王龍飛
新能源汽車的電動轉向技術日趨成熟。相對于傳統HPS (Hydraulic-Electric Power Steering,液壓助力轉向器) 和C-EPS (Column-Electric Power Steering,管柱式電動助力轉向器),目前DP(Dual-Pinion Electric Power Steering,雙小齒輪式電動助力轉向器) 和R-EPS (Rack Parallel-Electric Power Steering,齒條式助力轉向器)已成為電動汽車的主流配置[1]。本文對DP 轉向器幾種典型異響故障進行原因分析,制定改進方案并進行驗證,發現優化措施有效,為DP 轉向器異響問題分析和解決提供經驗借鑒。
DP 轉向器主要由扭矩傳感器、橫拉桿、齒條、電動機、ECU(Electronic Control Unit,電控單元)、蝸輪蝸桿、齒輪軸等組成[2],如圖1 所示。駕駛員轉動轉向盤將力傳遞至管柱、萬向節和輸入軸,扭矩傳感器采集信號并傳輸給ECU控制電動機輸出扭矩,使齒條沿軸向運動發揮轉向助力功能。
圖1 DP轉向器結構
某車型出現了多種DP 轉向器異響故障,包括原地快速換向異響、行駛中轉向異響和過顛簸路異響。故障車輛主要出現在我國西南、西北路況較惡劣的地區,故障里程集中在5 000~30 000 km,運行時間均在6個月以上。
首先在整車上進行ABA 互換測試,確定DP 轉向器為異響源,然后檢查故障件的生產過程、外觀、尺寸、材料、性能和Operation 噪聲(操作噪聲,即汽車行駛或原地向一側轉向時轉向器發出的噪聲),如仍無法識別出異響原因,則搭建臺架進行Clunk噪聲(換向噪聲,即汽車行駛或原地進行快速換向時轉向器發出的噪聲)測試或Rattle 噪聲(振動噪聲,即汽車過鵝卵石路、比利時路等顛簸路面時轉向器發出的噪聲)測試,確認故障件后對總成進行拆解分析。針對不同的異響故障現象,通過上述分析流程查找原因。
在整車IG-ON(Ignition On,點火開關打開)模式進行原地快速換向時,車輛底盤發出“噠噠”異響,行駛過程中此異響不明顯,通過ABA 互換確認為轉向器單品故障,其總成模型如圖2所示。
圖2 DP轉向器總成
將故障件返回供應商進行復測,整體外觀無異常,拉桿、殼體、電動機等均無磕碰,各部位連接扭矩無異常;總成尺寸無明顯變化,總成關鍵尺寸均合格;關鍵零部件的原材料也無異常。在生產線上復檢旋轉力矩、齒條拉力、T-F(Input Torque-Rack Force,輸入扭矩-齒條力)特性曲線、YOKE(軛)間隙等性能均合格,之后進行操作噪聲測試,通電產生助力,加載6 375 N 齒條載荷,設置輸入軸轉速為12 r/min,轉動范圍為-450°~450°,要求距離電動機端部300 mm高處的操作噪聲≤56 dBA,測試結果為46~54 dBA,測試合格無異響。
對故障件進行Clunk 噪聲臺架測試,通電狀態下,齒條載荷為-5 885~5 885 N,速度為80 r/min,轉向盤轉角范圍分別為-20°~20°、-380°~< 340°、340°~380°,要求距離電動機端部 300 mm 高處噪聲≤56 dBA,測試結果為噪聲超出目標值且出現異響。將應變片貼在輸入軸、CAM YOKE(調整軛)、SUPPORT YOKE (支撐軛)、GBOX (Gear BOX,減速機構)和齒條殼體等運動相關部件上,采用HEAD Recorder 軟件采集數據發現,振動最大的位置為GBOX 與齒條殼體的連接點,此位置Z向加速度峰值為5.142g,同時GBOX 的X向、Y向加速度和齒條殼體的X向、Y向加速度方向相反(GBOX 和齒條殼體間為面貼合,由螺栓連接,如果GBOX 的中間軸運動時不對中,則GBOX 的外圓與齒條殼體的內圓發生干涉),說明GBOX 和齒條殼體間產生了直接摩擦,導致異響產生。
對GBOX 進行拆解,發現GBOX 內圓與齒條殼體外圓的配合部位有明顯磨損,且偏向同一側,O型圈單側也磨損嚴重,如圖3所示。
圖3 GBOX與齒條殼體的磨損
對圖3異常磨損進行分析,供應商組裝工藝是將GBOX 從側面安裝到齒條殼體上,但GBOX 單品過重,與齒條殼體安裝后一致性變差,使對中性偏差較大的GBOX 傾斜,與齒條殼體接觸產生摩擦,如圖4所示;設計結構上GBOX 與齒條殼體采用3個螺栓連接,前者具有3個φ8.5 mm光孔,后者具有3個M8螺紋,二者缺少定位基準,連接后對中性差,導致產生耐久偏磨。
圖4 GBOX與齒條殼體的組裝狀態
車輛行駛中轉向時伴有“咯噔”異響,顛簸路時出現轉向盤抖動。檢查底盤發現,CAM YOKE 松動,如圖5所示,導致齒條與殼體間隙變大,地面通過齒條使轉向盤產生激振。
圖5 檢查轉向器
將故障件返回供應商進行復測,外觀無異常,拉桿、殼體、電動機等無磕碰,拉桿、PPK(Power Pack,動力單元)、輸入軸等尺寸無異常,CAM YOKE 松動,其間隙為0.25~0.35 mm,但該值要求≤0.15 mm,同時測試操作噪聲發現有異響。
將故障件CAM YOKE 拆解檢測,鎖止螺母、調整螺母、壓塊、齒條殼體和螺紋膠的材質、尺寸及性能均合格,螺紋無缺陷、內部無異物,螺紋螺距、牙型角、牙型高度等均合格,如圖6所示。
圖6 CAM YOKE組件檢測
對故障件CAM YOKE 進行振動耐久測試,將螺紋扭矩恢復至出廠時59.6 N,經過24 h 固定振動頻率(45 Hz) 測試, 故障未再現, CAM YOKE 扭矩正常;之后進行隨機振動試驗,16 h后故障再現,CAM YOKE 松脫,其鎖緊扭矩有衰減。由此可知,相比固定頻率振動耐久試驗,隨機振動耐久試驗更貼近實際路況,試驗結果的可靠性更高。
試驗發現CAM YOKE 防松力設計不足,當行駛路況較差時,齒條通過壓塊對鎖緊螺紋產生較大沖擊,進而使螺紋鎖緊力矩不足,導致CAM YOKE 組件鎖緊功能失效。
汽車過顛簸路時有異響聲,IG-ON 模式原地進行小角度換向時,車輛出現“咚咚”異響,倒車時尤其明顯。
將故障件返回供應商進行復測,總成及齒條殼體的尺寸、材料無異常,旋轉力矩、齒條拉力、T-F特性曲線、YOKE 間隙等性能均合格,測試操作噪聲合格,但CAM YOKE 內部釋放凸輪槽與外部箭頭成一條線,CAM YOKE未釋放,如圖7所示。
圖7 CAM YOKE零部件及故障狀態
對故障件進行Rattle 噪聲測試,異響聲明顯。Rattle 噪聲測試條件為上電13.5 V、模擬車速為15 km/h、電機轉速為700 r/min、負載為-3~3 kN、振動頻率為5~20 Hz,要求距離齒條殼體150 mm 處噪聲值≤70 dBA。采用HEAD Recorder軟件采集數據發現,CAM YOKE 壓塊位置的振動加速度最大。將CAM YOKE的調整螺母敲擊釋放后,異響消除,重新測試操作噪聲、Rattle噪聲和Clunk噪聲均無異常。
拆解CAM YOKE 組件發現,壓塊拆解時有卡滯感,齒條殼體側面有劃痕。根據組裝工藝可知,操作工人未將壓塊放正,導向桿下按壓塊時,其底部卡在齒條殼體內側,如圖8所示,并且后續工序未檢出CAM YOKE未釋放,最終導致不良品流出。
圖8 齒條殼體內側劃痕及壓裝工藝
針對轉向器異響故障的不同原因制定相應改善措施,并分別進行效果驗證,確保改善措施有效。
在齒條殼體最上端增加彈簧導向銷,如圖9 所示,對GBOX 進行匹配修改保證定位精度,使GBOX 和齒條殼體裝配時對中一致,同時在操作噪聲檢測工序增加Clunk噪聲檢測功能,及早發現異響故障。
圖9 齒條殼體改進前、后對比
增加彈簧導向銷后,GBOX 和齒條殼體的裝配一致性較好,拆解改善后新組裝的30 個樣件發現,齒條殼體內側無偏磨痕跡。供應商對隨機選取的3個樣件進行5 萬次臺架綜合耐久試驗,另隨機選取3個樣件搭載整車進行6 萬km 可靠性試驗,各樣件拆解后均無偏磨現象,改善措施有效。
將鎖止螺母、調整螺母和齒條殼體的螺紋螺距由1.5 mm 改為1.0 mm,強化扭矩締結力,并將鎖止螺母厚度由4.5 mm 改為6.0 mm,增大螺紋連接的有效圈數,同時為便于區分,將孔堵由黑色改成白色,具體如圖10所示。
圖10 CAM YOKE改進前、后對比
通常,螺距越小螺紋升角越小摩擦力越大。對優化前、后的CAM YOKE 和齒條殼體連接螺紋進行受力分析,測試螺紋的松開扭矩,發現優化后可使扭矩增加25%以上。供應商對隨機選取的3 個樣件進行隨機振動耐久測試,另隨機選取3個樣件搭載整車進行6 萬km 可靠性測試,CAM YOKE 均無松脫和掉扭現象。
首先將CAM YOKE 壓塊組裝工具更換為氣動錘,保證壓裝一致性,同時制作專用檢具,當氣動錘將壓塊壓裝到位后,操作工人用專用檢具轉動齒條檢查壓塊是否卡住,并保證所有產品100%檢測,如圖11所示;另外在總成下線前進行釋放角度100%目視檢查,通過手電筒和角度檢規確認CAM YOKE的內部凹槽與外部箭頭的旋轉角度大于5°。
圖11 氣動錘和壓塊專用檢具
工藝改進后隨機測量30 件下線總成,釋放角度一致性較好,拆解后發現齒條殼體內側均無劃痕,且下線前目視檢查工序未再檢出CAM YOKE未釋放的不良產品,售后市場也未再反饋過此類問題。
針對DP 轉向器在不同工況下的異響故障,分別采用供應商復測、臺架測試和拆解故障件方式查找故障原因,通過設計優化和工藝優化有效地解決了異響問題,其中減速機構與齒條殼體間的連接需要考慮定位基準的精度,保證組裝的一致性,避免出現早期偏磨;同時,對于異響問題檢測,可增加隨機振動耐久試驗、Clunk 噪聲檢測、Rattle 噪聲檢測等,盡可能避免故障產品流入市場。