蔡向東

(上海北特科技股份有限公司，上海 201816)

0 引言

乘用車電動助力轉向系統(tǒng)相比液壓助力轉向系統(tǒng)具有轉向精準、能耗低、環(huán)保性好、易實現(xiàn)自動駕駛等優(yōu)點，歐美日發(fā)達國家在2004年就開始逐步用電動助力轉向系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓轉向系統(tǒng)，國內在2010年開始逐步代替。近5年，電動助力轉向系統(tǒng)已大幅度代替了液壓助力轉向系統(tǒng)， 目前國內市場占有率約90%。

電動助力轉向系統(tǒng)根據(jù)助力方式分為管柱助力轉向系統(tǒng)[1](Column Electric Power Steering System，C-EPS)，轉向齒輪助力轉向系統(tǒng)(Pinion Electric Power Steering System ，P-EPS)，轉向齒條助力轉向系統(tǒng)(Rack Electric Power Steering System，R-EPS)。R-EPS 又有2種結構形式，分別是雙齒輪助力轉向系統(tǒng)(Rack EPS Dual Pinon ，R-EPS-DP)和皮帶輪驅動助力轉向系統(tǒng)(Rack EPS Belt Driving,R-EPS-BD),分別適用于不同級別的乘用車。通常來講C-EPS 和P-EPS齒條齒部單點受力，通常適用于A級經(jīng)濟型車，如大眾捷達、高爾夫、速騰、福特福克斯、本田思域。R-EPS-DP齒條左右有2段齒，分別為主動轉向部分齒和伺服助力部分齒。在行駛轉彎過程中，齒條2段齒同時受力，轉向部分齒由駕駛員手動轉動方向盤，通過轉向管柱、連接桿、萬向節(jié)、轉向齒輪輸入。助力部分齒由ECU、數(shù)據(jù)線、轉向馬達驅動助力齒輪輔助傳動。該轉向方式安全性好，通常應用于B級車，如奧迪A4、帕薩特、中華等車，當然也可以用于部分A級車和C級車。R-EPS-BD齒條一端齒部受力，同時齒條另一端的絲桿也受力，可以承載更大的轉向推動力，廣泛應用于C級中高檔車和 D級豪華車，如奧迪A6、奔馳S級、寶馬7系、奧迪A8、勞斯萊斯、賓利， Volvo、FORD金牛座等車。圖1清楚地表述了3類轉向系統(tǒng)的適用范圍及主要對應的車型等級。

圖1 轉向機類型對應的車型等級

1 C-EPS和P-EPS 齒條結構及工藝流程

C-EPS和P-EPS技術相對簡單，國內多家自主品牌的轉向機廠家已研發(fā)并批量生產，如荊州恒隆汽車零部件制造有限公司、豫北轉向系統(tǒng)股份、杭州世寶汽車方向機有限公司等，而外資JTEKT、ZF、TKP、NSK轉向機公司早已大量生產并使用。

CEPS和PEPS內的齒條結構比較簡單，如圖2所示。

圖2 齒條結構

齒條兩端螺紋孔連接橫拉桿，齒條一側有長度約200 mm的齒部與轉向齒輪嚙合，把方向盤轉向的圓周運動變化為齒條直線移動，帶動橫拉桿來回移動從而帶動輪胎轉向，實現(xiàn)機動車的轉向。

不同轉向機生產廠家根據(jù)不同車型設計的齒條略有不同，但該類齒條基本工藝流程如下：(1)OP10齒條材料調質處理，滿足一定強度要求。(2)OP20 齒條兩端螺紋的車削機加工。(3)OP30齒條整體無心磨，控制齒條的外徑。(4)OP40齒部制齒( 拉齒、磨齒或銑齒)。(5)OP50齒部熱處理：表面淬火和回火。(6)OP60齒條整體校直。(7)OP70齒條齒部刷齒，去除齒部氧化皮。 (8)OP80齒條表面探傷，裂紋檢查。(9)OP90齒條圓周方向砂帶拋光及齒背部和桿部軸向拋光，進一步降低齒背和桿部的粗糙度值，從而降低齒條移動時和壓塊及襯套移動阻力。更關鍵的是通過軸向拋光，桿部及齒背部的紋路和其工作的方向一致，減少移動阻力，降低噪聲。(10)OP100清洗轉入裝配。

對于主要工藝分析如下：

(1)OP10齒條材料調質處理。齒條是安全零件，為使齒條長久耐用，能適應各種路況，對齒條材料的強度有一定要求。原材料要預先熱處理以滿足其使用要求及后續(xù)加工的要求，材料通常有優(yōu)質合金鋼37CrS4， 優(yōu)質碳鋼S45SC、S48C、40Cr等。原材料在鋼廠通過自動超聲探傷檢查，確保齒條使用的鋼材內部無裂紋等缺陷[2]。目前國內最新最優(yōu)的齒條材料調質處理工藝是上海北特科技股份有限公司和北京機電研究所聯(lián)合開發(fā)的齒條長料自動感應調質生產線，該生產線具有效率高、環(huán)保性好、長料變形小、易實現(xiàn)連續(xù)生產、每批材料熱處理后性能一致性高等優(yōu)點，已代替?zhèn)鹘y(tǒng)的短料網(wǎng)帶爐調質方式。

該公司通過長期調試并優(yōu)化齒條材料感應調質的生產參數(shù)，目前該公司的齒條材料調質工序已取得如下成果：

①在調質好的材料同一截面的1/4D位置及圖3中點1、2、3和4的位置，測量硬度HRC值?？紤]到測量誤差，散差在HRC1內。

以外圓直徑26 mm的齒條棒料為列，測量示意圖及測量試塊如圖3所示，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

②調質好的同一根長料通常在6 m左右， 在軸向取頭、中、尾3個截面，同時測量1/4D位置的硬度。

軸向截取的測量截面如圖4所示，測量數(shù)據(jù)見表2。

圖3 測試塊截面和測量點

表1 試塊測量點的硬度測量值(齒條硬度要求22HRC～28HRC)

圖4 軸向測量硬度的截面位置

表2 硬度測量值(齒條硬度要求22HRC～28HRC)

硬度散差在HRC3內，適用于大批量自動化生產。

(2)OP40齒條齒部制齒。轉向機內齒條齒部長度大約為200 mm, 一般有25～32個齒，模數(shù)通常在1.7～2.2 mm之間，

需主要控制齒部壓力角、齒節(jié)距、跨棒距、螺旋角及齒部表面粗糙度等， 制齒工藝目前有拉齒、銑齒、磨齒、插齒、溫鍛和擺碾。

①拉齒工藝。齒條固定在拉齒機的夾具內，拉刀前進，完成對齒條齒部的拉削，一次加工，尺寸穩(wěn)定、生產效率高[3]。拉刀上有前部的平面拉刀、中部的齒形拉刀及后部的齒形修正拉刀 。拉齒設備剛性大，占地面積大，投資額大，拉刀成本高，交貨周期長，拉刀拉齒4 000～8 000個后需要修磨，需要配置拉刀修磨機，更換拉刀的技術要求比較高。該工藝適合訂單穩(wěn)定、大批量、少品種的生產模式，如博世華域轉向系統(tǒng)有限公司采用該工藝生產大眾PQ35平臺、MQB平臺、上海通用D2平臺的齒條，捷太格特轉向系統(tǒng)(廈門)有限公司用該工藝生產豐田系列的齒條。

②銑齒工藝。齒條在齒條銑削設備上被液壓夾緊，成型滾刀旋轉前進，完成齒條齒部的銑削。由于齒條整體銑削是連續(xù)切削，齒面粗糙度比拉齒好，齒部的尺寸主要由滾刀來保證，設備的剛性和夾具也起關鍵作用[3]。銑削設備的投資比拉齒少，滾刀單價為3～6萬元 ，交貨期比拉刀短，加工節(jié)拍比拉齒長。非常適合多品種中小批量的生產模式，也非常適合前期樣品的開發(fā)。目前上海北特科技股份有限公司、耐世特汽車系統(tǒng)(蘇州)有限公司等采用該模式生產齒條。

③磨齒工藝。對于精度要求高的轉向機齒條，磨齒工藝是最佳選擇，齒部的表面粗糙度比拉齒、銑齒好，齒部的尺寸精度更高。目前博世華域轉向系統(tǒng)有限公司南京分公司采用該工藝加工R-EPS-DP轉向機上的齒條，用于BMW、Volvo、奔馳等車型。齒條磨齒時，可以同時放5～8根齒條，液壓夾具夾緊齒條，成型砂輪強力磨削，齒條的齒部磨削完成。每次成型砂輪磨削時，通過成型金剛滾輪來修正，保證每次磨削后的齒條齒部尺寸一致。

④插齒工藝。 在插齒專機上夾緊齒條，盤型插刀用展成法上下插齒，齒條和盤型插刀配合移動，逐步插出齒條的齒。該工藝適合樣品試制、微小批量生產模式。

⑤溫鍛和擺碾工藝。主要適用于變節(jié)距的齒條，變節(jié)距齒條簡稱VGR齒條(Variable Gear Ratio)，用于線角傳動比變化的轉向機，特斯拉、歐洲的BMW、奔馳、雅閣8、保時捷等車已廣泛使用該技術。該技術的核心優(yōu)勢是轉向機的線角傳動比因方向盤位置不同而變化。汽車高速行駛時，方向盤通常在中間位置， 線角傳動比最低，方向盤轉動一個角度，齒條移動距離小，汽車轉向的角度就小，汽車能更加平穩(wěn)行駛。根據(jù)車型需要，部分車型線角傳動比需要在汽車拐彎時增大， 如賽車，其線角傳動比如圖5所示。

方向盤在初始中間位置時，線角傳動比最低為55 mm/圈，汽車高速平穩(wěn)行駛，隨著方向盤轉動，齒輪離開齒條中間齒部位置，傳動比增大，當方向盤轉動到±200°時，線角傳動比達到80 mm/圈， 汽車可以實現(xiàn)積極快速轉向。

部分車型需要在汽車低速泊車時使線角傳動比適當下降，減少轉向力，減少電動馬達的負載， 線角傳動比如圖6所示。

圖5 賽車線角傳動比

圖6 M型線角傳動比

方向盤在初始中心位置時線角傳動比是 55 mm/圈， 汽車高速平穩(wěn)行駛，當方向盤轉動到離開初始中心位置100°的過程中，線角傳動比從55 mm/圈逐步提升到80 mm/圈，該傳動比一直穩(wěn)定到方向盤轉動角度到200°位置。當方向盤轉動超過200°位置時， 線角傳動比逐步下降到62 mm/圈，此時齒輪嚙合在齒條的齒部左右兩端位置，基本是泊車時齒輪的位置，方向盤大約轉動了350°，傳動比降低，轉向力也降低。

VGR齒條實物照片如圖7所示。

圖7 VGR齒條實物照片

為實現(xiàn)變傳動比，齒條齒部的齒形狀、螺旋角度、節(jié)距、齒厚度都不相同，無法用拉齒、銑齒等傳統(tǒng)工藝完成，必須通過模具鍛壓或擺碾工藝來完成。

溫鍛工藝是把齒條的齒部加熱到800 ℃以上，再快速放入鍛壓機的模架模具內，成型模具壓下，完成齒條齒部的加工。溫鍛工藝具有效率高、尺寸穩(wěn)定、對齒條材料要求低、模具壽命長等優(yōu)點，適合于大批量生產的模式。

擺碾工藝是齒條的齒部材料預先球化退火軟化，再把齒條放入擺碾機內，通過模具擺碾成型，最后銑削工藝把齒條齒部兩側面多出的毛刺銑削掉。該工藝優(yōu)點是設備投資少，不需要對齒條齒部短時間內加熱，但需要對材料預先處理，費用高。同時，模具壽命比溫鍛要低，綜合成本比較高。德國博世汽車轉向系統(tǒng)有限公司采用該工藝。

在德國，目前主要是蒂森克虜伯轉向系統(tǒng)有限公司、 德國博世轉向系統(tǒng)有限公司、MVO公司使用以上技術大批量生產VGR齒條；國內，部分轉向機公司正處在研究階段。

(3)OP50齒部的熱處理：表面淬火硬化。轉向齒輪和齒條的齒部長期作嚙合運動，因此必須提高齒部的表面硬度，通常要求達到55HRC～60HRC，以提高齒部長期工作的耐磨性，延長其工作年限。同時又要保證齒條有一定的強度和韌性，保證齒條的抗沖擊力。因此，通常對齒條的齒部進行表面感應熱處理， 有以下3種方法：①接觸式齒部導電淬火。通過淬火頭和齒部兩端接觸，通過高頻電流，形成集膚效應，齒部短時間內受熱，達到淬火加熱溫度后噴淬火液急劇冷卻，形成淬火過程。②接觸式齒背、齒部導電淬火。③非接觸式齒條齒部整體感應淬火。

以上3種方法最后都要進行及時低溫回火處理或者感應回火，消除感應淬火的內應力，淬火組織轉變?yōu)榉€(wěn)定的回火馬氏體，減少淬火裂紋的產生[4]。

該工序是齒條關鍵工序，要在短時間內把齒部加熱再急劇冷卻實現(xiàn)表面感應淬火，工件變形不能太大，否則后續(xù)校直比較困難，并有校直裂紋的風險產生。同時，要控制淬火裂紋率，淬火裂紋率必須要低，通?？刂圃?.2%以內。

(4)OP60齒條的校直工序。齒條在前道工序齒部淬火回火后難免變形，通過校直工藝能保證齒條的整體直線度。在2000年左右，國內通常采用手工壓機來校直，效率低、工人勞動強度大，后來部分合資企業(yè)如上海采埃孚轉向機有限公司購買德國MAE公司的齒條校直機校直齒條，提高了生產效率，但設備昂貴。國內吉林瑞銘機電設備有限公司研發(fā)的智能齒條校直機，采用自主研發(fā)的計算模型，經(jīng)過多次試驗提高驗證精度，在齒條校直性能上和MAE基本類似，設備價格比MAE低很多，國內多家主機廠采用該設備來校直齒條。

2 R-EPS-DP 齒條結構和制齒工藝

R-EPS-DP齒條,有兩段齒，又稱雙齒齒條，其結構如圖8所示。

圖8 R-EPS-DP雙齒齒條結構

與C-EPS齒條相比，該齒條左右各有一段齒，與齒輪嚙合傳動。對于左側駕駛的乘用車，左端齒和驅動齒輪嚙合，驅動齒輪的力和方向是通過駕駛員轉動方向盤轉動轉向管柱，通過轉向系統(tǒng)上的轉向連桿、萬向節(jié)和輸入軸輸入，右端齒通過ECU和數(shù)據(jù)線及伺服電機帶動的助力齒輪轉動實現(xiàn)同步的助力移動。R-EPS-DP齒泵可以比C-EPS承受更大的載荷力。

雙齒齒條的制造難點是第二段齒的加工，為保證兩段齒圓周方向的角度在一定公差范圍內，通常在±24′內，考慮到齒條材料在制齒、熱處理過程中會變形，通常將制齒工序控制在±8 min內。

目前,第二段齒有拉齒工藝和銑齒工藝兩種加工方法。

(1)拉齒工藝。在一套組合拉齒機上先拉第一段齒，然后機械手抓緊工件，旋轉一定角度插入第二段拉齒夾具內夾緊，拉第二段齒，保證兩段齒圓周方向的角度在一定范圍內。該工藝效率高，一致性好，適合大批量生產，如博世華域轉向系統(tǒng)有限公司采用該方式大批量生產多種R-EPS-DP雙齒齒條。

(2)銑齒工藝。齒條左端在第一臺銑齒機完成后上第二臺銑齒設備，設備C的數(shù)控軸夾緊工件的左端并旋轉，測量頭前進測量已加工好的左端齒面，設備C的數(shù)控軸再旋轉一定角度， 銑齒夾具夾緊齒條右端后開始銑右端齒，最終完成兩段齒的加工，保證兩段齒條的周向角度一致。設備柔性強，投資比拉齒低，但效率也低，非常適合中小批量的生產模式。

通常R-EPS-DP雙齒齒條需經(jīng)過整體感應淬火和回火，以完成齒條的淬硬熱處理。

3 R-EPS-BD滾珠絲桿齒條

R-EPS-BD滾珠絲桿齒條結構如圖9所示。該齒條左端是齒，與轉向齒輪嚙合；右端是絲桿，與電機皮帶驅動的螺套配合，實現(xiàn)電動助力傳動。右端的絲桿，要求高，加工量大，加工工藝是個難點，通常有以下3種工藝。

(1)齒條左端制齒后，整體淬火桿部和齒部，強力磨削絲桿。該工藝特點是磨削絲桿尺寸精度高，對原材料要求比較低，但對設備要求比較高。

(2)齒條左端制齒后，通過強力滾壓工序制絲桿。特點是工序簡單，但對原材料及強力滾壓設備要求比較高，否則會影響絲桿的尺寸。

(3)集合以上2種工序，齒條左端制齒后，通過強力滾壓工序制絲桿，預留磨削余量，再對齒條整體感應淬火回火，校直后用絲桿磨床強力磨削絲桿。該方法磨削余量少，效率高，砂輪磨損少，但缺點是設備投資總額大，工序長。

圖9 R-EPS-BD滾珠絲桿齒條結構

R-EPS-BD轉向機對內部零部件尺寸要求高，整體設計難度大，目前在國內基本由博世華域轉向系統(tǒng)、捷太格特、ZFTRW、耐世特汽車系統(tǒng)(蘇州)有限公司等壟斷生產并供應，值得一提的是國內民族品牌杭州世寶汽車方向機有限公司正在嘗試研發(fā)該類型轉向機。

4 智能自動化生產

工業(yè)4.0時代, 智能自動化生產是主流，OP60～OP100的多道工序，通過自動上下料系統(tǒng)可以實現(xiàn)工件自動上下料，工件自動從一臺設備轉移到另一臺設備，在探傷工序時需要工人磁粉目視探傷檢測，其余過程都可以通過機械手、工業(yè)機器人、感應器、傳動裝置來實現(xiàn)自動化生產，降低工人勞動強度。目前上海北特科技股份有限公司、東莞恩斯克(NSK)轉向器有限公司、捷太格特轉向系統(tǒng)(廈門)有限公司等多家公司擁有以上齒條生產線 ，且生產線運行良好。

5 結束語

主要介紹了多種電動助力轉向器內齒條的主要結構和生產工藝。介紹了國外最新的VGR齒條制齒工藝、R-EPS-DP及 R-EPS-BD齒條的關鍵工藝。為汽車轉向機內齒條的生產工藝及規(guī)劃提供一定的參考。