EPS轉向系統鵝卵石路、繩索路異響分析

朱志剛　辛慶鋒　徐梅梅　胡飛　常文楠

摘 要：在當前的車輛開發中，傳統的燃油車、電動車的都已實現了轉向系統的電動助力，但轉向系統增加了蝸輪蝸桿結構，并且電機進行助力驅動，這導致在蝸輪蝸桿以及與電機配合結構、尺寸、公差的影響，導致轉向系統在過一些特殊路況下產生轉向異響。文章介紹了EPS轉向系統在過鵝卵石、繩索路等特殊路況是轉向系統易產生異響，通過對空載力矩、蝸輪蝸桿的配合以及電機與蝸桿的配合型式對轉向系統特殊路況異響。

關鍵詞：轉向系統 空載力矩 轉向異響

1 引言

隨著汽車發展轉向系統的功能及要求也在逐步的提高，同時轉向系統在開發過程中重點需要關注轉向系統零部件的可靠性同時也要規避轉向系統的異響問題，乘用車采用EPS轉向系統是普遍情況，而EPS除了給客戶帶來更好轉向駕駛感的同時，也能集成智能駕駛的功能，實現自動駕駛功能對整車的橫向進行控制，但EPS轉向系統需要通過助力單元進行EPS的控制，增加了蝸輪蝸桿結構或者帶傳動結構進行驅動轉向系統，這使得轉向系統在工作過程中在一些特殊路面，特別是鵝卵石、繩索路、比利時路面時，車速在10km/h，蝸輪蝸桿結構或者帶傳動結構被路面的反饋激勵起振動造成轉向系統異響問題。

文章主要針對轉向系統在鵝卵石、繩索路、比利時路產生的異響進行分析可能的原因，通過優化蝸輪蝸桿的配比、蝸桿與控制器的連接方式等方向結構轉向異響的問題，通過對轉向管柱結構型式的EPS進行分析結構型式，通過優化蝸輪蝸桿的設計、匹配、蝸輪的加工型式以及合理的選擇聯軸器的結構方式消除轉向系統在特殊路段的異響問題，為后續轉向系統的設計開發提供理論依據及實踐借鑒意義，規避產品后續開發中出現類似的問題。

2 特殊路段轉向異響的機理

以轉向管柱助力的EPS系統進行分析，車輛在過一些特殊路面時會通過路面激勵使得轉向系統產生“噠噠-噠噠”異響聲，從產生的機理上是輪胎將地面的振動通過轉向器、中間軸傳遞到轉向管柱的蝸輪蝸桿、蝸桿與電機連接部位，而這些配合部位由于尺寸配合和安裝的要求存在間隙，這就導致振動傳遞上來在這些部位相互接觸時產生異響，產生異響的部位有可能是蝸輪蝸桿接觸部位，也有可能是電機與蝸桿配合連接部位，針對這些部位的異響需要控制轉向空載力矩，優化蝸輪蝸桿的匹配，蝸桿軸承的選型，蝸桿與電機的連接等型式都會對轉向異響有貢獻，如圖1所示。

3 轉向系統優化改善異響的方案

3.1 蝸輪蝸桿的匹配及空載力矩

EPS轉向系統蝸輪蝸桿結構，電機驅動蝸輪帶動管柱轉動，通過蝸輪蝸桿結構將電機的助力放大，實現轉向助力。轉向異響通過地面傳遞上的力矩對蝸輪蝸桿處產生作用，地面的激勵會使得蝸輪快速的來回轉動，蝸輪與蝸桿配合匹配不當將產生異響，同時對應蝸輪蝸桿的空載扭矩過小不能有效抑制傳遞上來激勵給蝸桿的沖擊也會產生轉向異響的情況，所以在設計蝸輪蝸桿是需要將蝸輪和蝸桿進行分檔匹配，保證蝸輪蝸桿的嚙合距離，對蝸桿進行分檔與蝸輪匹配在保證中心距要求的情況，也對空載力矩進行了范圍的控制，一般情況下空載力矩控制范圍在2.0N.m-3.5N.m的范圍值，通過對空載扭矩的要求和蝸桿分檔控制來抑制轉向異響，蝸輪蝸桿的配合，如圖２所示。

蝸桿的參數

齒部采用精磨齒（磨齒Rz≤0.4） 滾光（滾光Rz≤ 0.2）工藝

蝸桿精度等級 7 GB 10089

蝸輪的參數

蝸輪齒面粗糙度Rz≤1.6

蝸輪精度等級 7 GB 10089

對于蝸輪蝸桿結構的EPS轉向系統，通過調整蝸桿的分檔控制以及空載力矩進行控制，能有效的將轉向異響進行抑制，蝸輪蝸桿的精度和表面粗糙度也會對轉向異響產生影響，需要嚴格控制，并且避免蝸輪在匹配蝸桿過程出現多次更改蝸桿導致蝸輪多個接觸嚙合面，也易產生轉向異響的問題，可以通過不帶電機空載力矩檢測一次對蝸輪蝸桿的匹配進行篩選，合格后再對蝸輪蝸桿磨合，完成后在帶電機空載力矩檢測，這樣來保證蝸輪蝸桿接觸面的充分結合，同時可以將空載力矩控制在需求范圍內。如圖示為蝸輪與不同蝸桿匹配導致嚙合多接觸面。

3.2 蝸桿與電機的配合方式

蝸桿與電機連接匹配的方式現在主流結構是采用四爪聯軸器型式配減震墊結構，這種結構能有解決電機與蝸桿同軸問題，但減重墊采用橡膠結構，要求他的可靠性和耐久性要好，這也使得不同的EPS供應商開發出有各自不同的聯軸器結構，來改善轉向異響問題，同時對于電機傳遞的扭矩能快速的影響。合資主流供應商如ZF、博世、耐世特等都有各自的設計方案，國內自主供應商則主要以常規的四爪結構來開發EPS轉向系統。四爪結構以及衍生的不同聯軸器結構如圖4所示。

除了四爪結構外還有以日本NSK開發的花鍵結構也有在使用產品，但采用該結構要求對于蝸桿與電機配合的同軸度要求高，內外花鍵配合的，對于電機外花鍵的跳動需要控制≤0.032mm，電機法蘭與蝸輪箱安裝面的垂直度要求控制在≤0.1mm，并且在目前使用過程中該結構在鵝卵石路面產生異響的頻率較高，主要是內外花鍵配合屬于剛性連接對于路面傳遞上來的激勵無法有效的衰減，所以內外花鍵結構對于轉向異響特別是在鵝卵石、繩索路異響問題更容易產生，在生產、裝配過程中對于花鍵的加工以及電機花鍵調動和安裝面的垂直度要求較高，而四爪結構減震墊能吸收沖擊，可以有效解決轉向異響。如圖對比花鍵結構和聯軸器結構型式。

3.3 蝸桿結構的設計

蝸桿結構設計一般為2頭結構設計，蝸輪與蝸桿配合時通過在蝸桿端部增加調整間隙結構來保證蝸桿與蝸輪能貼合緊密，轉向管柱在工作過程中蝸輪與蝸桿能時時接觸，保證在轉向換向過程中蝸輪蝸桿不會產生換向異響的問題，同時也能使得路面反饋上來的沖擊在蝸輪和蝸桿充分壓緊接觸的情況也能減小在特殊路面上轉向異響問題，設計調整間隙結構時需要保證預壓緊力垂直壓緊蝸桿已保證蝸桿能有效的貼合蝸輪使得轉向過程中手力平順，并且對于轉向異響也能有效的抑制。

蝸桿與殼體的固定也需要進行控制，蝸桿除了在端部進行預緊力的壓緊來保證貼緊，同時也要對轉向管柱的空載力矩進行保證，這也需要蝸桿能在工作過程中對于軸向力進行補償調整，所以蝸桿與蝸輪箱安裝配合時選用的軸承采用擺動軸承，提供蝸桿的角度擺動，同時擺動量不影響蝸桿的預緊效果如圖。

蝸桿與電機連接過程中為了減少電機的軸向竄動產生異響，通常采用軸向緩沖彈簧來規避電機及蝸桿的軸向竄動，通過裝配后彈簧對蝸桿及電機軸支撐，而路面傳遞上的激勵這時通過彈簧變形進行吸收將振動進行消減如圖9。

對于轉向管柱EPS轉向異響問題主要問題點集中在蝸輪蝸桿配合以及與蝸桿和電機配合方式，在實際使用過程中如何避免轉向異響問題需要綜合考慮空載力矩的大小，同時蝸輪蝸桿的匹配值，蝸桿與電機的連接型式以及電機端部本身波形彈簧的支持力（80N～120N）都會對轉向異響產生影響，所以在設計過程如何將轉向異響在鵝卵石路、繩索路規避是設計前期基于以往經驗教訓和優化結構來進行改進，以上是通過幾方面進行分析研究可能會產生轉向異響的問題點。

4 結論

（1）文章對轉向異響進行了初步的分析以及評估各個零部件對異響的影響。

（2）通過對轉向管柱空載力矩、蝸輪蝸桿的配合型式、聯軸器的型式。

（3）文章對轉向異響問題進行了闡述，對于影響轉向異響的部件進行分析說明，可以在開發過程中進行借鑒，避免在特殊路面鵝卵石、繩索路的異響問題。

參考文獻：

[1]余志生．汽車理論[M]．2版．北京：機械工業出版社，1990．

[2]陳家瑞.汽車構造[M].北京：機械工業出版社，2004.