电动助力转向管柱异响问题分析

胡羽生、杨炎贵

（广汽埃安新能源汽车股份有限公司，广州 511400）

0 引言

随着新能源汽车行业的快速发展，汽车关键零部件如转向系统、制动系统的电动化也得到快速发展。电动助力转向系统（EPS）因具有油耗更低、车辆动态控制性能更好、结构简单以及占用空间位置小等诸多优势，使其发展迅速，逐渐取代液压助力转向系统，在乘用车尤其是新能源汽车领域应用广泛[1]。由于电动助力转向管柱内部结构相对复杂，零部件繁多，当车辆在坏路行驶时，其内部零部件之间的配合不良容易导致异响的发生[2]。纯电动汽车由于没有发动机噪音，其转向管柱的异响更容易被用户察觉并引发用户抱怨[3]。所以对纯电动汽车的电动助力转向管柱异响问题的研究是十分必要的。

本文基于某纯电动SUV 车型在经过颠簸坏路时出现的异响问题，从其设计、生产制造等方面展开调查，锁定异响原因并对其生产制造过程进行优化，最终解决该异响问题。

1 转向系统异响问题描述

某纯电动SUV 车型在试制阶段，整车经过颠簸坏路时发生批量转向系统rattle 异响问题。主要现象为以25-30 km/h 速度经过卵石路和一般坏路、15 ～20 km/h 的速度经过绳索路以及凹凸路时（图1），转向系统有明显rattle 异响，并且方向盘能感受到明显的振动感。针对转向系统异响课题，经过主观评价及对转向系统的ABA 互换验证，锁定异响源为管柱本体，排除装配及转向系统中其他零件单品（方向机和中间轴）的影响。

图1 转向系统异响测试路段，从左到右依次是卵石路、绳索路和凹凸路

2 原因分析

通过主观驾驶评价，初步锁定异响源为转向管柱减速机构附近。电动助力转向管柱减速模块主要包含蜗轮、蜗杆、蜗轮箱、间隙调节座、蜗杆轴承和电机总成等零部件[4]。基于过往经验分析，转向管柱rattle 异响一般与管柱内部零件配合间隙大有关。该型号管柱减速机构的间隙配合副主要包含电机花键和蜗杆花键配合副、蜗杆轴承和蜗轮箱配合副、蜗杆和蜗轮配合副以及蜗杆和间隙调节座配合副（图2）。如果这些配合副间隙过大，车辆在经过颠簸路面时，从底盘传递过来的激励会通过机械转向器-转向中间轴传递到转向管柱，这种外部激励过大则会导致配合副两个零件之间发生撞击，从而产生异响，引发客户抱怨。

图2 转向管柱减速机构及内部配合副

为进一步锁定异响源头，利用异响噪声测试设备对转向管柱的几个配合副进行布点，采集可疑异响源位置的振动波形，实际布点位置如图3 所示。整车按前述条件的速度分别驾驶经过卵石路、一般坏路、绳索路及凹凸路，采集车辆行驶过程中布点位置的振动加速度数据,结果如图4 所示。通过对比振动波形，确认振动加速度最大的位置为蜗轮箱，并且蜗轮蜗杆啮合的方向振动加速度最大，达到54 m/s2。故初步判断rattle 异响来源于蜗轮-蜗杆配合副，并极有可能是蜗轮蜗杆撞击异响。

图3 传感器布点示意图

图4 转向管柱可疑异响源布点测试振动图

锁定管柱异响源为蜗轮-蜗杆配合副后，为进一步调查问题原因，取2 台异响件与非异响件进行对比分析。参照过往类似问题的解析流程，第一步先复测不良件空载力矩，同时对比非异响不良件空载复测结果，发现不良件空载力矩相比出厂状态差异较大（表1），而非异响件复测空载力矩相对于其出厂空载力矩差异相对较小。从实际测量数据对比分析，异响不良件复测空载力矩下降较大，异响件空载降低程度达到非异响件的2 倍以上，初步判断异响件的空载大幅下降为异常现象，空载力矩的异常下降与本次异响问题直接关联。

表1 异响件及非异响件出厂空载和复测空载结果

结合过往经验归纳分析，转向管柱总成空载力矩的异常降低一般与蜗轮及蜗杆等子零件关联较大[5]。故进一步拆解出管柱总成的蜗轮及蜗杆单品，复测蜗轮中心距及蜗杆三针距，并对比异响件与非异响件的蜗轮、蜗杆出厂测量数据。对比结果如表2所示，对比异响件与非异响件尺寸测量结果，发现异响件的蜗轮中心距相比其出厂状态有明显差异。2 个异响件蜗轮中心距复测分别减小约0.1600 mm、0.1200 mm，而非异响件蜗轮中心距复测减小的值小于0.0400 mm。但是异响件与非异响件蜗杆三针距的出厂数据相对其复测数据相差不大，因此锁定转向管柱空载力矩下降过大的原因为蜗轮中心距减小过大。蜗轮中心距减小过大会使得蜗轮-蜗杆配合副间隙变大，蜗轮-蜗杆配合副间隙变大则会导致转向管柱在受到外部振动激励后产生蜗轮蜗杆碰撞异响。

表2 异响件及非异响件蜗轮-蜗杆出厂及复测数据

该型号转向管柱蜗轮盘原材料为PA66+25% GF，其表面硬度较高，耐磨性较好。从设计上分析，不应出现零公里磨损达到异响件状态的问题。调查同期使用相同型号蜗轮毛坯但不同产线加工供应其他主机厂的产品，确认未反馈类似异响问题。同步对比其出厂及复测数据，与非异响件装车前后的差异基本一致，判断该型号转向管柱蜗轮盘加工线存在异常。

为进一步调查异响件蜗轮中心距装车后异常减小的问题，取蜗轮毛坯，将毛坯的齿面喷上红漆，在蜗轮加工生产线上重复其齿面磨削加工-蜗轮中心距测量生产制造过程，发现加工出来的蜗轮样件齿面磨削的配合面偏离其设计位置（中心位置）。如图5所示，无红漆位置即为实际磨削加工后的齿面，可以发现，其左侧磨削齿面至蜗轮端面距离与右面磨削齿面至蜗轮端面距离不一致，即实际磨削加工位置偏离设计位置(设计要求左侧磨削齿面至蜗轮端面距离与右侧磨削齿面至蜗轮端面距离一致)。

图5 蜗轮左右齿面磨削加工情况

由于蜗轮齿面实际磨削加工位置偏离设计位置，导致装配成管柱总成后蜗轮蜗杆啮合状态不佳，此时转向管柱空载力矩不真实。在管柱总成装车磨合一段时间后，其蜗轮啮合面的磨损远大于正常啮合状态下的蜗轮，故在装车磨合后再次复测蜗轮中心距降低较大。蜗轮齿面的异常磨损使得蜗轮蜗杆配合副的间隙增大，最终在整车上表现即为管柱空载力矩大幅降低及颠簸路rattle 异响。

蜗轮装车磨合后磨损过大的原因是其磨削加工面与实际配合面不一致，蜗轮蜗杆啮合状态不对。针对蜗轮磨削加工位置偏离问题调查锁定原因为磨削加工工装未按要求进行定期校验，实际生产时工装已偏离设计位置，导致蜗轮齿面磨削加工时磨削后的啮合面偏离设计位置，最终导致装车后异响问题的发生。

3 优化方案制定及效果验证

针对问题原因，调整磨削加工工装，使磨削工装符合要求。为验证磨削工装改善后的效果，取1 件蜗轮毛坯，在蜗轮毛坯齿面均匀喷涂红漆。之后按正常流程加工蜗轮毛坯，加工完成后观察确认蜗轮左右侧磨削位置与设计位置一致。

按改善磨削加工工装后的状态生产3 个蜗轮盘，并正常生产组装为3 条转向管柱总成。3 条管柱的出厂空载力矩、蜗轮中心距及蜗杆三针距如表3 所示。

表3 改善后转向管柱验证件出厂空载力矩及蜗轮蜗杆数据

将3 条装配并测试后的管柱装配至整车上，按相应的车速驾驶经过卵石路、一般坏路、绳索路及凹凸路，主观评价转向管柱噪音在可接受范围内，转向管柱颠簸路异响问题得到解决。之后，再以相同的驾驶条件对车辆进行客观评价，使用异响探测设备按图4 方式进行传感器布点，采集车辆按相应车速经过上述路段时的管柱布点位置的振动加速度数据，结果如图6 所示。对比图6与图4 可知，改善后蜗轮蜗杆啮合方向最大振动加速度为13.8 m/s2，振动加速度最大为15.9 m/s2，方向为蜗杆轴向方向，远小于异响件最大振动加速度54.0 m/s2。通过主观及客观评价，确认改善蜗轮磨削加工工装后，转向管柱颠簸路异响问题得到明显，不会再引起客户抱怨。

图6 蜗轮磨损工装改善后转向管柱噪声测试数据

为进一步确认对策有效性，将装车验证后的三条转向管柱复测空载力矩后拆解并复测其蜗轮中心距及蜗杆三针距，并对比其相对应的出厂数据，其结果如表4 所示。分析测量数据可发现改善磨削工装后，转向管柱改善件装车前后空载力矩及蜗轮中心距未出现类似异响件大幅减小的问题，从侧面也印证改善对策有效。

表4 转向管柱改善验证件空载力矩、蜗轮中心距和蜗杆三针距出厂及复测数据

4 结束语

蜗轮蜗杆的啮合状态对转向系统的异响有较大影响，合理的啮合状态不仅可减少转向异响，还可延长转向管柱的使用寿命。本文通过异响探测设备锁定异响源为蜗轮蜗杆配合副，经过对比分析锁定异响原因为蜗轮齿面磨削加工异常。改善蜗轮磨削加工工序后，通过整车搭载主观及客观评价后，确认改善对策有效，异响问题得到解决。