通过球轴承改进实现对机械转向机转向噪声的优化

张学斌

（上海博世华域转向系统有限公司 201821)

1 问题分析

1.1 噪声发生的原因

机械结构中存在必要的间隙，运动中互相的碰撞发生振动，导致了噪声的产生。机械结构运动的核心区域是齿轮齿条啮合区，因此对齿轮齿条啮合位置进行分析，发现存在有2处位置存在间隙，分别为球轴承与压块间隙，2种间隙均会对转向噪声产生直接的影响。压块间隙直接决定啮合区域的间隙，但涉及到移动力的控制问题，只能寻找一个平衡点；球轴承间隙直接影响小齿轮的摆动量，更小的摆动量可以减小振动能量。本文主要阐述球轴承间隙对噪声的影响，以及相对应的改进措施。

1.2 利用振动加速度传感器确认振动源

在试验室利用橡胶阻尼块与环形夹具模拟整车状态，橡胶阻尼块模拟整车的摩擦阻力，环形夹具模拟整车的转向机搭建角度。并利用专业NVH设备与振动加速度传感器更客观、准确地得到撞击振动的大小。

根据噪声源可能产生的位置，笔者分别将振动加速度传感器安装在压块外壳体位置、支撑衬套外壳体位置以及啮合位置外壳体位置进行测试。测试方法是方向盘在±40°区域内连续来回换向，并保持力度大小均匀。用专业的噪声采集设备进行采集和分析工作。

测试结果发现，压块外壳体位置与啮合位置外壳体位置的振动加速度值更大，并且大小基本相同，但啮合位置外壳体的振动加速度波段出现的更早。因此这个位置的振动产生更早，更有可能是振动源产生的位置。实际的振动加速度测试结果确实与理论分析上保持一致。根据这一结果，开始对球轴承性能、球轴承外圈以及内圈配合进行深入的分析（图1）。

图1 振动加速度数据

2 球轴承性能

目前机械转向机使用的球轴承是滚动轴承的一种，轴承也是机械结构中重要和关键的机械原件。在机械性能与使用寿命同时取决于所选择的轴承时，从许多适用的变量中选择出最优的轴承往往是困难的。

2.1 轴承基本参数

机械转向机球轴承的输入值需要考虑到诸多因素，如载荷、噪声与力矩、偏心与刚度和使用寿命等。

2.2 机械转向机所需球轴承关键参数

就机械转向机输入轴球轴承来说，机械转向机相对低转速、低载荷的工况下，深沟球轴承在寿命、载荷和转速等方面都能很好地满足实际工作状况的要求。而回到目前主要讨论的噪声和间隙问题，球轴承的轴向和径向游隙就会直接影响到整个小齿轮工作时的摆动情况。滚动轴承游隙在运转时，是一个可以影响轴承寿命、振动、发热和噪声等的因素。

3 试验验证

3.1 轴承游隙与摆动量的关系

根据上述理论分析的结果，对不同游隙的深沟球轴承进行装配分类，并分别进行摆动量测试。待测试的轴承分为10 μm、20 μm、40 μm。在40 μm自由游隙的摆动量曲线上看到，中间位置有明显的间隙存在（图2）

而在同样力的作用的下，20 μm的中间摆动量会明显少很多（图3）。

图2 轴承游隙40 μm

图3 轴承游隙20 μm

经过反复的试验确认后，笔者得到的结论是，深沟球轴承游隙

图2 支架压铸件铸造缺陷预测

3.3 第二种方案

第一种方案中的浇筑缺陷，能够通过提高铸件激冷能力，使缩孔及容积得到降低。但是，铸件自身的激冷能力较大，会导致出现边凝固或浇筑的情况，导致后注入的金属补充液收缩量降低。那么，在具有一定壁厚铸件的地方，第二种方案能够利用局部水冷，将水冷替代原本的空冷，从而实现铸件的指向性凝固[2]。

3.4 两种方案的凝固铸件节点温度变化情况

通过以上描述表示，在铸件凝固过程中能够有效满足需求的理想凝固就是指向性凝固，在第一个方案中逐渐节点凝固的顺序比较混乱，以此无法得到质量铸件。在第二个方案中，是以局部冷却为基础，能够提高铸件中3个节点的冷却速度，并且保证一定的凝固顺序，不仅能够使生产效率得到提高，还能够提高铸件的优质性[3]。

4 结束语

以CAE技术为基础的铝合金汽车支架压铸件工艺，在设计过程中要根据分析结果改进具体方案，从而使产品开发和设计周期得到缩短，使生产成本得到降低，提高产品质量及性能。本文对CAE技术研究和数值模拟进行全面分析，模拟了有水冷和没有水冷的方案，对铸件中不同部位节点的温度场进行了全面研究，对铸件中的缺陷进行了深入分析。通过本文的分析结果可以看出来，在没有设置水冷方案中，铝合金的汽车支架在压铸过程中的凝固顺序错乱，导致铸件成型过程出现铸造缺陷。在有水冷方案中，节点冷却速度得到了提高，并且凝固顺序良好，铸造缺陷有所降低。