曲莉范，张帮琴

（豫北转向系统股份有限公司，河南新乡 453003）

0 前言

随着现代汽车技术的迅猛发展，人们对汽车转向操纵性能的要求也日益提高。为了保证车辆在任何情况下转动方向盘时，都有较理想的操纵稳定性，即使车辆在停车情况下转动方向盘时也能够轻松自如，在汽车制造业中已广泛采用助力转向系统。助力转向系统具有使转向操纵灵活、轻便、能吸收路面对前轮产生的冲击等优点，而电子控制技术在汽车助力转向系统中的应用，使汽车的驾驶性能达到了令人满意的程度。在此系统中转向器的性能好坏也直接影响到整车的转向性能，所以如何解决转向器常见的故障并不断提升转向器的性能与质量是转向器行业及转向器生产厂家的首要任务。

1 C-EPS的优点

电动式助力转向系统 （EPS）是一种直接依靠电机提供辅助转矩的电动助力式转向系统。该系统仅需要控制电机电流的方向和幅值，不需要复杂的机械、液压机构。其最大优点是可以随速控制助力，在低速时提供较大的助力，保证轻便转向、灵活;在高速时减小助力，提供驾驶员足够的路感，从而提高了高速行驶的操纵稳定性［1］。而且EPS只在转向时发挥作用，因此不像液压转向系统会一直对发动机造成额外负担，从而减小油耗，同时没有不可回收件，更加绿色环保，从各方面满足环保的需求。EPS与液压助力转向系统 （HPS）相比，具有效率高、能耗低、结构简单、助力特性可通过软件调整、回正性好、对环境污染小、可以独立于发动机工作、装配性好等很多优点，所以被广泛应用于轿车、MPV、SUV、面包车、轻型货车等多种车型上。而目前市场上正在逐步推出的纯电动汽车，因无发动机，转向系统只能装配EPS系统。随着国家对汽车环保要求的提升，EPS系统将应用越来越广泛。

EPS系统根据电机在转向机构中耦合位置和方式的不同分为C-EPS、P-EPS、R-EPS，C-EPS因其结构简单、成本低、便于在整车上布置，故被广泛应用于轿车、MPV、SUV、面包车等多种车型上，与此系统相配的转向器多为齿轮齿条式转向器，此类转向器结构简单、成本较低。C-EPS系统如图1所示。

2 C-EPS用转向器常见故障模式与分析

根据目前客户及售后市场的反馈，此类转向器常见的故障模式主要有以下几种:异响、回正不良、齿条弯曲、安装部窜动、齿轮轴锈蚀、壳体断裂、安装座套脱出等。而异响则是此类转向器最常见的故障模式，约占此类转向器故障率的90%，几乎所有的转向器制造公司都会产生此种问题，且异响的种类也很多，产生的声音大小、类别及产生的部位均不尽相同，根据产生的部位不同，常见的主要有以下几类:

2.1 齿轮齿条啮合部异响

如图2所示，齿轮齿条转向器的工作原理是转动齿轮轴带动齿条实现直线运动，此类故障模式主要是齿轮与齿条啮合时发现的撞击声，主观上可听出有“咔哒咔哒”音，特别在方向盘换向时尤为明显，做NVH测试时，此部位的振动加速度值明显偏高。

造成此部位异响的主要原因有以下几种:

（1）齿轮与齿条的啮合间隙过大，这种原因是引起此类异响的最主要原因。按照转向器设计规范要求，齿轮与齿条之间要设定合理的啮合间隙，一般要求在0.1 mm以下 （中位状态），如果转向器的啮合设计过大或制造过程中调整的间隙比设计规定的啮合间隙大，均可能导致转向器出现此类异响;另外就是转向器在经过一段时间的使用之后，齿轮与齿条出现非正常磨损，导致齿轮与齿条的啮合间隙变大。

（2）齿轮与齿条啮合部润滑脂选用不当或用量不足。齿轮与齿条啮合部的润滑脂种类对齿轮齿条的平稳传动及转向器的性能起着至关重要的作用，若选用不当很容易造成转向器性能不良或异响，特别是转向器使用一段时间后。齿轮齿条都为金属材质，在高的载荷条件下要求润滑脂具有极好的抗极压特性，所选择润滑脂在添加剂方面会加入极压剂及二硫化钼类固体润滑剂，稠化剂选择通用型的锂基稠化剂，因为锂基稠化剂在耐高温、耐水性、抗剪切性等方面综合性能比较优异，基础油多选精制的矿物油［2］。另外若润滑脂用量太少，对齿轮与齿条的啮合传动起不到充分的润滑作用，也容易出现异响。此部位润滑脂的用量一般为7～10 g，太多容易造成浪费，太少则对齿轮与齿条的润滑不充分，容易出现转向器性能不良或异响等问题。

（3）齿轮与齿条啮合参数设计或制造不良，导致齿轮与齿条不能很好地啮合传动，产生异响。常见的主要有以下几种情况:重合率太低，齿轮与齿条同时参与啮合的齿太少，齿轮与齿条传动不平稳，导致齿轮与齿条发生撞击，产生异响;齿轮或齿条齿倾角设计不正确或制造出现偏差，使齿轮与齿条传动过程中由面接触变为点接触或线接触，传动不平稳产生异响;齿轮公法线长度、齿条跨径不合格或齿轮齿条齿部加工精度不满足设计要求，导致二者不能很好地啮合传动，产生异响。

（4）齿轮与齿条啮合部有异物，影响齿轮与齿条的正常啮合，出现异响。出现这种问题的主要原因是:齿轮或齿条热处理前清洗不干净，导致在热处理时异物粘结在零件上;或者是齿轮齿条成品未清洗干净、装配时内部混入异物。

2.2 调整体部异响

如图3所示调整机构的主要作用是:支撑齿条，保证齿轮与齿条正常的啮合与传动;调节齿轮与齿条啮合间隙。

此部位常见的异响主要有以下两种情况:

（1）调整体外周与壳体内壁之间摩擦或撞击出现异响，主要表现为转动转向器时调整体上下运动与壳体调整体内壁摩擦或撞击出现“咔哒、咔哒”的响声。引起此类异响的主要原因是:①调整体与壳体之间间隙过大，在调整体上下运动时，与壳体内壁产生撞击出现异响;②调整体与壳体之间间隙过小，使调整体外周O型圈挤压严重不能在壳体孔内正常运动，导致调整体上下运动时偏斜，与壳体内壁出现偏磨，出现异响;同时若两者之间间隙过小，会使装配时将调整体外周所涂的润滑脂挤出，使调整体外周与壳体内壁干摩擦，产生异响;③齿条齿背粗糙度偏大，在转向时调整体受到齿条的轴向力过大，引起调整体摆动撞击壳体内壁引起异响，一般要求齿背粗糙度和调整体衬垫的粗糙度在Ra0.4以下;④调整体外周未涂润滑脂或润滑脂涂抹太少，使调整体外周与壳体内壁干摩擦，产生异响;⑤调整体结构不合理，目前常用的调整体结构主要有3种:一种是外周不带O形圈，另一种是只带一个O形圈，第三种是带二个O形圈。不带O形圈的结构因调整体外周与壳体内壁之间无O形圈的缓冲作用，二者之间极易产生撞击出现异响;带一个O形圈的结构，因只有一个O形圈，调整体上下运动时导向作用较差，使调整体容易偏斜与壳体产生撞击产生异响;⑥壳体或调整体的形位公差设计不合理或制造出现偏差，导致装配后调整体在壳体孔中的位置偏斜，二者之间产生偏磨，导致异响。随着转向器使用时间的增长，二者之间的摩擦会越来越明显，严重者会引起客户投诉。图4和图5是转向器此类异响故障件的照片。

针对此类问题的预防对策主要有以下几种:①规定调整体外周与壳体内孔之间有合理的配合间隙，一般设计二者之间的间隙为0.04～0.1 mm;②齿条齿背及调整体衬垫粗糙度要合适，一般要求在Ra0.4以下，以减小两者之间的摩擦力;③规定调整体外周要涂抹润滑脂，一般要求1 g;④选用带双O形圈结构的调整体;⑤设计合理的壳体孔及调整体形位公差，且制造过程中要严格保证公差要求。

（2）调整体端面与调整螺塞端面产生撞击出现异响。产生此种现象的主要原因是调整体或调整螺塞端面与其轴线的垂直度偏大，导致二者的端面不能很好地接触，转向器在运动过程中，随着调整体的上下移动与调整螺塞端面产生撞击;另外一个原因主要是弹簧的弹性较差、耐疲劳性差，使弹簧在工作一段时间后失效［3］，不能有效地对齿轮、齿条啮合间隙进行有效的补偿，使二者之间间隙变大，产生撞击导致异响。解决此类问题的主要对策是在调整体端面增加O形圈或涂润滑脂。

2.3 齿条支承套部异响

如图6所示，支承套在转向器中起支承齿条、使齿条在运动过程中保持直线运动状态作用，此部位异响的主要原因有以下几点:（1）二者之间间隙过大，导致齿条在运动过程中容易产生偏斜，产生异响;（2）支承套的刚度不足，在转向器运动过程中，齿条不仅在轴向受到较大的推力/拉力，同时径向也将受到较大的径向力，若支承套的刚度较小，则不足以承受此分力，从而使支承套出现变形，最终导致二者之间间隙过大，产生异响。

解决此类问题的主要对策是:规定合理的配合量，一般规定二者之间的过盈量为0.1～0.16 mm，保证二者无间隙;同时要求支承套具有足够大的刚度，在承受一定的载荷后不会产生间隙，可根据不同转向器的受力情况而规定不同的刚度。

2.4 拉杆部异响

转向拉杆的作用是将齿条输出力传递到车轮主销，带动车轮实现转向。转向拉杆包括内拉杆、外拉杆和六角螺母，它们之间靠螺纹联结为组件，内、外拉杆使用球头节的形式可实现摆动和转动，以满足车轮不同位置的运动需要。转向拉杆的结构如图7所示。

因拉杆在转向器转向的过程中直接承受整车的转向输出力，且内外拉杆要承受方向不断变化的拉力或压力，且随着车轮位置不断的变化，内外拉杆球头部还要转动与摆动，所以内外拉杆的球头部很容易出现松旷导致异响。球头异响是拉杆常见的故障模式之一，比例约占拉杆故障率的90%。拉杆的另外一种常见的故障模式是断裂，主要是拉杆强度不足或整车受到非正常撞击所致。拉杆球头异响的原因较多，主要有以下几种:

（1）拉杆球头部强度设计不足，球头直径偏小，实际的受力超过了球头能承受的理论受力值，使球碗出现异常磨损或破损，产生异响;

（2）拉杆结构设计不合理。内外拉杆的球壳、球头及球碗的结构或尺寸设计不当，导致三者不能很好地配合，使球碗受力不均，导致球碗出现异常磨损或破损，产生异响;

（3）球碗的材料选择不当。目前球碗的材料一般使用具有优异综合性能的工程塑料POM，POM具有良好的物理、机械和化学性能，它不仅强度、刚度高、弹性好，耐磨性也非常好，比较适合用于内外拉杆球头部，若球碗的材料选择不当，会使球碗因强度或耐磨性不足而出现异常磨损或破损，产生异响;

（4）球头部所用润滑脂选择不当或用量较少。如果球头与球碗之间润滑不良，球节间会发生异常的磨损和金属疲劳，球头与碗之间为钢—塑料摩擦副，对于钢—塑料摩擦副一般选择含PTFE固体润滑材料的锂基润滑脂［2］，用量一般为0.4 g。

2.5 球轴承部异响

球轴承在转向器壳体内的位置如图8所示。

转向器齿轮轴上的球轴承在运动过程中不但要承受径向载荷还要承受轴向载荷，该部位多使用普通深沟球轴承，而普通深沟球轴承所能承受的轴向载荷是有限的，所以如轴承结构或游隙选择不当，当球轴承受到较大的冲击时，球轴承在轴向上的松旷量会越来越大，最终导致异响。另外若球轴承在转向器壳体内的轴向限位结构不合理，球轴承在壳体内的轴向位置不能完全固定，在转向过程中，随着方向盘不断地换向，转向器齿轮所受的轴向力方向也在不断地发生变化，使齿轮轴不断地上下窜动，球轴承与其他部件产生撞击，导致异响。主要原因有以下几种:

（1）球轴承结构、规格或游隙选取不当。根据每种转向器所使用的车型及受到的载荷大小不同，计算所需要的轴承结构及规格，当普通的球轴承不能满足承载需要时，可以选择具有较大轴向承载能力的四点接触轴承，但这种轴承的价格较贵，一般为同规格的普通深沟球轴承价格的1.5～2倍。轴承的游隙一般选择C2级。

（2）设计合理的球轴承轴向限位件结构与尺寸。目前所用的球轴承轴向限位的结构主要有两类，两类不同的结构如图8、9所示。第一类是螺塞压紧结构 （如图8所示），靠螺塞与壳体内孔的螺纹联接，将螺塞拧入壳体孔内，螺塞的下端面压到球轴承的外圈上，且二者之间无间隙，球轴承的内圈靠一个轴承挡圈铆压到齿轮轴的槽内来固定，这样球轴承的内外圈均得到固定，二者均不会产生轴向窜动;为保证螺纹连接的牢固性，在拧入压紧螺塞时必须施加足够的拧紧力矩，同时为防止螺塞松脱，还要采取一定的防松措施，如在螺纹部涂紧固胶或在螺塞上端面与壳体联接部进行铆压。第二类是孔用C型挡圈压紧结构 （如图9所示），结构简单，成本低，拆装性好，但C型挡圈的结构设计很关键，目前所用的C型挡圈的结构有两种:一种是标准的C型挡圈，这类挡圈制造简单，成本很低，但因结构原因，若使用此类挡圈，则挡圈与轴承之间必须要有一定的间隙量，否则挡圈无法完全装入挡圈槽内，同时因零件存在制造误差，此间隙无法彻底消除，所以齿轮在受到转向力时就会上下窜动产生异响，目前这类结构使用得越来越少;第二种是带倒角的非标C型挡圈，这种挡圈因带有一倒角，可在一定的范围内进行自动调整，在设计的公差范围内可保证与球轴承端面无间隙，达到完全限制轴承轴向窜动的作用，使用此种挡圈时，挡圈及壳体孔的尺寸控制精度要求均较高，且装配过程也用采取一定防错措施，以保证C型挡圈不装反且完全装配到位。

2.6 齿轮与万向节连接部异响

在C-EPS系统中，转向器上的齿轮轴一般是通过花键与中间轴上的万向节联接［2］，如图10所示，此部位出现异响的概率较高，主要原因有以下3点:

（1）二者联结部的螺栓松脱。此部位的螺塞拧紧力矩规定偏小容易导致螺栓在受力一段时间后产生松旷。当然此部位的螺栓种类也非常关键，若螺栓的结构不合理 （如无防松功能或防松功能较差），也会导致螺栓松脱，此部位的螺栓一般选用带防松功能的弹垫螺栓或者是带法兰面的六角螺栓;另为保证螺栓不松脱也可在螺纹部加涂螺纹紧固胶。

（2）螺栓的强度不足，导到转向系统使用一段时间后，螺栓磨损严重，螺栓与齿轮上的R槽间隙变大，出现松旷导致异响，此部位的螺栓强度一般选用10.9级的高强度螺栓;

（3）齿轮轴上的外花键与万向节上的内花键精度配合不合适，螺栓拧紧后，万向节节叉无法与齿轮轴紧密配合，二者之间仍有间隙存在，当方向盘转向时，二者之间出现撞击产生异响。

3 结束语

综上所述，C-EPS系统中转向器中有很多部位可能产生异响，同时引起异响的原因也很复杂，所以在转向器设计与制造过程中均需要提前采取预防措施，防止转向器出现异响等故障。针对市场上或客户反馈的异响问题，要到现场进行确认与分析，找准产生异响的部位，再根据异响产生的部位分析具体的产生原因，制定有效的改进或预防对策。随着客户对产品舒适性要求的提高，对转向器噪声的控制标准要不断地提高，同时对噪声的试验验证技术及分析技术也要不断地提升与完善。

【1】杨艳芬.汽车电动助力转向系统的发展和控制策略［D］.西安:长安大学，2007.

【2】聂湘.汽车电子助力转向系统的润滑［C］//汽车工程学会转向分会论文集，2009.

【3】周鹤，戴峻，侯宇，等.汽车助力转向系统异响问题分析研究［J］.汽车工业，2003（8）.

【4】刘瑞生.汽车转向系故障分析与排除［J］.汽车维护与修理，1998（1）:28－29.

【5】郭添壁.汽车转向系常见故障和处理方法［J］.汽车维护与修理，1996（5）:24.