电动助力管柱颠簸路异响控制及预防

岳法　姜姗姗　刘春梅

摘 要：本文主要对管柱式电动助力转向系统颠簸路异响的主要潜在原因和控制因素进行了研究，对排查和预防的方法进行了总结。

关键词：C-EPS 颠簸路 异响 预防

1 引言

随着消费者对乘用车舒适性要求的提高，各大汽车厂商对车辆的NVH要求日益提升，尤其是新能源车辆取消了发动机，驾驶舱内背景噪音进一步降低，消费者对振动和噪音更容易识别。有资料表明，汽车的振动和噪声问题占据了整车故障问题的1/3，与此同时各大汽车公司在解决汽车振动和噪声问题上的花费占了总开发费用的20%[1]。

目前电动助力转向系统在乘用车上已经基本普及，因其内部的零部件数量多，结构复杂，在颠簸路面行驶时易发生异响。管柱式电动助力转向系统（以下简称C-EPS），其助力电机和减速机构在驾驶室内，距离驾驶员较近，在发生异响时更容易被驾驶员发觉，因此需要对C-EPS异响实施更加严格的控制。

有文献表面，EPS有十余种异响模式（见表1），异响潜在的原因也非常复杂。作者在C-EPS整车项目开发过程中，也遇到了各类异响问题，本文仅基于C-EPS颠簸路异响做简单研究，更希望能通过预防的方法，减少该类异响。

2 颠簸路异响

车辆通过鹅卵石、坑洼路等颠簸路面行驶时，路面冲击通过轮胎、悬架、转向器、转向管柱传递至方向盘，在传递的过程中，由于转向器齿条与衬套之间、转向管柱蜗轮蜗杆、中间轴万向节等部位存在间隙，若间隙过大，来自地面的冲击将导致配合部位之间发生碰撞，产生“哒哒”异响。业内统称为颠簸路异响（rattle），该类异响与车速关联较大，一般在15～20km/h多发。典型路面如图1所示。

该类问题多为系统性问题，原因复杂，一般包括：蜗轮蜗杆间隙、中间轴扭转间隙（芯轴弹片间隙、中间轴花键配合间隙、万向节叉间隙的总和）、十字轴间隙、转向器输入轴和齿条间隙、调整体与齿条间隙、齿条支撑座等。本文仅论述蜗轮蜗杆部分内容。

路面冲击传递到蜗轮蜗杆处，蜗轮蜗杆的冲击产生rattle异响。为改善异响，需要控制蜗轮蜗杆的间隙。业内有两种方法。

2.1 （蜗轮蜗杆）定中心距产品

定中心距产品，因无法自动调整蜗轮蜗杆进行，应从以下几方面加强控制：

①采用蜗轮蜗杆及壳体分组选配

②并将间隙控制在3′以内，可有效消除零公里异响，其他整车厂的研究也验证了该结论（见表2）。

③选用耐磨性更好的蜗轮蜗杆材料，表3对目前各供应商蜗轮蜗杆材料做了对比，PA66+GF应用趋势逐步增加。使用加玻纤的蜗轮，同时需提高蜗杆的硬度。

④选用润滑性能更好的润滑油，控制加注量。

值得注意的是，并不是间隙控制的越小就越好，过小的间隙可能会引起其他转向问题，如转向沉重、回正性差等。因此，需要在不影响转向性能的前提下，尽量控制减小间隙。

上述方案较好控制短里程rattle异响，但随着里程增加，蜗轮蜗杆磨损加大，异响会逐步增大，无法根除。

2.2 （蜗轮蜗杆）变中心距产品

为根除rattle异响，目前（蜗轮蜗杆）间隙补偿结构得到了普及。目前各主要EPS供应商均已完成间隙补偿机构开发，因涉及知识产权，其结构各不相同，但设计理念基本一致，即通过弹性元件，将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。图2展示了各供应商间隙调整机构原理。

在进行间隙调整结构设计时，尤其要注意弹性元件与蜗杆间的角度，当蜗杆在顺时针或逆时针方向上施加一定扭矩时，蜗杆尾端轴承处的合力方向应远离蜗轮方向，且顺、逆时针时受力差异尽量小，否则这个力会导致蜗轮蜗杆加速磨损，且左右磨损不一致。

3 排查和验收

rattle潜在原因较多，单靠技术人员耳朵很难准确识别到声源，建议排查时借助NVH设备，对各可疑位置进行布点（图3），采集NVH数据并进行处理。如图4所示，可以准确识别到管柱壳体出有异常震动，锁定故障源。对问题进行针对性分析，从而给出解决方案。

目前rattle业内没有统一的验收标准，多由各企业质量人员进行主观评价，表4展示了某整车厂主观评价标准。

对异响的程度，不能定量给出要求，只能进行简单描述，如：石条路、绳索路和搓板路允许有零星异响（不能特别明显）;鹅卵石路允许少许连续声响等等。

为准确识别出异响，或者给出客观判定标准，建议采集典型道路路谱，结合实验室台架，真正建立异响-台架数据关系图。

4 结语

转向异响是个系统性的问题，涉及到的潜在因素非常多（结构、材料、尺寸、工艺、生产、验证等），对问题分析和验证的能力要求也较高，且缺乏统一的验收标准，往往在整车下线后，在道路试验时才能确认是否有该问题发生，改进周期受限，极大的困扰了研发人员。

对该问题管控，应通过理论分析和试验相结合的思路，对异响原因进行深入分析，对异响问题提前预防。建议主要通过以下方法进行预防：

（1）建立完整的案例库，对所有已发生问题进行系统梳理。在设计方案评审阶段，重点评审确认有无风险。

（2）加强行业交流，对潜在或尚未遇到的问题，进行深入分析，并完善进DFMEA中。

（3）在整車开发的各阶段，对各类异响进行逐项确认，尽可能提前发现问题。

（4）采集试验场各类道路路谱，转化为台架验证数据。建立异响-台架数据关系图。

参考文献：

[1]Nefske D J. Vehicle interior Acoustic Design Using Finite Element Methods[J]. Int.J.of Vehicle Design，2007，（2）：97-103.

[2]高家兵等.C-EPS转向系统异响问题改进研究[J].汽车仿真与测试，2018.6.

[3]尹爱霞.C-EPS转向管柱在颠簸路面异响的因素分析[J].农业装备与车辆工程.2017.1.