间隙调整机构预紧弹簧对转向器异响的分析

刘阳峰 王 京 吴增月 王英欢 刘增利（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000）

间隙调整机构预紧弹簧对转向器异响的分析

刘阳峰 王 京 吴增月 王英欢 刘增利
（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000）

本文分析了齿轮齿条式转向器撞击音的产生原因，并通过更改压紧弹簧的结构形式来控制调整体的压紧力，进而降低齿轮齿条的撞击音。

齿轮齿条；压紧弹簧；撞击音

1 背景

齿轮齿条式转向器以其结构简单紧凑、重量轻、传动效率高等优点被广泛的应用在乘用车当中。汽车转向时，驾驶员通过转向操纵机构将转向力传递至转向器的输入轴，转向器输入轴与小齿轮为一整体，并且齿轮与齿条相啮合，当齿轮转动时会带动齿条产生轴向位移，进而操控转向节转动，带动车辆转向。但是当整车在颠簸路行驶或者整车快速换向时，齿轮齿条会相互撞击从而产生异响，影响整车品质。

2 产品结构异响产生机理

现在乘用车普遍采用齿轮齿条式转向器，主要由小齿轮、齿条、间隙调整机构及壳体组成。其中，间隙调整机构通常采用螺旋弹簧压在调整压块上来对齿条施加预紧力的形式。转向器装在整车上加载后，齿轮转动时，齿轮齿条啮合部位会产生驱动力驱动齿条轴向移动，但同时也会产生一个沿着齿条径向的分力，使齿轮齿条之间产生相互分离的趋势。当齿轮齿条处于无负荷状态或小负荷状态下，齿条在间隙调整机构的预紧力作用下克服受到的径向分离力，此时齿轮齿条处于完全啮合状态；但是当驾驶员进行紧急避让动作，或者车辆行驶在颠簸路面时，转向器齿轮齿条将承受较大的冲击，此时齿轮齿条啮合时产生的径向分离力大于调整体的预紧力，使得两者之间产生间隙，当突然换向时齿轮齿条之间产生冲击异响，如图1所示。

3 异响改善方案

为避免大负荷时冲击异响的产生，需将预紧力加大。根据胡克定律：F=k*x可知，增加预紧力的方式有两种：一是加大弹簧的压缩行程，由于调整机构处的间隙非常小，故增加压缩行程的方案不可行；二是加大弹簧的弹性系数，此方案具有可实施性。由于调整结构普遍采用螺旋弹簧，但螺旋弹簧的弹性系数是定值，即弹簧施加的力与变形量成线性比例增加，提升螺旋弹簧的弹性系数会导致小负荷时的预紧力同时得到增大，过大的预紧力将导致齿轮齿条啮合处及调整体与齿条接触的部位的摩擦力提高，会导致该处的磨损加剧，进而降低产品的可靠性。因此，现在部分转向器总成的调整机构选择膜片弹簧来替代螺旋弹簧，膜片弹簧具有变刚性的特性，弹簧强度与变形量存在非线性关系，当变形量加大时，弹性系数会增加，进而加大预紧力，如图2所示。通过计算选取合适的膜片弹簧，可同时满足转向器在不同负荷时对预紧力的要求。

4 试验分析

对齿轮齿条受力进行验证分析：首先进行间隙测试，当齿条处于中间位置，在齿条径向施加与预紧弹簧相反的力，使压块与调整螺母接触，测量设备指针与压块接触，标定此时的压块间隙为0。释放齿条上的径向力，此时在预紧弹簧的压力下，压块与调整螺母之间产生间隙，此处测得的压块唯一变化量即压块间隙，由于压块间隙越大齿轮齿条啮合间隙过小，从而间接测量出齿轮齿条啮合的间隙。

然后进行换向模拟测试：将转向器固定在台架上，齿条两端加载荷，快速换向，同时记录齿轮齿条啮合间隙数值。在转向机换向瞬间，压块受到一个向外的力，使压块向外运动，此时压块间隙减小，即齿轮齿条啮合间隙增大。

以某款车型为例：齿条最大输出力为7150N，通过力矩平衡计算，正常转向过程中齿轮齿条产生的沿齿条径向的分离力为300N，此时螺旋弹簧预紧力与膜片弹簧预紧力基本一致，均能满足转向器的需要，使齿轮齿条处于接触状态或小间隙状态；当车辆进行紧急避让时或行驶在颠簸路面时，齿条承受剧烈的冲击，此时压块间隙迅速间隙，即齿轮齿条啮合间隙加大，所需要的预紧力为1150N，螺旋弹簧已不能满足需求，齿轮齿条产生较大的间隙，导致异响产生，但膜片弹簧的变刚性特性则能够满足所需的预紧力，会保证齿轮齿条的解除状态或者小间隙状态，进而消除异响。

5 结论

对于小型车辆，车辆的前轴载荷较小，转向器转向时的负载偏小，转向器的调整机构采用螺旋弹簧就能够提供合适的压紧力以保证整车在颠簸路面行驶时或进行紧急避让时不会产生异响问题。但对于载荷较大的车型，由于其前轴载荷较大会导致转向器在转向过程中有一个较大的负载，此时如果转向器调整机构仍采用螺旋弹簧来提供预紧力，是不能满足整车在坏路上行驶时保证齿轮齿条具有较小间隙的预紧力的，故需要使用具有变弹性系数的膜片弹簧来作为压紧弹簧，进而消除快速换向及颠簸路行驶时的冲击异响问题。

[1]张铁山，孙宁，刘科阳.齿轮齿条调整体rattle噪音分析与研究[J].第十届河南省汽车工程技术研讨会：162-163.

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