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汽车助力转向系统异响问题探讨陈双红

发表时间：2020/8/20 来源：《基层建设》2020年第12期作者：陈双红

[导读] 摘要：转向系统是车辆不可或缺的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到车辆的操作稳定性。

        安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心安徽合肥 230601
        摘要：转向系统是车辆不可或缺的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到车辆的操作稳定性。在日常的行驶过程中，汽车的助力转向系统会出现异响，需要及时进行处理，对汽车助力转向系统出现异响的常见问题进行分析，详细探究了出现异响的原因，最后建立了汽车电控系统的仿真模型，为后期研发搭建了良好的基础平台。
        关键词：控制；转向系统；方案
        汽车助力转向系统是底盘的重要组成部分，目前，液压助力转向、电动助力转向和电子液压助力转向系统已经代替了传统的机械助力转向系统。在汽车日常运行中，如果驾驶人采用不良的驾驶习惯，容易导致车辆的转向系统发生异变，这就需要对助力转向系统进行定期保养，以消除助力转向系统的异响问题，延长汽车的使用寿命。1汽车转向系统结构汽车转向系统主要经历了机械式转向系统、液压助力转向系统、电控液压动力转向系统、电动助力转向系统几个阶段。车辆转向系统的智能化、人性化发展，给驾驶员操纵汽车的灵活性带来了极大的便捷。
        一、机械式转向系统
        汽车机械式转向系统，是指不借助外在动力，依靠驾驶人员操作的一种装置，其主要结构包括方向盘、转向轴、十字万向节、中间轴、转向器等，在汽车转向时，驾驶员转动方向盘，通过转向轴将力矩传递到转向器，经转向器降速增矩后，通过转向摇臂与转向直拉杆传递到转向节臂上，使左转向节以及与其固定的左转向轮绕主销进行偏转运动。同时，左转向节及装于其上的左转向轮发生偏转会将运动通过左转向梯形臂、转向横拉杆以及右转向梯形臂的传递到右转向节，使得右转向节以及与其固定的右转向轮产生相同的偏转运动，从而实现车辆的转向功能。作为完全依靠人力的机械式转向系统，在车辆行驶过程中，人力和机械双重动作的配合，为保证汽车灵活和稳定的形式起到关键作用。
        二、汽车转向系统结构
        1.液压助力转向系统
        液压助力转向系统采用液压作为动力，实际操作中转向动作依旧是通过驾驶员来控制完成，但作用于转向机构上的动力能源由完全依靠人力改为由动力装置提供，一定程度上降低了驾驶员的劳动强度。液压助力转向系统机构如图3所示。

        图3　液压助力转向系统结构图
        2.电液助力转向系统
        电液助力转向系统在液压助力转向系统的基础上增加了传感器、转向控制单元等，传感器的运用将车速引入到转向系统，转向控制单元的运用使电液助力转向系统根据不同的行车状态来控制电动机，从而控制电动液压泵的输出来达到控制整个转向系统动作的目的。电液助力转向系统的主要结构如图4所示。

        图4　电液助力转向系统结构图
        电液助力转向系统主要包括电动机、控制器、转角传感器、齿轮泵、储油罐和转向机等，其中储油罐、齿轮泵、电机、转向控制单元集成一体，通过CAN与整车中央控制单元总线交换必要信息数据，转向机结构与液压助力转向机相同，齿轮泵为电液助力转向系统提供液压助力，齿轮泵由小惯量、内转子、三相无刷直流电机驱动，电源来自汽车12V蓄电池。与液压助力转向系统相比，电液助力转向系统具有更好的转向感及更低的能耗。
        三、汽车电动助力转向（EPS）系统发展历程
        汽车在低速转向时，往往需要相当大的转向力，仅凭借传统的纯机械式转向机构转向，既费力又效率低下。考虑到这一问题，后来转向系统中研发出转向助力机构以帮助驾驶员轻松的转动方向盘进行转向。汽车助力转向由开始的液压式助力转向，到后来的电控液压助力转向，再到最终的电动助力转向系统，这是一个漫长的发展过程。电动助力转向（EPS）系统采用电子控制单元（ECU）和高性能电动机，直接依靠电动机在不同的工况环境下提供不同的辅助转矩[1]。EPS最先在日本投入使用，1988年2月，日本铃木公司的Cervo轿车装备了EPS系统，之后EPS系统在铃木公司Alto轿车、三菱公司Minica汽车上也得到应用。其他国家、公司也加快了对EPS系统的研发。从1998年开始，TRW公司将EPS技术成功的应用到了客车领域，其他公司相应开发出适应货车的EPS系统，其关键技术在一步步走向成熟。
        四、电动助力系统转向系统异响处理流程与方法
        1.上转向轴异响
        为实现转向管柱可以进行溃缩，在设计时，可以将上转向传动轴设计成轴向可滑动式，对于上下轴则采用内外花键连接的方式，在转动时可以将传动扭矩轴向位移进行吸收。但是，如果在工作时，将上下轴的内外花键参数设置得不够合理、质量控制不合符要求、转向轴之间的密封措施设置得不合适，就会造成上下转向轴在工作时产生“咯噔”的异响。产生这种异响的排除方法，可以利用台架完成，具体的流程为:①将管柱固定装在台架上，并管柱的输出轴锁死固定。②按照上下轴逐渐变大的转动频率、转向行程以及转向方向盘响动进行检测分析，通过聆听与观察上下轴之间是否存在“咯噔”异响以及响声频率是否发生变化，同时运用手来感受方向盘上的振动情况是否存在异常。如果在测试的过程中，发现存在异响，而且响声与方向盘上的振动频率变大，就可以判断方向盘转向轴的连接处存在间隙，这样就会判断转向系统存在异响。
        2.中间传动轴异响
        中间传动轴的异响判断，需要根据其结构进行判断，中间转动轴主要是由转向管柱的输出轴与齿轮轴构成，它们之间的连接是通过两端节叉的三角花键连接在一起的，然后采用螺栓将中间轴固定在整个转向系统中。所以，三角花键、螺栓和螺纹的参数，将会直接影响着电动转向系统的转向性能与耐久性，而且十字轴与节叉之间的尺寸配合也会影响着转向性能，导致电动转向设备产生异响。中间传动轴产生异响的检测方法为:①将管柱按照整车装备的方式固定在台架上，为了便于比较，需要将一套无异响的转向管柱固定在台架上。②将带有中间转动轴的管柱固定在台架上，以进行后期的检测。③将转向器的齿轮轴按照整车的要求，依据一定的角度与位置焊接在台架上，并将中间转动轴与齿轮轴连接在一起，也就将将中间转动轴按照整车布置的角度与位置进行连接。在具体的测试异响验证时，研究的方法与测试上转向轴的研究方法相似，如果在测试的过程中，发现传动轴存在异响，而且异响响声与方向盘的振动频率相同或者增大，就可以判断在电动转向系统的电动轴转向存在问题。
        3.转向器齿轮齿条间隙产生的异响
        处理齿轮齿条式转向器主要功能通过扭矩转变为转向轴提供推拉力，是将齿轮的转动扭矩转变为齿条的轴向推拉力，齿轮齿条啮合工作时，它们之间的中心距离与实时发生变化，特别是在车辆行驶一段时间之后，支撑弹簧就会出现疲劳或者耐久性发生变化，而产生形变，这种形变会直接影响齿轮齿条之间的间隙，也就会导致汽车的助力系统出现异响。另外，如果转向器的壳体的支撑座安装的内径不符合要求，与支撑座的外径、O型圈的耐久性不同不符合，以及齿条的尺寸之间不一致，会对转向器的基本性能产生重要的影响，这样也会导致助力转向系统出现异响。
        结论
        本文对汽车各种形式转向系统的主要结构和机械转向系统关键技术进行了简单的分析。机械转向系统结构较为简单、工作可靠、成本较低，目前任然有使用，所以，在具体的处理过程中，需要结合异响的实际情况，建立一套切合实际的异响排除处理方法，依据具体的情况来判断是常规转向异响还是主力转向异响，从而能够快速准确的对助力转向系统异响问题进行定位。
        参考文献
        [1]苗立东，何仁.汽车电动助力转向系统的振型分析[J].江苏大学学报(自然科学版)，2018(4).
        [2]桑帅军，董大伟，闫兵.某型电动助力转向系统振动噪声测试分析[J].机械工程与自动化，2017(4).
        [2]汽车转向系的工作原理及故障分析赵永证.[3]中型载货汽车转向系统的分析研究与改进设计刘振成.