田双鹏

(博世华域转向系统(烟台)有限公司，烟台 265503)

汽车转向系统由转向管柱，中间轴和转向机三大部分组成。在汽车行驶过程中，驾驶员通过转动方向盘，扭矩与转角由转向管柱通过中间轴传递到转向机，转向机齿条移动，通过拉杆及球头，作用于汽车转向摇臂，从而控制车轮转角，实现汽车转向。

中间轴是转向系统中连接管柱和转向机，可以传递扭矩并吸收路面激励的一种机械传动机构。中间轴性能的好坏，直接影响到汽车行驶的安全性，操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车辆行驶安全，减少交通事故及保护驾驶员的人身安全，改善驾驶条件起着至关重要作用。

中间轴上接转向管柱，下接转向机，由于具备两个万向节，是整个转向系统最具应力集中位置，根据其承载能力，不同客户依据产品性能需求，市场定位及造车成本等方面选择不同结构的中间轴用于转向系统匹配。注塑中间轴具有结构简单，制造工艺及成本低廉，综合性能优越。在车市竞争日趋降本争效的大环境下，越来越受到整车厂的青睐。

现今汽车噪音控制工程的发展越发成熟，整车厂对其噪音表现标准要求也越来越苛刻。而异响更是成为衡量汽车质量品质的一个重要指标。车辆在启动和行驶中，转向系统由驾驶员实时操控，其噪音表现更直接被人们感知。车辆操控过程中发生的“叽叽…”“咚咚…”这类摩擦噪声，其根本原因多数是由于两接触件相互摩擦产生黏滑(Stick-slip)现象而引起的。本文注重介绍注塑中间轴结构及其在受载状态下的Stick-slip噪音分析及改善方案。

中间轴总成(如图1)结构由上下两个万向节和滑动副组成。滑动副按结构分类有滚动摩擦型和滑动摩擦型(如图2)。

图1 注塑中间轴总成Fig.1 Injection molded intermediate shaft assembly

图2 滑动副类型Fig.2 Sliding secondary types

注塑中间轴滑动副部位是花键连接，属于滑动摩擦型结构。滑动副由管内花键及轴外花键配合，管轴内外花键同为等数多齿结构，滑动轴齿表面均布注塑环齿(如图3)，二者装配时注塑环齿受挤压发生变形从而紧贴在花键管内花键表面。中间轴转动受载时，注塑环齿先受管内花键的挤压发生形变并传递扭矩。由于注塑环齿与管内花键形成过盈配合，消除了花键轴和花键管的物理间隙，扭矩的传递平缓实现，不会导致钢齿机械撞击而发生异常换向噪音。

图3 注塑滑动副结构Fig.3 Injection sliding auxiliary structure

注塑环齿材料是POM+30%玻纤，有良好的物理、机械和化学性能，它具有耐疲劳、耐蠕变、耐磨、耐热、耐冲击等优良的性能, 尤其是有优异的耐摩擦性能，广泛应用于齿轮、轴承、汽车零部件、机床、仪表内件等减磨耐磨零件及传动零件。

Stick-slip(又称黏滑现象)是一种正常的摩擦物理现象，即：在特定条件下，两个表面之间的滑动运动不会产生固定摩擦力，但是运动在黏附与滑动之间呈周期性交替变化，两接触表面之间产生摩擦振动现象。

黏滑效应是日常生活中的常见现象：当我们沿地板推动桌子时，桌腿可能会产生振动。当我们用潮湿的手指沿葡萄酒杯边缘滑动时，葡萄酒杯也会产生振动。操控汽车前玻璃雨刷时，雨刷和玻璃产生振动等。由于黏滑具有反复出现的特点，因此或可被感知为谐波振动或噪声。

当两接触表面之间处于干摩擦或边界润滑、混合润滑状态时，如果拖动系统的速度低到某个限度以下，需要克服滑动副表面粗糙峰的不平整性。导致到摩擦力的波动，当波动足够剧烈时，摩擦就产生持续的黏滑现象(如图4)。此时，即使拖动系统保持匀速运动，而相互滑动的表面之间的运动却不再是匀速的，而是断断续续的，这种断断续续摩擦振动往往会产生噪音。

图4 黏滑运动的位移、速度曲线Fig.4 Displacement and velocity curves of stick-slip movement

注塑中间轴整车或者台架负载作用下，由于整车的颠簸或台架试验冲击加载变化，中间轴由于受力的不平衡，滑动副开始出现轴向往复的滑动摩擦运动(如图5)，其负载弹性会导致中间轴管轴配合部位产生轴向位移。中间轴轴向滑动时，静摩擦力大于滑动摩擦力，在动静转换的一瞬间，加速度的变化造成冲击振动，冲击振动会产生噪声，当这个过程反复出现的时候(静止和运动反复出现)，就会产生黏滑和持续的噪声。

图5 滑动副摩擦运动示例Fig.5 Example of friction motion of sliding pair

由于中间轴滑动副接触面的平整性，清洁度及油脂因素，中间轴在受载轴向滑动摩擦时，最大静摩擦力P远大于滑动摩擦力G，当其动静摩擦力差值(P-G)过大时(如图6)，其瞬态冲击振动可能会导致产品产生噪音问题。

图6 动静摩擦力转换瞬态表现形式Fig.6 Transient expression of static and static friction

由上述机理可知，Stick-slip噪音是中间轴在受载过程中，滑动跌落产生震感。所以需要在测试中间轴滑动力的时候加载扭矩(如图7)。

图7 台架测试设置及测试曲线Fig.7 Bench test setup and test curve

中间轴水平固定在试验台上，连杆抱紧驱动主轴，连杆加砝码配重，通过调节砝码在连杆距离来确定加载扭矩。记录滑动行程以及起始峰值(分离)载荷值和平均载荷值(稳定)的差值。评估中间轴启动到滑动瞬间有无Stick-slip噪音。通过分析启动力和滑动过程力的差值，来确定样件状态的可接受范围。

由于滑动副表面粗糙峰的不平整性。导致到摩擦力的波动，产生Stick-slip噪音。注塑结构的不对称会导致轴/管的轴线不同轴，加大滑动副的轴向窜动，产生Stick-slip噪音。注塑材料具有较高的静态摩擦系数，在与管的金属内壁摩擦接触中表现出黏滑特征，也会产生Stick-slip噪音。

通过台架试验及大量售后返回件分析，发现了以下缺陷形式(如图8)会加剧Stick-slip噪音表现。

(a)注塑层分离 (b)注塑层磕碰伤 (c)注塑层不均匀

由中间轴Stick-slip噪音影响因素获知，可以从注塑结构优化及加注润滑油脂两方面来抑制和减少Stick-slip噪音。

6.1 注塑工艺改善

注塑模具(如图9)主要包含主型腔，副型腔和两个Half块。待注塑光轴前端通过副型腔卡紧定位，后部分通过Half块抱紧辅助定位，主型腔模体是花键结构，用于往里加注流体，注塑成形。

图9 注塑模具结构Fig.9 Injection mold structure

为防止注塑分层，注塑层不均匀，需优化Half块与模具型腔及待注塑轴的配合间隙，增大注塑保压时间。为防止注塑轴的定位工装在使用过程中磨损，按需实时更换新的工装卡爪。使用前校准工装尺寸，增加工装点检项目，每班检查定位加紧工装情况，定义工装更换时间周期。

6.2 加脂改善

根据零件的材料及机械配合不同，对润滑油脂有不同要求。在使用新开发油脂的时候需要关注油脂所使用的工况，像中间轴滑动副油脂需重点关注动摩擦系数，降低静摩擦和动摩擦的差异。差异越大，出现Stick-slip的可能性越大。所以注塑中间轴滑动副表面涂油脂主要目的是减少摩擦、降低磨损，降低Stick-slip噪音风险。

由于油脂具有减噪性，生产过程必须严格受控(如图10)。为控制油脂量，选用注脂比较稳定的加脂泵，压力随机监控，保证桶内空气和气泡被有效排出。轴管加脂工装改为花键仿型工装，每个键槽均布多个注脂孔，保证注脂均匀。每班生产前对首件油脂称重量化并做记录，保证油量充足。

图10 加脂设备及工装优化Fig.10 Optimization of grease equipment and tooling

随着人们生活水平的日益提高，对于整车操控舒适性，产品在整车受载状态的NVH表现越来越关注。在产品投入市场前期，要进行充分的台架验证和整车路试。如何使转向系统更好地吸收振动，防止黏滑和噪声的产生，是转向系统生产商重点关注的问题。本文简要介绍了关于转向系统领域注塑中间轴Stick-slip噪音机理及改善方案，目的是加深读者了解产品结构性能，欢迎同行共同讨论。在保证产品安全前提下，进行产品结构及性能优化。

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