电动助力转向管柱颠簸路异响优化设计

梁阿南，丁 宁

（北京汽车集团有限公司，北京 101300）

0 引 言

EPS（Electric Power Steering，电动助力转向）系统是一种直接依靠电动机提供辅助扭矩的动力转向系统，是为了满足人们对驾驶轻便性的要求而产生的，可以根据不同的使用工况控制电动机提供不同的辅助动力，符合当前电控技术与汽车技术相结合的趋势[1]。由于EPS内部集成的零部件数量较多，结构较复杂，容易导致颠簸路面行驶时产生噪声。同整车大多数噪声一样，转向系统的噪声一般不能完全消除，需要控制在人耳能接受的正常范围内。如果零部件及之间的匹配发生异常，噪声会高于能接受的范围，这种噪声称之为异响。常见的有转向操作异响、颠簸路面异响、起步异响、转向盘怠速抖动甚至异响[2]。因电动助力管柱通常布置在乘员舱，距离驾驶员较近，在发生异响时更容易被驾驶员发觉，且异响发生时常常伴有转向盘上的手感振动冲击，因而对于异响需要更加严格控制。基于以上，提出一种解决颠簸路异响的方法，对EPS系统进行转向管柱设计优化，经过验证，达到预想的效果。

1 问题描述

某款车型在试验行驶1万km，车速为15～20 km/h情况下，转向系统出现“哒哒”异响，且转向盘有振动感。对异响车辆进行检查，首先检查转向盘与护罩、转向中间轴节叉与车体通过孔周边间隙，转向拉杆与摆臂的间隙，结果无干涉。经过NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪声、振动、声振粗糙度）专业人员主观评价，初步判断异响源来自转向管柱，后续通过麦克风采集声音数据和LMS数据采集主机测试转向管柱蜗轮蜗杆、中间轴、转向器调整体、转向器支持衬套处的加速度值，综合分析进一步锁定异响源为转向管柱。更换新转向管柱后，重新进行评价，转向“哒哒”异响消失。

典型颠簸路面如图1所示。

图1 异响发生的典型路况

2 原因分析

针对问题的描述，利用简单实用、深入直观的鱼骨图进行分析，如图2所示，结合主观评价及客观数据的分析结果锁定颠簸路异响问题原因，对转向管柱伺服单元蜗轮蜗杆部位进行重点分析。通过客观测试，转向管柱蜗轮蜗杆处的振动较大，确定为异响来源。车辆在路面特殊路谱的激励下，激励传递到转向管柱蜗轮蜗杆，导致蜗轮蜗杆处产生“颠簸路异响”。蜗轮蜗杆处产生异响的因素包括材料选取、结构设计、无间隙调整机构、轴向缓冲机构、润滑脂牌号及加注量、零部件加工工艺和产线噪声检查等。

图2 转向异响鱼骨图

抽取其他主机厂197台同结构异响产品进行原因分析，异响主要发生在2万km内，且与行驶里程关联，如图3所示。经过故障件的拆解分析发现，故障件普遍存在蜗轮蜗杆啮合处油脂量偏少情况，且蜗轮盘有磨损痕迹。对于行驶里程小于500 km的故障件进行蜗轮蜗杆间隙检查，发现异响件间隙大于3′。

图3 异响故障里程统计

综合分析转向管柱蜗轮蜗杆异响主要原因为：

（1）转向管柱伺服单元内蜗轮蜗杆润滑不良，经拆解对比涡轮蜗杆处的润滑脂存量，发现故障件内油脂比无异响件油脂少4 g左右；

（2）电动转向管柱现有结构的蜗轮蜗杆间隙不可调整，不可调机构结构简单，成本低，如果应用在前轴荷大的车辆上，随着行驶里程增加，蜗轮蜗杆磨损产生间隙，当车辆行驶在颠簸路面上时，容易产生撞击异响；

（3）通过分析行驶里程在500 km以内的异响车辆，发现转向管柱初始间隙未得到有效控制是造成异响的主要原因。

综上所述，该车型颠簸路异响的主要原因为电动助力转向管柱总成润滑不良、无间隙自动调整机构和生产控制参数设置不当。

3 优化方案

通过深入分析转向管柱异响部位发现，控制润滑性能、结构参数及控制工艺是解决异响的根本措施。

（1）针对蜗轮蜗杆啮合部位润滑脂状态，由于人工加注涂抹不均匀及设定加注参数计量偏小，导致耐久后润滑不良磨损严重，蜗轮蜗杆磨损产生间隙后出现撞击异响。对加注工艺进行优化，将人工加注10 g油脂改为设备定量加注16 g油脂，保证润滑效果，如图4、图5所示。

图4 优化前人工加注

图5 优化后设备定量加注

（2）采用蜗轮蜗杆及壳体分组选配，增加啮合过程的平顺性，减轻磨损；同时调整工艺参数，将蜗轮蜗杆间隙参数调整在3′以内，有效消除了零公里异响。

（3）经过对标分析，优化前蜗轮蜗杆间隙不可调，如图6所示，优化后采用蜗轮蜗杆间隙自动补偿机构，即通过弹性元件，将蜗杆小浮动轴承部位压向蜗轮，使得蜗杆实现偏摆，保证蜗轮蜗杆传动过程中能够始终保持啮合，最终达到消除异响的目的。如图7所示，采用间隙自动补偿机构能够消除蜗轮蜗杆配合间隙，降低异响风险[3]。

图6 优化前蜗轮蜗杆间隙不可调

图7 优化后蜗轮蜗杆间隙自动调整

4 效果验证

为验证优化方案的效果，利用LMS数据采集设备、传声器、三向加速度器、声学标定器等，对故障件与改进件的间隙分别测量，传感器布置在蜗轮蜗杆啮合部位壳体靠近蜗杆处外侧，同时在驾驶室内布置麦克风采集噪声，如图8所示。

图8 传感器测试位置

用LMS.TEST.LAB将数据时域波形整理出来，将振动传感器采集的数据采用相同坐标范围进行对比。在同一范围内，比较传感器采集的振动量级、振动平稳性。通过客观测试对比及驾驶室麦克风采集声压的综合评价，经过对①、②、③、④的测试数据对比分析，发现对转向管柱进行改进后，颠簸路转向异响改善效果明显，如图9、图10所示。

图9 异响件①②③测试数据

图10 改善件④测试数据

5 结 论

（1）颠簸路逆向冲击传递到转向系统，因转向系统中运动部件在动态载荷的作用下，相互敲击产生了噪声异响，该异响可通过对整车客观测试确定异响源。

（2）增加蜗轮蜗杆间隙自动调整机构，通过弹性元件在蜗杆小浮动轴承部位压向蜗轮，使得蜗杆实现偏摆，保证蜗轮蜗杆传动过程中能够始终保持啮合，最终达到消除异响的目的。

（3）蜗轮蜗杆及壳体分组选配，控制啮合间隙可有效消除短里程颠簸路转向异响。

通过电动助力转向管柱改进前、后对比分析，确定转向异响改进效果明显，研究成果可直接应用于工作实践，避免类似问题重复发生。