机械转向器间隙对转向系统异响的影响分析

机械转向器间隙对转向系统异响的影响分析作者：钱雄松高家兵安宗权

来源：《中国新技术新产品》2015年第20期

摘要：本文通过对机械转向器中的主要零部件：齿轮轴、轴承、齿条、齿条支撑座、齿条支撑衬套的参数设计、加工工艺、装配方法等方面的分析，总结了各零部件配合间隙对转向异响的影响。

关键词：齿轮轴总成；齿条；机械转向器；间隙；异响

中图分类号：U472 文献标识码：A

1 前言

汽车转向系统用来保持或改变汽车行驶方向的机构，包括转向操纵机构（方向盘、转向管柱、中间轴总成）、转向器、转向传动机构（转向拉杆，转向节）等。一般对转向系统的要求应能准确、快速、平稳地响应驾驶员的转向指令，但随着时代的发展以及汽车的普遍，人们越发注重对汽车舒适性的追求。而异响是汽车转向系统的一种常见故障现象，也是影响汽车舒适性的关键因素。本文主要针对因机械转向器总成的配合间隙所引起的异响问题进行论述。对于齿轮齿条式机械转向器，各零部件的设计参数定义、加工精度控制以及装配方法合理性使机械转向器各零部件间存在配合间隙，这也是引起异响故障的主要原因。

①机械转向器配合间隙主要分为三大部分：

齿轮轴、轴承、轴承挡圈配合产生的间隙；

②齿轮、齿条啮合产生的间隙；

③齿条与支撑衬套的配合产生的间隙。

下面针对三部分配合对异响的影响进行详细分析。

2 齿轮轴、轴承、轴承挡圈配合间隙对转向异响的影响

异响故障现象：①向左打方向到极限后再向右回或向右打方向再向左回时，出现清脆的“铛”的一声，类似于金属与金属的撞击声；②非极限位置、全行程过程中，方向盘只要有换向动作就会出现清脆的金属与金属的刮擦声；③全行程过程中，方向盘只要有换向动作，就会出现清脆的金属与金属的撞击声。

原因分析：机械转向器轴承内圈与齿轮轴通过挡圈固定，轴承外圈通过压紧螺塞固定如图2所示。当转动方向盘向左或向右运动时齿轮轴会受到向上或向下的分力作用，如果因轴承压装不到位使轴承内圈端面与齿轮轴端面之间存在间隙或因挡圈扣铆工艺不良，使轴承内圈端面与挡圈端面之间存在间隙，就会出现上述①②所述异响情况。而①②异响表现之所以有差异，是由于轴承内圈与齿轮轴配合精度不同所致：如果齿轮轴与轴承内圈属于过赢配合，齿轮轴若要相对于轴承内圈向上或向下运动需要克服较大的摩擦力，只有在极限位置时齿轮轴所受到的反作用力才会达到最大值，以至于可以克服齿轮轴与轴承内圈之间较大的摩擦而窜动，因此才会表现为仅在极限位置出现清脆异响的故障现象；如果齿轮轴与轴承内圈的配合属过渡或间隙配合，那么当轴承内圈端面与齿轮轴端面或轴承内圈端面与挡圈端面存在间隙时，齿轮轴相对于轴承内圈向上或向下运动只需要克服较小的摩擦力就会窜动，因此表现为全行程换向过程中出现异响。而当壳体与压紧螺塞的配合不能使轴承外圈固定时就会出现上述③所述的异响情况，此时轴承与齿轮轴同时上下窜动，轴承外圈端面会与壳体端面或压紧螺塞端面上下碰撞，产生较明显的清脆异响。

建议整改措施：针对①②所述异响情况，既要确保轴承与齿轮轴压装到位，又要改善轴承挡圈的扣铆工艺，确保轴承挡圈扣铆后，轴承内圈不能上下窜动。针对③所述异响情况，首先需确保压紧螺塞、轴承、壳体的装配尺寸链校核后可以使轴承外圈被压紧，其次各零件加工后实际尺寸应符合图纸设计要求。因此只有轴承内圈端面与齿轮轴端面及挡圈端面间为零间隙配合、压紧螺塞端面与轴承外圈端面为零间隙配合时，才能彻底消除该处间隙，避免异响产生。

3 齿轮、齿条啮合间隙对转向异响的影响

异响故障现象：原地向左或向右大角度打方向、换向时异响，一般表现为较沉闷、声音较大的“悾悾”声或向一侧打方向后放手回弹“咚”的一声，同时在凹凸路、鹅卵石路等颠簸路面也会产生振响。

原因分析：机械转向器总成内部齿轮齿条的紧密贴合是靠压块、弹簧及调整螺塞组合所提供的压紧力实现的。当齿条受外力作用时会脱离齿轮轴，而此时齿条与齿轮轴形成的最远距离即是齿轮齿条的啮合间隙，这个间隙值也就是压块与调整螺塞的端面距离值如图3所示。齿轮齿条啮合间隙越大，代表齿条脱离齿轮的距离越远，因此大角度打方向换向时齿条回弹后产生的撞击声会越大。在在凹凸路、鹅卵石路等颠簸路面上，因齿条所受的反作用力方向不断变化，因此异响听起来也比较连续。

建议整改措施：解决该异响问题主要方向是减小转向机的齿轮齿条啮合间隙。但齿轮齿条啮合间隙减小会使转向机轴向力增加，轴向力的增加又会引起转向沉重及转向回正慢等系统问题。因此转向器轴向力和间隙要求要同时提高才是解决问题的根本。机械转向器可以解决齿轮齿条啮合间隙与轴向力之间矛盾的方法也有很多：比如更改压紧块的材料，在压紧力不变的情况下减小压块与齿条间的摩擦系数；提高齿轮齿条的精度，齿轮齿条加工后齿精度最低要满足8级精度要求；控制齿条各齿之间跨棒距的变差值，跨棒距变差值定义应小于0.03mm（推

荐），同时齿轮轴齿的跨棒距也应做适当控制。总之设计之初就要考虑如何在保证机械转向器轴向力满足要求前提下尽可能将齿轮齿条的啮合间隙做到最小才能降低转向换向异响出现的风险。

4 齿条与支撑衬套的配合间隙对转向异响的影响

异响故障现象：①原地向左或向右打方向、换向时异响，一般表现为较沉闷、声音较大的“悾悾”声或向一侧打方向后放手回弹“咚”的一声；②向左或向右任何位置打方向时，出现非金属的摩擦异响。

原因分析：机械转向器右侧齿条通过衬套支撑如图4所示。当驾驶员向左或向右打方向时，齿条两端会受到来自拉杆不同方向的径向力作用，齿条因而产生摆动。当换向时齿条受力方向改变，摆动方向也会随之改变，当齿条从一个方向摆动到另一个方向时，摆动距离较大，若齿条支撑衬套内径与齿条配合间隙越大，齿条摆动的距离也就会越大，因此上述①的换向时的异响现象就会越明显。而当齿条与支撑衬套配合较紧、油脂选择不合理时就会出现上述②摩擦异响现象。

建议整改措施：理想状态，齿条与支撑衬套应为零间隙配合才更有利于解决换向异响的问题，但零间隙配合容易使转向器轴向力增加而不满足系统要求，且容易出现衬套与齿条之间的摩擦异响，若既能满足轴向力要求又能保证零间隙配合，需要通过设计较好的衬套结构来实现，例如图5所示衬套结构。这种衬套与齿条装配后，通过O形圈的抱紧力既可以保证零间隙配合，又可以在衬套磨损后提供间隙补偿，进一步消除衬套内径与齿条的间隙，其具有较高的耐磨持久性。此外因这种结构有较大的存脂空间，润滑效果较好，所以不会造成衬套与齿条之间摩擦异响及系统轴向力大的问题。但通常这类衬套因结构比较复杂，其模具和材料等制造成本会比较高。如果齿轮轴、齿条加工等零件精度控制较好，齿轮齿条啮合间隙可以控制到较小值，那么齿条与支撑衬套配合间隙的定义也可以适当放宽要求、允许有一定的间隙存在，此时也可以选择类似图6的衬套结构。这种衬套结构虽然间隙一旦磨损后无法补偿，长时间后不能再实现衬套与齿条的零间隙配合，但只要适当提高材料的耐磨性及适当控制衬套与齿条之间的配合间隙，在齿轮齿条啮合间隙控制较小的情况下，也会使换向异响问题得到较大改善。此类衬套与齿条的初始配合需定义衬套受齿条径向压缩力后的变形量，该值单方向不应超过

0.06mm，前后两个方向径向受力后，衬套变形量之和不应超过0.12mm为宜（推荐值）。

结论

以上仅是针对因机械转向器总成各主要零部件间的配合间隙所引起的典型转向异响问题进行论述，当然转向异响的存在不仅来源于机械转向器本身，而是属于系统问题，是与转向有关的各部件的间隙配合问题。只有从方向盘、转向管柱、中间轴、转向器、到转向横拉杆、转向节等与转向有关各零部件及各零部件的连接部位都要做好相应的控制，才能彻底有效的解决转向异响问题。