基于铆压工艺的转向机螺圈紧固方法研究

郭 良 彭学超

（博世华域转向系统有限公司，上海 201800）

循环球式电助力转向机目前广泛应用于中高端家用车和商用车，主要零部件包括滚珠丝杠、电机、传感器和连接件系统[1]。滚珠丝杠是一种将旋转运动转化为直线运动的零部件，在转向机中具有助力传动的功能。移动力的大小和波动是评判转向机性能的指标之一。滚珠丝杠的转向螺母小总成中螺圈铆压的变形量，不仅会引起转向机移动力的波动变大，而且严重情况下将导致转向异响并发生无助力情况。因此，设计一种可靠的铆压过程和机械结构来评估其形变量稳定性的测量系统至关重要。

常见的滚珠丝杠副按其钢珠循环方式可以分为内循环、插管式外循环和端盖式外循环3 种类型[2]。文章重点研究的是内循环式滚珠丝杠副。高延翔采用赫兹点接触理论建立了螺母组件的力学模型，讨论了滚珠在轴向载荷下的弹性变形[3]。曾石蔷在考虑滚动体精度和滚道误差的情况下提出了滚珠载荷分布模型，并完成了丝杠螺母滚刀参数的自动化检测方案[4]。郑红通过分析滚珠丝杠的支撑结构，给出了机床进给系统中滚珠丝杠副的选用方法[5]。这些学者的立意主要是从滚珠丝杠安装后分析滚珠螺母与滚珠齿条的刚性和弹性变形情况，从而提升滚珠丝杠运行精度。文章研究的内容为滚珠丝杠本身，即转向螺母装配过程中螺圈的铆压工艺过程，通过设计铆压过程和设定铆点位置与深度参数，达到提升转向机稳定性的目的。

本研究采用多次铆压的方式对螺圈进行紧固，满足装配过程中对节拍与成本控制的要求。通过对铆点深度、铆点高度和铆点位置的控制，在螺圈拧紧后多次测量铆点深度，并以测试剩余弹簧行程为测量手段，最终通过以转向机移动力大小和波动为评价指标，得到3 种变量的最优参数。最优铆压方式，即先旋紧进行铆三点，再打开一定角度铆三点，控制铆头形状与气缸位移，使用35 ～40 kN 气缸力，得到剩余弹簧行程稳定且转向机移动力与波动都较小的方式。

1 循环球式电动转向机

1.1 循环球式转向机结构

常见的电助力转向机按结构可以划分为双小齿轮式转向机、循环球式转向机和线控转向机。循环球式转向机结构如图1 所示，由壳体、端盖、阻尼环、滚珠丝杠、电机、皮带、传感器、压块、调整螺母、横拉杆、防尘罩以及球头等零件组成。当驾驶员施加一个力在方向盘上时，转向机输入轴端通过监控输入轴处的扭矩，并提供给电机电信号，电机小带轮旋转带动滚珠丝杠上螺母旋转，使齿条在轴线方向上运动，最终达到助力的效果。相较于双小齿轮式转向机，循环球式转向机具有助力大、噪声低、稳定性高等优点。

图1 循环球式转向机

1.2 转向机内滚珠丝杠机构

内循环式滚珠丝杠作为转向机内部重要的传动机构，实现将旋转运动转化为直线运动的功能。低成本、过程能力稳定的滚珠丝杠自动化装配流程，已成为各转向系统公司研究的重要项目。安装在转向机内部的滚珠丝杠不仅要克服车辆运动过程中的振动，而且要克服自身旋转过程中的振动。可见，转向螺母上的铆压过程至关重要。

如图2 所示，转向丝杠机构由螺圈、球轴承、垫片、波形弹簧、钢珠、导向套、卡簧和丝杠组成。在转向螺母装配过程中，过大的铆压力和铆压深度将直接导致螺圈开裂。当铆压深度不够时，转向机内部将产生噪声，输出的移动力波动严重，手感变差，极端工况下将导致螺圈松脱，整个转向机失效。

图2 转向丝杠机构

新车在发布前都会进行转向机的装车试验，在不同地形、不同地区测试转向机的实际表现。循环球式转向机在装配完成后会进行功能测试。图3 为转向机未助力状态下的移动力表现，可利用齿条行程-移动力曲线来判断转向丝杠装配完成后螺圈的铆压状态。图4 为铆压存在异常状态下的转向机移动力曲线。对比两个曲线发现，异常铆压状态下的转向丝杠移动力波动较大。当波动超过一定范围时，将影响转向机的手感。

图3 移动力波动异常曲线

图4 移动力波动正常曲线

转向螺母的固定方式是通过螺圈铆压在螺母上。设计一种适用于自动化装配线的铆点机构能够极大地提高生产效率。以转向丝杠中常用的M50X1-6H 型螺圈为研究对象，采用多次拧紧铆压的方式，研究铆点深度、铆点高度和铆压力对移动力波动的影响。

2 螺圈冲铆方法研究

2.1 螺圈的装配要求

转向螺母由螺母、带轮、螺圈、波形弹簧、球轴承、滚珠导向器、卡簧、密封圈和钢珠组成。图5 为转向螺母的爆炸图。螺圈在组装完成后需对其进行铆压，紧固球轴承，并使转向丝杠在运动过程产生减振能力。为使组装后的转向机有一个良好的移动力波动表现，要求转向螺母装配后的轴向间隙稳定在0.006 ～0.040 mm。

图5 转向螺母爆炸图

2.2 螺圈的铆压过程

为了提高转向螺母生产效率并兼顾汽车工况下转向螺母的可靠性，采用的铆压机构如图6 所示，包含铆压气缸、铆脚、限位块、定位块和底座工装。铆压机构工作时，为了消除转向螺母在底座工装上的位移误差，定位块会根据球轴承的中心位置将转向螺母调整到和铆压气缸位于同一中心，然后在气缸力的作用下进行螺圈的铆压。此时，限位块的厚度变化可以对气缸前进的行程产生影响，进而影响螺圈的铆压深度。

图6 铆压机构

图7 为螺圈在自动装配流程中的铆压流程。将组装完成的转向螺母小总成放入工装底座，首先旋转螺圈在扭矩达到8 N·m 时反转78°，其次利用铆压气缸档位1 进行铆压，再次旋转螺圈在扭矩达到8 N·m时正转27°，最后利用铆压气缸档位2 进行铆压。

图7 铆压流程图

3 螺圈铆压测试方法

3.1 铆点深度测量方法

铆点深度测量系统由工装底座、位移百分表和标定工装组成，如图8 所示。在测量铆点深度前，利用标定件对位移百分表进行标零处理，然后将待测量零件放入工装底座，调整零件的测量位置确保百分表能够达到测量最深处，记录铆压深度结果。

图8 铆点测量示意图

3.2 剩余弹簧行程测量方法

转向螺母装配后引起了一个必然发生的问题，即球轴承在带轮与螺圈之间存在一定位移量的轴向方向窜动即剩余弹簧行程。剩余弹簧行程可以通过在螺母与球轴承之间施加一个反向的力测量。当固定完转向螺母后，查看压力表以1 000 N 正方向的力施加在球轴承上时测量螺母的位移值并取零点，再以1 000 N负方向的力施加在球轴承上时表显的数值即为剩余弹簧行程，测量系统如图9 所示。

图9 剩余弹簧行程测量系统

4 螺圈铆压试验及结论

试验研究铆点深度、铆点高度和铆压力3 个变量对剩余弹簧行程的影响。将铆压力的公差分为3 组，分别为25 ～30 kN、30 ～35 kN、35 ～40 kN；将铆压深度的公差分为3 组，分别为0.2 ～0.5 mm、0.5 ～0.8 mm、0.8 ～1.2 mm；将铆点高度的公差分为3 组，分别为2.0 ～2.5 mm、3.0 ～3.5 mm、3.5 ～4.0 mm。根据单一变量原则产生了27 种组合，对应参照表如表1 所示。

表1 试验参数表格

根据表1 的参数，采用所提的铆压方法和流程，对每一种变量组合方式测量了8 组剩余弹簧行程变量，结果曲线如图10 所示。当铆压深度低于3.5 mm 时，测量结果中出现剩余弹簧行程高于0.04 mm，会造成螺圈松脱、移动力波动大的情况。当铆点高度大于0.8 mm 时，剩余弹簧行程跳动较大，会导致同批次转向机移动力表现差异大，无法有效控制过程。因此，序号为24 的变量组合方式为三点双次铆压螺圈方式的最优参数值，即铆压力控制在35 ～40 kN，铆压深度为0.50 ～0.85 mm，铆压高度为3.5 ～4.0 mm。

图10 铆压深度与剩余弹簧行程关系折线

5 结语

以循环球式转向机内部转向螺母的铆压过程为研究对象，明确铆压过程中对转向机移动力波动的影响因素，得到了一种自动化装配过程中的铆压方式，并提出了一种测试转向螺母轴向间隙的方法。研究表明，铆压力控制在35 ～40 kN，铆压深度为0.50 ～0.85 mm，铆压高度为3.5 ～4.0 mm，三点双次铆压方式时，能够将轴向间隙的波动和公差控制在一定范围内，并使转向机的移动力波动控制在100 N 以内。