陸承佳

上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200030

0 引言

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是通過對左、右轉(zhuǎn)向車輪不同角度之間的合理匹配，進而確保汽車能夠沿預(yù)定軌跡運動的機構(gòu)[1]。這套系統(tǒng)可以改變和恢復(fù)汽車的行駛方向，并向駕駛者提供合適的手感反饋。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到汽車行駛過程的安全性，因此如何保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定便成為研發(fā)設(shè)計階段的重中之重。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)和轉(zhuǎn)向器3個部分組成[2]。本文主要針對某型汽車轉(zhuǎn)向器上用以和整車配合的橡膠襯套展開分析，研究它們對質(zhì)量產(chǎn)生的影響，進而為其他類似轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)提供一些借鑒。

1 質(zhì)量問題概述

本文研究的電動轉(zhuǎn)向器三維模型如圖1所示。

圖1 電動轉(zhuǎn)向器三維模型

圖中的轉(zhuǎn)向器上端的輸入軸與轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)相連，先將駕駛員對方向盤的轉(zhuǎn)動傳遞給齒條，并通過扭矩和角度傳感器轉(zhuǎn)化為電信號；控制單元接收到電信號后，再驅(qū)動電機向齒條提供助力；最后，兩端的外球頭與轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)連接，將齒條沿殼體平移的運動轉(zhuǎn)換為左右車輪的擺動，進而控制汽車的行駛方向。而轉(zhuǎn)向器本身主要通過圖1圓圈處的兩個安裝孔固定在整車上。

每側(cè)殼體安裝孔分別裝有上下兩個橡膠襯套，用以緩解汽車行駛過程中受到的路面沖擊，從而減少對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的損傷并提高司機的駕駛體驗。然而，使用橡膠襯套的設(shè)計方案也導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器整體出現(xiàn)了以下兩個主要的質(zhì)量問題：

(1)殼體壓裝橡膠襯套工序后，橡膠襯套翻邊與殼體安裝孔邊緣之間存在較大間隙，裝配尺寸出現(xiàn)嚴(yán)重超差；

(2)橡膠襯套導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器整體固有頻率下降，從而提高了系統(tǒng)發(fā)生共振、因碰撞造成損傷的風(fēng)險。

下面將分別具體介紹這些質(zhì)量問題是如何在產(chǎn)品開發(fā)過程中得到解決的。

2 裝配尺寸控制

橡膠襯套結(jié)構(gòu)內(nèi)部(與整車配合部分)為金屬材料，而外部(與轉(zhuǎn)向器殼體接觸部分)為橡膠材料。上下橡膠襯套壓裝完成后在殼體孔中的理想狀態(tài)如圖2所示。

圖2 上下橡膠襯套壓裝完成后在殼體孔中的理想狀態(tài)

設(shè)計人員希望在壓裝工序之后，雙橡膠襯套的金屬部分能在殼體孔內(nèi)相互接觸，同時橡膠翻邊與安裝孔邊緣之間無間隙。但在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，過程能力嚴(yán)重不足，大量產(chǎn)線裝配的樣件間隙超過1 mm，難以滿足圖紙所述的尺寸公差要求。

2.1 理論計算

當(dāng)殼體安裝孔兩側(cè)都壓裝上橡膠襯套后，其剖面如圖3所示。

圖3 殼體安裝孔剖面

圖3中，尺寸A代表橡膠襯套的翻邊原始高度，B代表橡膠襯套的長度，C代表殼體安裝孔的高度，同時設(shè)K為橡膠的壓縮量(當(dāng)K為負(fù)時則表示存在間隙)。因為在理想狀態(tài)下，兩橡膠襯套相接觸，所以此時可得如下關(guān)系式：

(1)

基于上述公式以及尺寸A、B、C圖紙中的設(shè)計值，可求得K的理論值,K的計算結(jié)果見表1。

表1 K的計算結(jié)果 單位:mm

由表1的計算結(jié)果顯示會有部分極限狀態(tài)產(chǎn)品的橡膠襯套翻邊和殼體安裝孔邊緣間存在少量間隙，但實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的間隙遠大于理論值，并且問題件的數(shù)量也遠超質(zhì)量管理可接受的范圍(Cp<0.67，過程能力為四級)。

2.2 尺寸超差原因分析

觀察生產(chǎn)線實際裝配過程發(fā)現(xiàn)，壓裝工序采取上下橡膠襯套對壓的方式，當(dāng)壓機控制界面顯示壓入力達到1 600～1 800 N時，兩襯套翻邊與安裝孔上下邊緣間便已無間隙，但當(dāng)壓機松開、殼體被靜置一段時間后，間隙開始出現(xiàn)并逐漸擴大直至達到1 mm以上。

由此可知，生產(chǎn)線設(shè)備本身的能力足以將襯套壓入安裝孔并令翻邊和殼體接觸。然而，橡膠材料高彈性的特點導(dǎo)致襯套在失去作用力后產(chǎn)生回彈。具體而言，在設(shè)計中橡膠襯套的外徑略大于殼體孔內(nèi)徑，從而依靠橡膠材料受擠壓后和孔側(cè)壁間的摩擦力確保襯套壓裝后不會輕易脫落。但由于最大靜摩擦力大于襯套軸向的橡膠拉伸力，因此盡管生產(chǎn)線設(shè)備能將兩襯套壓至相互接觸的理想狀態(tài)，但一旦施加力消失，橡膠積蓄的彈性勢能便會被釋放，讓襯套整體發(fā)生回移。此外，在實際生產(chǎn)中，尤其是當(dāng)上下兩襯套同時對壓時，因為難以保證各個方向上的橡膠都被均勻擠壓，所以可能會在局部位置造成更大的回彈力，使形位公差(如垂直度和平行度)也臨近標(biāo)準(zhǔn)邊界，進一步增加了壓裝工序的難度。

綜上所述，造成裝配尺寸超差的根本原因在于5M1E(人、機、料、法、環(huán)、測)中的“料”和“法”上，后續(xù)將主要針對這兩個因素采取改進措施。

2.3 裝配尺寸改進措施

根據(jù)前文分析所得的原因，分別嘗試了以下幾種方式用以改善裝配尺寸：

(1)增加設(shè)備壓入力。當(dāng)施加力達到1 600～1 800 N時，上下襯套便已相互接觸，即使繼續(xù)增加力，產(chǎn)生的位移量也極其微小，并且提高了壓機和零件損壞的風(fēng)險。

(2)壓裝到位后維持一段時間施加力。測試效果并不明顯，設(shè)備松開并經(jīng)過短暫靜置后，橡膠襯套依然出現(xiàn)了回彈。

(3)逐個壓裝形式取代同時壓裝兩橡膠襯套。這種措施確實有利于保證襯套與安裝孔軸線重合，使橡膠在各個方向上受到的擠壓更加均勻，進而優(yōu)化垂直度和平行度，令壓裝過程更為順利，但同時也會極大增加生產(chǎn)節(jié)拍。

(4)壓裝過程中擺動殼體釋放橡膠的拉伸力。實際在設(shè)計驗證階段，開軟膜手工裝配樣件時，便是采取這種措施消除了橡膠因摩擦力而產(chǎn)生的軸向形變，從而減少了產(chǎn)品靜置一段時間后襯套的回彈。但在生產(chǎn)驗證和批量生產(chǎn)階段，這一操作并不被工藝流程所允許，可能嚴(yán)重影響生產(chǎn)線裝配效率和安全性。

(5)涂抹油脂、潤滑劑或滑石粉降低橡膠與安裝孔內(nèi)壁間的摩擦力。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)公司內(nèi)部生產(chǎn)線禁止涂抹此類物質(zhì)，因此只能選擇在殼體供應(yīng)商處壓裝橡膠襯套。此外，為了確保橡膠材料不會被腐蝕，同時交付的殼體與襯套總成件上無明顯的殘留物，供應(yīng)商壓裝時還需考察涂抹物質(zhì)的腐蝕性和揮發(fā)性。

2.4 新工藝的實施效果

綜合考慮并測試了上述的改進措施后，最終決定采用在殼體供應(yīng)商處涂抹潤滑物質(zhì)并壓裝橡膠襯套的方案，其裝配效果如圖4所示。

圖4 涂抹潤滑物質(zhì)后的裝配效果

盡管在殼體完成壓裝靜置一段時間并經(jīng)過物流運輸后，橡膠襯套仍發(fā)生了回彈，但出現(xiàn)的間隙已明顯小于改進前的狀態(tài)，上下襯套末端面之間的距離實測值見表2。

表2 上下襯套末端面之間的距離實測值 單位:mm

采取措施后的裝配尺寸極限值分別能達到48.6 mm和47.4 mm，可見新工藝確實有效改善了尺寸超差問題。然而如前文所述，因為理想狀態(tài)壓裝后的尺寸為兩橡膠襯套的長度之和，即(45.8±0.3)mm，所以實際值相比理論值仍有一定差距。

經(jīng)過研發(fā)、質(zhì)保、工藝等部門的評估確認(rèn)，轉(zhuǎn)向器交付時橡膠襯套翻邊與殼體安裝孔間存在少量間隙(單側(cè)小于1 mm)并不會產(chǎn)生任何質(zhì)量風(fēng)險，只需確保產(chǎn)品安裝到整車上(使用M16螺栓擰緊，施加大于200 Nm的扭矩)后無間隙即可。故而，最終決定修訂標(biāo)準(zhǔn)范圍，通過在圖紙上分別設(shè)置“交付尺寸”和“裝車尺寸”，進而更好地控制裝配尺寸。

3 振動試驗考核

為了保證轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量，在正式裝上整車前，往往需要先通過性能、強度、耐久、環(huán)境等試驗驗證。然而在驗證產(chǎn)品性能的過程中，由于本文研究的轉(zhuǎn)向器整體固有頻率過低，在進行模擬顛簸路況的振動試驗時出現(xiàn)了共振，因此在找出根本原因并解決這一問題前，只能被迫暫時終止了試驗。

3.1 試驗要求

試驗開始前，先將轉(zhuǎn)向器本體總成按實車狀態(tài)安裝在試驗臺架上，齒條位于中間位置，控制器需與模擬整車電源和CAN通信信號的設(shè)備相連，并保證試驗前沒有任何故障代碼，如圖5所示。

圖5 振動試驗臺架搭建

試驗開始后，對轉(zhuǎn)向器施加垂直方向的振動，加速度為±2.5g，頻率為15～40 Hz，如圖 6 所示。

圖6 振動試驗頻率與時間的關(guān)系

但當(dāng)振動頻率超過20 Hz之后，轉(zhuǎn)向器便已產(chǎn)生了劇烈振動；當(dāng)振動頻率增至30 Hz后，振幅便達到了峰值，如圖7所示。

圖7 振動試驗加速度與頻率的變化曲線

圖7的波峰位置即轉(zhuǎn)向器振動最為劇烈的狀態(tài)，據(jù)此可以推斷出試驗樣件的固有頻率約為32 Hz，落于試驗設(shè)置的振動頻率范圍(15～40 Hz)內(nèi)。共振的出現(xiàn)極大增加了各零部件發(fā)生損壞或斷裂的風(fēng)險，并影響裝車后的系統(tǒng)噪聲水平和用戶駕駛手感。

3.2 振動原因分析

影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動特性的因素主要包括各零部件的材料性質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu)[3]。為了解決試驗中出現(xiàn)的共振問題，分別縱向?qū)Ρ攘舜隧椖恐盃顟B(tài)的樣件結(jié)構(gòu)，以及橫向?qū)Ρ攘祟愃祈椖康漠a(chǎn)品表現(xiàn)。

首先，樣件在設(shè)計驗證階段的振動試驗中并未產(chǎn)生共振。因此，重新找出當(dāng)時的手工樣件單獨測試其固有頻率，結(jié)果約為60 Hz，確實高于掃頻范圍的上限值。其次，根據(jù)過往項目經(jīng)驗(零件距離安裝位置越近，則對總成固有頻率影響越大)，繼續(xù)對比兩個階段樣件的結(jié)構(gòu)差異，最終將懷疑點聚焦于：針對進行生產(chǎn)驗證的樣件為了提高橡膠耐久性、降低其破裂風(fēng)險，增加了襯套翻邊的厚度，同時縮短了殼體孔的高度，保持安裝位置總高不變，從而導(dǎo)致與整車配合部分剛度下降，令轉(zhuǎn)向器總成的固有頻率下降。

基于上述假設(shè)，通過對比其他項目發(fā)現(xiàn)，使用的襯套剛度越高，則轉(zhuǎn)向器的固有頻率也越高。為了進一步驗證襯套造成的影響，將當(dāng)前階段轉(zhuǎn)向器的橡膠襯套直接替換為剛性襯套，同時維持其他零部件不變，并復(fù)測其固有頻率，結(jié)果達到了91 Hz。

綜上所述，已經(jīng)可以明確轉(zhuǎn)向器共振問題產(chǎn)生的根本原因在于新結(jié)構(gòu)的橡膠襯套致使總成固有頻率過低。為了更深入地研究如何提高安裝孔位置整體剛度，對橡膠襯套進行有限元分析。襯套徑向和軸向靜剛度分析如圖8和圖9所示。

圖8 襯套徑向靜剛度分析

圖9 襯套軸向靜剛度分析

由圖8和圖9可知，橡膠襯套徑向與軸向的靜剛度分別為15 439 N/mm和2 164 N/mm。由于，徑向靜剛度遠大于軸向靜剛度，且試驗和實車產(chǎn)生的振動均為垂直方向，因此后續(xù)主要針對襯套軸向展開研究。為了驗證能否通過壓縮橡膠材料提高其剛度，又對3個襯套樣件進行了軸向靜剛度測試，壓入力與形變量關(guān)系如圖10所示。

圖10 壓入力與形變量關(guān)系

由圖10可知，當(dāng)橡膠軸向形變量小于1.5 mm時，襯套剛度基本維持在2 000 N/mm(即直線段斜率)；但當(dāng)形變量大于1.5 mm后，剛度逐漸增大。隨后，保持襯套翻邊厚度不變、但縮短2 mm總長，即增加2 mm裝車狀態(tài)下橡膠的壓縮量，再次測量轉(zhuǎn)向器固有頻率，達到86 Hz。

然而，在擰緊螺栓過程中，2 mm的壓縮量使得翻邊嚴(yán)重變形。為了降低橡膠破裂的風(fēng)險，之后決定將其形變量控制在1 mm以下，即無法再通過壓縮襯套翻邊提高安裝孔位置的整體剛度。

其次，重新分析了第2.1節(jié)所述的尺寸鏈后發(fā)現(xiàn)，不僅在極限狀態(tài)下襯套翻邊與殼體孔邊緣間可能存在間隙，在轉(zhuǎn)向器自身重力的作用下同樣可能導(dǎo)致上下襯套壓裝不均勻，造成一邊有間隙一邊無間隙的情況。而間隙對整體剛度的影響遠大于橡膠自身剛度變化，故最終選擇優(yōu)先解決間隙問題[4]。

3.3 橡膠襯套尺寸的改進措施

基于前文分析得出的結(jié)論，重新設(shè)計橡膠襯套的尺寸，優(yōu)化后的K值見表3。

表3 優(yōu)化后的K值 單位:mm

換裝該狀態(tài)襯套并確認(rèn)翻邊與殼體孔邊緣間無間隙后，再次測量轉(zhuǎn)向器固有頻率，達到51 Hz，相比生產(chǎn)驗證樣件的初始狀態(tài)增加了約20 Hz，高于振動試驗掃頻范圍的上限值。

3.4 換裝后的實施效果

將換裝了優(yōu)化后橡膠襯套的轉(zhuǎn)向器重新安裝回振動臺架，并按原定的試驗要求進行測試。經(jīng)過共計9 h(約90萬次)的振動，總成表面未出現(xiàn)斷裂，控制器亦無故障代碼，同時測試功能運行正常，并且拆解后未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部各零部件有任何損壞，最終認(rèn)可該轉(zhuǎn)向器通過了振動試驗。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文首先詳細(xì)介紹了橡膠襯套對某型汽車轉(zhuǎn)向器造成的裝配尺寸超差與振動試驗共振問題及相應(yīng)的質(zhì)量風(fēng)險，其次深入分析了導(dǎo)致問題的根本原因，再次通過不斷嘗試和多方考量提出了合適的改進措施，最終成功解決質(zhì)量問題并提高了汽車轉(zhuǎn)向器的可靠性。最后，本文將此次的質(zhì)量影響研究成果總結(jié)為“潛在失效模式及后果分析”，希望能為其他類似轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研發(fā)工作提供些許參考。