电动助力转向系统蜗轮蜗杆摩擦异响研究

梁阿南 杨子发 李波 张琪 白艳飞

（1.北京汽车研究总院有限公司；2.北京汽车集团越野车有限公司）

1 电动助力转向系统异响概述

管柱式电动助力转向系统（C-EPS），是一种直接依靠电动机提供助力的转向系统。由C-EPS内部集成的零部件结构较复杂，在运行过程中，产生的异响会严重影响汽车的操控舒适性[1]。常见的转向异响有方向盘转动异响、颠簸路面异响、电机堵转异响[2]，其中C-EPS蜗轮蜗杆摩擦异响是比较难以解决的问题，其所涉及的影响因素也很多。文章结合产品开发经验，重点介绍了C-EPS蜗轮蜗杆摩擦异响的解决基本思路和方法，达到解决异响的目的，对整车设计开发有一定的参考意义。

1.1 电动助力转向系统异响分类

按照振动异响产生的形式分为旋转类异响、颠簸类异响和冲击类异响，主要归纳如下：

旋转类异响：旋转类异响产生于连续旋转转向盘过程中，此类异响有电机旋转异响和机械旋转异响，电机旋转异响主要是由于电机工作过程中产生的异响。

颠簸类异响：颠簸类异响产生于整车在颠簸路面行驶过程中，由零件之间配合小间隙发生冲击产生的振动异响。

冲击类异响：冲击类异响产生于当转向盘固定在某个位置，并以此位置作为中点，以一定速度和一定角度返复打方向盘，当转动方向改变的时刻，由于力的方向变化，可以造成不同零件间的碰撞，从而产生的异响[3]。

1.2 转向系统蜗轮蜗杆摩擦异响特点

电动助力转向管柱蜗轮蜗杆摩擦异响应属于旋转类异响，其整车表现分为2种现象：1）方向盘启动瞬间、移车入库时，缓慢转动方向盘，蜗轮蜗杆啮合处会出现嘎嘣异响，这种现象是蜗轮蜗杆摩擦、卡滞产生的异响[4]；2）车辆在各速度段，方向盘来回换向，蜗轮蜗杆啮合处刺耳的叽叽声，尤其在低温下更明显，这种现象是蜗轮蜗杆反复摩擦产生的异响。

1.3 转向系统蜗轮蜗杆摩擦异响产生机理

摩擦异响主要由于蜗轮蜗杆之间接触表面发生粘滑运动，在表面产生不稳定振动，产生传动阻力波动，同时伴随异响。

粘滑现象是由于静摩擦和动摩擦的交替出现而引起的，当静摩擦超过动摩擦，且整个系统中存在着一定程度的弹性时，粘滑现象就会发生。在粘滑阶段，静摩擦力逐渐增至一定值，一旦外力足以克服这个摩擦力，界面就发生滑移。粘滑运动本身是低频的，但引起的声音通常是高频的。

1.4 转向系统蜗轮蜗杆摩擦异响的解决思路

控制蜗轮蜗杆摩擦异响的产生，即控制粘滑运动的产生，结合粘滑运动的产生机理，需从以下几个方面进行管控：

1）控制、优化蜗轮蜗杆尺寸；

2）优化蜗轮材料，降低蜗轮摩擦系统，提高蜗轮的耐磨性、尺寸稳定性；

3）通过试验，选用合适的润滑油；

4）控制蜗轮蜗杆零部件工艺装配，进行模块化分组，保证装配质量。

2 转向系统摩擦异响的改进

2.1 蜗轮蜗杆尺寸控制及优化

在某产品开发时，针对摩擦异响样件进行检查，发现蜗轮边缘及啮合面有磨损痕迹，蜗杆啮合表面有磨痕，可以判断蜗轮蜗杆在运动过程中存在干涉而导致产生异响，如图1所示。

图1 蜗轮蜗杆磨损视图

针对上述问题，对蜗轮进行检测，发现蜗轮尺寸存在较大偏差，蜗轮端面跳动偏差较大，这就会导致蜗轮蜗杆接触不良进而导致接触压力的突变，这种力的突变容易产生增大齿面件的摩擦力进而产生摩擦异响。同时对蜗杆尺寸检测，发现蜗杆齿顶存在锐边，锐边粗糙比较高，这会划伤蜗轮啮合面，从而产生接触面突变，发生异响。为解决此问题，需要对蜗轮蜗杆的关键尺寸进行控制、优化。

2.1.1 蜗轮蜗杆形状公差控制

目前电动转向管柱系统使用的蜗轮外圈多采用注塑加工工艺，产生异响的蜗轮注塑工艺采用了4点注入孔，造成蜗轮的跳动偏差较大，在转动过程出现摩擦异响。针对此问题，将蜗轮注塑工艺更改成的6点注入孔，极大的提高了公差准确度，同时提升了刚度耐久性能，如图2所示。

图2 蜗轮跳动偏差

2.1.2 蜗杆尺寸优化

针对蜗杆齿顶存在锐边的问题，将齿顶进行圆角设计，这样可以确保不会发生机械上的粘滞，同时增加研磨工艺，控制蜗杆的表面粗糙度，减少表面划痕。

2.2 蜗轮材料的选用

蜗轮材料的硬度、吸水率、摩擦磨损、在高低温下尺寸变化、永久变形等特性与蜗轮蜗杆的摩擦异响有很大关系，不同材料的蜗轮的硬度、吸水率各不相同，电动助力转向系统蜗轮对于材料的总体要求有以下3个方面：

1）具有较低的摩擦系数和质量磨损性能；

2）具有不同的湿度和温度条件下的尺寸稳定性；

3）具有较强的耐候性和老化性能。

2.2.1 蜗杆材料主要性能测试

目前电动助力转向系统蜗轮材料主要为尼龙，针对不同的蜗轮材料进行主要性能测试，其影响因素如下：

1）蜗轮材料的硬度和吸水率

蜗轮的硬度决定了蜗轮齿的强度，蜗轮硬度越高，蜗轮齿的强度越高，同时也要匹配适当硬度的蜗杆，这样两者的兼容性更优，更有利于异响的控制。

蜗轮的吸水率决定了蜗轮的尺寸稳定性，吸水率越低，尺寸稳定性越好，更有利于异响的控制。

2）蜗轮材料的耐磨性

蜗轮的摩擦系数决定了蜗轮蜗杆的磨损量，理论上讲，摩擦系统越低，蜗轮蜗杆磨损量越少，两者的间隙变化越小，可以减少摩擦异响。

3）蜗轮材料高低温尺寸变化

蜗轮在低温、高温环境下尺寸会发生变化，低温环境尺寸会减小，导致蜗轮蜗杆间隙增大，产生颠簸路异响或者换向异响。高温环境尺寸增加，导致蜗轮蜗杆间隙减小，手力加大，甚至产生摩擦异响。

4）蜗轮材料永久变形

蜗轮经过低温后，都能恢复到原来的尺寸，但是经过高温后，即使冷却到常温后，蜗轮的尺寸不可能恢复，可能会导致产品卡滞异响。

5）蜗轮材料的强度

蜗轮材料在不同温度下，力学性能也不一样，在高低温下，材料力学性能强度高，强度保持好，蜗轮可承受的力矩就越大，极限工况下，安全性越高。

综合各项性能测试结果，可将各蜗轮材料的性能简单的进行对比，结合供应商蜗轮材料使用情况，PA66、PA66G这2种材料综合性能较好，当然针对不同的产品，还需要对根据产品的使用情况及成本进行选择。

2.2.2 蜗轮材料台架测试

在产品开发时，对于蜗轮材料选择是否合理，也可以借助台架试验进行验证，采用多组蜗轮蜗杆进行磨合测试，根据测试情况进行蜗轮蜗杆材料匹配。

2.3 润滑脂的选用

润滑脂用于机械的摩擦部分，起润滑、密封、填充孔隙及防锈等作用。对于EPS蜗轮蜗杆润滑脂，其主要功能为润滑，影响润滑效果的因素主要有几个方面。

2.3.1 油脂加注量

润滑脂太少，无法均匀覆盖蜗轮蜗杆表面，继而无法形成有效润滑油膜，会造成蜗轮蜗杆啮合面摩擦系数突变，进而产生摩擦异响，如图3所示。根据产品验证情况看，加注的润滑油一般要求大于16 g。

图3 异响件润滑脂图片

2.3.2 油脂的兼容性

润滑脂使用，需要考虑兼容性，比如与机械零件表面的防锈油、机械加工中的润滑油混合后，摩擦系数是否会增加，对于润滑效果会有直接影响。

2.3.3 油脂的牌号影响

润滑油脂材料配方都较复杂，需选用环境适应性较高的材料及配方，能在各个温度范围内、湿度范围内均具有一定良好的流动性，应该充分考虑与蜗轮材料的兼容性。

2.4 蜗轮蜗杆的装配工艺

因加工设备一致性问题，壳体、蜗轮蜗杆的尺寸、精度并不是完全匹配的，这就需要优化壳体、蜗轮、蜗杆的选配流程，控制啮合间隙、空载、波动和异响[5]。

一般配对原则为，同组别壳体，装配同组别蜗轮，并装入对零状态蜗杆。

1）壳体分组标准及操作

壳体的中心距需要100%检测，根据分组原则归入不同的组别。

2）蜗杆分组标准及操作

蜗杆的跨棒距要100%检测，根据分组原则归入不同的组别。

3）蜗轮分组标准及操作

蜗轮的中心距需要100%检测，根据分组原则归入不同的组别。

壳体、蜗轮加工完，通过中心距检测专机全检分组，分别在壳体、蜗轮上标注检测组别，蜗杆统一按照对零尺寸加工，加工完后由作业员全检[6]。作业员将对零蜗杆装入壳体，再将相同组别下转向轴蜗轮总成装入壳体中，这样保证了最大化的减少蜗轮蜗杆的配合间隙，避免摩擦异响的出现。

3 结论

通过以上介绍可以看出，C-EPS蜗轮蜗杆的摩擦异响需要多方面进行控制，其主要原则就是控制蜗轮蜗杆间隙，降低摩擦系数，使其在转动过程中，啮合平稳顺畅。通过研究就未来转向摩擦异响的工作方向作如下建议：1）研究润滑油脂与蜗轮蜗杆材料的匹配性：考虑采用不同材料的蜗轮与钢制蜗杆以及采用不用润滑介质的啮合性能，进一步分析三者之前的搭配使用性能，更深入的优化润滑效果；2）制定多种台架及整车测试内容：按实际样车出现的问题，将制定多种台架验证方案及整车测试内容，使在产品开发初期，能够更充分的验证蜗轮蜗杆及润滑油的搭配性能，保证产品开发的成功性。