦补偿、回正补偿、惯性补偿以及阻尼补偿等功能，对于粘滞补偿多通过提高转向系统涡轮蜗杆的配合质量来提升。软件补偿策略是采用电动助力转向系统的电控特性，开发出的具有粘滞补偿功能的电动助力转向系统策略（图5）。

图6 策略框图

图7 优化前异响台架测试数据

图8 优化后异响台架测试数据

方向盘转角传感器，感知方向盘转角大小及转角方向并发送转角信号。扭矩传感器，感知方向盘扭矩大小及扭矩方向并发送扭矩信号。EPS 系统接受CAN 总线上车速信号，作为逻辑判断依据。

电子控制单元ECU 根据不同的方向盘角度大小和方向、车速转速大小、方向盘扭矩大小以及电动转向管柱启动扭矩，逻辑判读当前力矩变动是否处于规定阀值内，进行相关条件的筛选。然后通过运算的应用，计算出不同的粘滞补偿电流值，提供不同的助力电流供电机使用。

当方向盘在T 时间内扭矩变化小于K（K 为单位时间内方向盘扭矩变化量，单位为N·m/s）时,粘滞补偿功能退出；当方向盘转角大于等于90°时，在T 时间内扭矩变化大于等于K 时,EPS系统报警，助力降级（图6）。

3 转向粘滞异响的台架验证

对优化前后的样件进行转向粘滞异响台架验证，在粘滞异响部分加装加速度传感器测量异响振动数据[3]。试验数据表明，样件优化后转向粘滞异响消除，振动加速度改善效果明显（图7和图8）。

4 总结

本文基于物体粘滑现象原理，通过对转向粘滞问题潜在原因的全面分析、逐项排查并试验验证，最终确定问题的根本原因为润滑不良、蜗轮尺寸超差、蜗杆表面结构不利于油膜生成以及蜗杆齿顶有锐边等综合因素。最后通过优化润滑工艺，改变蜗杆表面结构，优化机构及加工工艺，以及优化蜗杆齿顶结构等多方面措施，解决了转向粘滞异响问题。

此问题的成功解决，一方面为后续配备电动助力转向系统车型的开发积累了宝贵的经验，为后续质量问题的处理提供了一套完整的问题排查流程；另一方面，提升了整车质量水平，提高了用户的满意度。