中間軸異響分析及改進

姜姍姍，蘇大軍，楊靖，岳法

（北京汽車股份有限公司，北京 101300）

引言

隨著汽車性能的不斷提高，電動助力轉向系統（EPS）已經逐步得到普及。常見的助力形式有管柱助力式C-EPS 、小齒輪軸助力式P-EPS、齒條助力式R-EPS，其中管柱助力式C-EPS綜合成本較低[1]，市場占有率較高。

汽車轉向異響尤其是EPS異響是轉向系統最常見的故障模式[2]，約占所有故障的 90%，容易引起駕駛員感觀不舒服和緊張，極端情況下會影響整車可靠性與安全性。由于C-EPS布置在駕駛室內，距駕駛員較近，對NVH性能的要求更高。

轉向中間軸是轉向管柱與轉向器中間的連接部件，主要作用是將轉向管柱的轉動力矩傳遞給轉向器，從而實現轉向；同時在碰撞事故中通過潰縮或滑動可以吸收能量，減少人身傷害，是轉向系統中重要的一個零部件[3]。對于 C-EPS，其中間軸傳遞的轉動力矩既包括駕駛員的手力也包括電機提供的助力，受力較大[4]，由于設計不良或磨損，很容易在轉動過程中產生異響。C-EPS電動助力轉向系統示意圖見圖1。

圖1 C-EPS電動助力轉向系統示意圖

轉向中間軸一般由萬向節叉、十字軸、內外管滑動副組成，中間軸示意圖見圖2。

圖2 中間軸總成示意圖

1 問題描述

某車型車輛行駛里程40000km～90000km之間，出現顛簸路異響（車速 10km/h～20km/h），經排查，鎖定異響源為中間軸。

2 問題原因分析

異響是指顧客識別到的不正常噪音的統稱。根據產生機理主要分為三類，分別是Buzz、squeak以及rattle，簡稱BSR。顛簸路異響屬于rattle異響。

Rattle異響是由于沖擊引起的噪聲。主要指臨近或相互接觸的零部件在動態載荷的作用下，相互敲擊產生的噪聲。主要由尺寸配合不當，間隙大，緩沖不夠等產生。

2.1 潛在原因分析

根據Rattle異響的產生機理，對中間軸異響產生原因進行分析。中間軸有滑動副、十字軸等結構部件，零部件結構間隙不可避免，但中間軸間隙過大很容易引起轉向異響。中間軸間隙主要包括內外管間隙和萬向節間隙。中間軸 Rattle異響可由此兩項間隙過大引起。

2.2 排查過程

對所有問題中間軸進行了萬向節間隙和內外管間隙測量，結果表明異響是由萬向節耐久后間隙超差引起。

2.3 確定真因

確定萬向節耐久后間隙超差為中間軸異響的直接原因，并對該直接原因做了進一步分析，如圖3所示：

圖3 萬向節耐久后間隙超差原因分析

（1）對萬向節進行拆解檢測，具體檢測內容如圖4所示：

圖4 萬向節拆解檢測

通過以上檢測，得出如下結論：

1）排除了十字軸軸蓋外徑耐久后超差，鎖定節叉耳環孔徑耐久后超差帶來的耳環孔與軸蓋間隙大，節叉耳環孔孔徑超差的具體數據如表1所示。

2）另外，也排除了軸桿與軸蓋徑向間隙大這一潛在原因。

3）排查十字軸的結構發現，軸蓋內有尼龍緩沖塊，隨著產品的使用老化，會發生磨損變形等問題，產品容易產生軸向間隙而產生異響。故軸桿與軸蓋軸向間隙大也為可疑原因。

綜上，鎖定節叉耳環孔徑耐久后超差為該中間軸異響的原因。軸桿與軸蓋軸向間隙大也為可疑原因。

（2）節叉耳環孔徑耐久后超差的潛在原因主要包括兩方面：節叉硬度低和節叉所受壓力大。 接下來將從這兩個方面制定措施并進行驗證。

3 第一階段優化措施及驗證

通過對節叉耳環孔變形原因的深入分析，從以下兩個方面制定措施并驗證：

3.1 優化措施

（1）提升節叉硬度

提升節叉硬度，可降低拉伸后節叉耳環孔變形量。通過更改節叉加工工藝中的調質等級，達到提高節叉硬度的目的。硬度由（170～210）HB提升到（210～250）HB。

（2）降低節叉所受壓力

節叉耳壁壁厚示意圖如圖5所示，其中a為壁厚值。對壁厚更改前后節叉應力進行CAE分析，分析結果如圖6所示：

圖5 節叉耳壁壁厚示意圖

圖6 壁厚更改前后節叉應力進行CAE分析圖

增加節叉耳壁的壁厚（單邊增加 0.5mm），使耳環孔與十字軸蓋的接觸面積增大。在行駛中車輛承受大扭矩的情況下，節叉所受應力下降 6%，降低了節叉耳環孔承載強度，減少其拉伸變形量。

3.2 措施驗證

對以上兩種改善措施的效果進行臺架耐久試驗，對中間軸總成施加整車設計需求的最大輸出扭矩，回轉角±180°，加載頻率為1 Hz。經50萬次循環后，十字軸間隙＜5′為合格。

臺架耐久試驗結果如表1所示：

表1 臺架耐久試驗結果

根據臺架疲勞耐久試驗結果，第一階段優化措施實施后，節叉耐久后間隙值明顯減小，但仍超過 5′的目標值。如 2.3中所述，軸桿與軸蓋軸向間隙大也為可疑原因。故針對該可疑原因制定第二階段的優化措施并進行驗證。

4 第二階段優化措施及驗證

4.1 優化措施

第二階段的優化方案主要圍繞耐久后軸桿與軸蓋軸向間隙大的研究。該車型應用的軸蓋如圖7a所示，軸蓋內有尼龍緩沖塊，隨著產品的使用老化，會發生磨損變形等問題，產品容易產生軸向間隙而產生異響。

為防止尼龍緩沖塊老化帶來的異響問題，采用新軸蓋結構。新結構內由網狀凸點代替尼龍緩沖塊，網狀凸點結構與軸桿為剛性接觸，不易磨損和變形。具體結構對比見圖7：

圖7 新舊軸蓋緩沖結構對比圖

4.2 措施驗證

表2 方案臺架疲勞耐久試驗數據對比

將第二階段優化方案與第一階段優化方案進行疊加并進行臺架疲勞耐久試驗和整車裝車評價，試驗結果如表 2。為進行效果對比，引入了改進前、單獨第一階段優化方案及單獨第二階段優化方案的臺架試驗數據進行對比，詳見表2。

臺架試驗后，將完成臺架耐久試驗的四組樣件進行整車裝車顛簸路面評價（車速 10km/h～20km/h），評價結果見表3。

表3 臺架耐久件進行整車裝車評價結果對比

試驗結果表明，單獨第一階段優化或者單獨第二階段優化均有提升但仍無法達到耐久后萬向節間隙＜5′的目標。將二者疊加后效果明顯，可達到目標要求。之后擴大樣本量進行臺架驗證，進一步證實了這一結論。

該方案已搭載整車耐久驗證，耐久后無中間軸異響。

5 結論

通過提升節叉硬度，增加節叉耳壁的壁厚，優化軸蓋軸向緩沖結構（由尼龍緩沖墊優化為金屬網格結構），中間軸耐久后萬向節間隙減?。ǎ?′），消除了該車型耐久后中間軸顛簸路異響。