齿轮齿条动力转向器异响的五大成因浅析
刘大勇
一汽海马汽车有限公司产品开发部
摘 要：本文分析齿轮齿条动力转向器中的齿轮轴、齿条、齿条支撑座、内拉杆、阀套、衬套等的设计、加工及装
配方面的缺陷与转向器异响之间的关系。
关键词：齿轮齿条 动力转向器 异响 前言
在轿车使用中，异响是一种比较常见的故障。齿轮齿条动力转向器的异响会传进驾驶员耳朵引起不适，而不同起因的异响表明齿轮齿条动力转向器内部的零件在设计、加工、装配过程中可能存在缺陷。
齿轮齿条动力转向器的基本工作原理：如图1所示，转向时，驾驶员施加在转向盘上的
力矩通过转向管柱中的转向轴传递给齿轮齿条动力转向器的输入轴，输入轴中的扭杆变形后控制转阀的开启，转阀控制液压油推动固定在齿条上的活塞带动齿条直线移动，齿条左端支承在齿轮轴和齿条支撑座之间的配合部，齿条右端支承在油缸右端的限位套内的塑料衬套孔内，油缸两端由油封密封，齿条推动内拉杆，
实现车轮绕主销相应旋转，从而转向。
图1 齿轮齿条动力转向系统工作简图 下面对齿轮齿条动力转向器工作中出现异响进行分类分析：
第一类：由齿条背面加工粗糙度过大引起的转向器异响。
故障现象：总装下线的个别车，反映车辆在行驶过程中，左右打方向从底盘部位传来异响。经过观察与分析：发现车辆在直行状态下，没有异响，在往同一方向打方向时，也没有异常。但在低中速度下，左右晃动方向盘，会传
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来“哒哒”的响声。在更换转向器后，该响声消失。故判定为转向器异响。
将转向器加载后在试验台上模拟，发现转向器的异响声确实存在，而产生异响的部位位于齿轮轴、齿条与齿条支撑座的配合部位。解剖零件测量（见图2），发现产生异响的齿条背面（以下简称齿背）的粗糙度比没有异响的齿背的粗糙度大。发生异响的转向器齿条齿背的粗糙度基本上都在Rz8左右，将其齿条更换为
齿背粗糙度在Rz4以下的齿条则转向器不再有异响。分析当齿背的粗糙度达到Rz8左右，齿背对齿条支撑座的摩擦力增大，引起部分配合不良的齿条支撑座在壳体内晃动撞击产生异
响。整改措施：供应商在后续转向器生产中将齿背的粗糙度全部控制在Rz4以下，转向器装
车后不再发生此类异响。
图2 阀体剖面
第二类：由内拉杆球头启动力矩过大引起的转向器异响。
故障现象：总装下线的个别车行驶在试车跑道的比利时石块路面时，有异响从车底部传来。在更换转向器后，该声音消失，故判定为转向器异响。
将拆换下来的转向器和正常的转向器进行比较，发现拆换下来的转向器的内拉杆球头与球座的配合比较紧，内拉杆可以一直保持与齿条在同一水平线上，不因自重产生的力矩而下垂；而没有异响的转向器其内拉杆会因为承受不起自重产生的力矩而下垂，无法与齿条保持在同一水平线上（见图3）。这表明有异响的转向器相对于没有异响的转向器的内拉杆球头的
启动力矩较大。
对有异响的转向器更换下来的6根内拉杆球头的启动力矩进行检测，测量数据均在7~10N·m 之间，而标准要求启动力矩为9N ·m 以下。该批内拉杆球头的启动力矩虽然基本在标准范围内但偏上限。经分析并非内拉杆本身会异响，而是随着车辆在石块路面颠簸，内拉杆球头过大的启动力矩不能及时消解路面通过车轮传递过来的力，从而给转向器内部的零件如齿条、齿轮轴等以周期性的冲击，引起转向器异响。整改措施：因为标准也是一个经验的积累，供应商在后续转向器生产中根据实际情况将转向器的内拉杆球头的启动力矩控制在6N ·m 以下。
转向器装车后不再发生此类异响。
图3内拉杆简图
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第三类：由齿轮齿条啮合间隙过大引起的转向器异响。
故障现象：总装下线的个别车，反映车辆在行驶过程中，左右打方向从底盘部位传来异响。
齿轮齿条间隙是指齿轮齿条之间最大能达到的距离，其实质是齿条支撑座底部与调整螺塞顶部的距离（见图4）。如果没有外力推动齿条远离齿轮，在弹簧力作用下，齿条与齿轮是啮合在一起的。
经过往里旋转转向器调整螺塞减少齿轮齿条啮合间隙，发现异响声变轻微。拆车后测量发现：产生异响的转向器的齿轮齿条啮合间隙
均在0.13mm 左右。经过试验确认将齿轮齿条啮合间隙控制在0.08mm 以内则不产生异响。如果同时将齿条支撑座的支撑弹簧的弹簧刚度适当加大，齿轮齿条啮合间隙超过0.08mm 也不会出现异响。整改方案：将齿轮齿条啮合间隙控制在0.08mm 以内，同时将齿条支撑座支撑弹簧的刚度适当加大。注意控制齿条滑移力不大于280N，以免超过标准要求，引起转向过重和转向回正慢。整改后，转向器装车不再发生此类异响。
图4 齿轮齿条间隙示意图
第四类：由阀套间隙引起的转向器异响。 故障现象：在驻车状态小幅低频转向换向时发出清脆“咔嗒”声。响声清晰可辨，方向盘及驾驶员脚部位置无震动感；在低速直行时小幅低频转向换向时发出清脆“咔嗒”声，响声清晰可辨，方向盘及驾驶员脚部位置无震动感；在比利时石块路面低速直行时发出连续清脆“咔嗒”声，响声清晰可辨，方向盘及驾驶员脚部位置无震动感。该车在直线高速行驶小幅转向时无异常噪音。
分析过程：首先排除由装配不良引起转向器异响。将所有联接件重新松开后再紧固，发现现象没有消除。其次排除由于转向器齿轮齿
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条啮合间隙过大引起转向器异响。转向器齿轮齿条啮合间隙约缩小0.04mm。试车后“咔嗒”声清脆噪音没有消除，但转向已经略微沉重。继续将调整螺塞旋进约10度，试车后“咔嗒”声清脆噪音依旧，但转向较上次沉重，同时转向已经不能平顺地回正。排除因齿轮齿条啮合间隙过大而导致异响的因素。
将发生异响的7台转向器解体，发现了一个共同的现象：阀套基准槽与小齿轮轴的定位销之间配合略松。阀套基准槽宽要求：3.602～3.610mm，而拆下的阀套基准槽宽均超过了该数值，导致手动旋转阀总成时，有明显“咔嗒”声。而正常状态下，阀套基准槽与小齿轮轴的
定位销之间配合应该是紧配合，手动旋转阀总成时，晃不动。所以，就是该阀套与小齿轮轴的定位销之间的撞击声引起了转向器异响。而查找原因是：在加工基准槽时，阀套在夹具上
有微小位移，导致基准槽切削过多，供应商加强阀套基准槽加工的精度控制，并在转向器阀总成分装工位增加手动旋转阀总成的测试项目，在后续供应中，不再出现此类异响。
图5 阀总成装配示意图
第五类：由塑料衬套间隙引起的转向器异响。
故障现象：总装下线的个别车，反映车辆行驶在试车跑道比利时石块路面时，有异响从车底部传来。在更换转向器后，该声音消失。故判定为转向器异响。
如图6，经过拆解零件分析：齿条左端支
承在齿轮轴和齿条支撑座之间的部位，齿条右端支承在油缸右端的限位套内的塑料衬套孔内，部分衬套内径偏大，引起齿条右端当车行驶在比利时石块路面时在衬套内振动，从而产生异响。整改措施：供应商严格按图纸控制衬套内径的尺寸精度，后续装车中，转向器不再出现此类异响。
图6 油缸剖面
作者简介：刘大勇，工程师，通过中国机械工程学会机械工程师认证，系中国汽车工程学会转向技术分会委员、
海南机械工程学会会员。发表论文数篇，有的论文获2007年中国汽车工程学会转向技术分会成立暨学术交流大会三等奖。现在一汽海马汽车有限公司产品开发部底盘室工作，主要负责汽车转向系统研发。
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齿轮齿条动力转向器异响的五大成因浅析
刘大勇
一汽海马汽车有限公司产品开发部
摘 要：本文分析齿轮齿条动力转向器中的齿轮轴、齿条、齿条支撑座、内拉杆、阀套、衬套等的设计、加工及装
配方面的缺陷与转向器异响之间的关系。
关键词：齿轮齿条 动力转向器 异响 前言
在轿车使用中，异响是一种比较常见的故障。齿轮齿条动力转向器的异响会传进驾驶员耳朵引起不适，而不同起因的异响表明齿轮齿条动力转向器内部的零件在设计、加工、装配过程中可能存在缺陷。
齿轮齿条动力转向器的基本工作原理：如图1所示，转向时，驾驶员施加在转向盘上的
力矩通过转向管柱中的转向轴传递给齿轮齿条动力转向器的输入轴，输入轴中的扭杆变形后控制转阀的开启，转阀控制液压油推动固定在齿条上的活塞带动齿条直线移动，齿条左端支承在齿轮轴和齿条支撑座之间的配合部，齿条右端支承在油缸右端的限位套内的塑料衬套孔内，油缸两端由油封密封，齿条推动内拉杆，
实现车轮绕主销相应旋转，从而转向。
图1 齿轮齿条动力转向系统工作简图 下面对齿轮齿条动力转向器工作中出现异响进行分类分析：
第一类：由齿条背面加工粗糙度过大引起的转向器异响。
故障现象：总装下线的个别车，反映车辆在行驶过程中，左右打方向从底盘部位传来异响。经过观察与分析：发现车辆在直行状态下，没有异响，在往同一方向打方向时，也没有异常。但在低中速度下，左右晃动方向盘，会传
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来“哒哒”的响声。在更换转向器后，该响声消失。故判定为转向器异响。
将转向器加载后在试验台上模拟，发现转向器的异响声确实存在，而产生异响的部位位于齿轮轴、齿条与齿条支撑座的配合部位。解剖零件测量（见图2），发现产生异响的齿条背面（以下简称齿背）的粗糙度比没有异响的齿背的粗糙度大。发生异响的转向器齿条齿背的粗糙度基本上都在Rz8左右，将其齿条更换为
齿背粗糙度在Rz4以下的齿条则转向器不再有异响。分析当齿背的粗糙度达到Rz8左右，齿背对齿条支撑座的摩擦力增大，引起部分配合不良的齿条支撑座在壳体内晃动撞击产生异
响。整改措施：供应商在后续转向器生产中将齿背的粗糙度全部控制在Rz4以下，转向器装
车后不再发生此类异响。
图2 阀体剖面
第二类：由内拉杆球头启动力矩过大引起的转向器异响。
故障现象：总装下线的个别车行驶在试车跑道的比利时石块路面时，有异响从车底部传来。在更换转向器后，该声音消失，故判定为转向器异响。
将拆换下来的转向器和正常的转向器进行比较，发现拆换下来的转向器的内拉杆球头与球座的配合比较紧，内拉杆可以一直保持与齿条在同一水平线上，不因自重产生的力矩而下垂；而没有异响的转向器其内拉杆会因为承受不起自重产生的力矩而下垂，无法与齿条保持在同一水平线上（见图3）。这表明有异响的转向器相对于没有异响的转向器的内拉杆球头的
启动力矩较大。
对有异响的转向器更换下来的6根内拉杆球头的启动力矩进行检测，测量数据均在7~10N·m 之间，而标准要求启动力矩为9N ·m 以下。该批内拉杆球头的启动力矩虽然基本在标准范围内但偏上限。经分析并非内拉杆本身会异响，而是随着车辆在石块路面颠簸，内拉杆球头过大的启动力矩不能及时消解路面通过车轮传递过来的力，从而给转向器内部的零件如齿条、齿轮轴等以周期性的冲击，引起转向器异响。整改措施：因为标准也是一个经验的积累，供应商在后续转向器生产中根据实际情况将转向器的内拉杆球头的启动力矩控制在6N ·m 以下。
转向器装车后不再发生此类异响。
图3内拉杆简图
218
第三类：由齿轮齿条啮合间隙过大引起的转向器异响。
故障现象：总装下线的个别车，反映车辆在行驶过程中，左右打方向从底盘部位传来异响。
齿轮齿条间隙是指齿轮齿条之间最大能达到的距离，其实质是齿条支撑座底部与调整螺塞顶部的距离（见图4）。如果没有外力推动齿条远离齿轮，在弹簧力作用下，齿条与齿轮是啮合在一起的。
经过往里旋转转向器调整螺塞减少齿轮齿条啮合间隙，发现异响声变轻微。拆车后测量发现：产生异响的转向器的齿轮齿条啮合间隙
均在0.13mm 左右。经过试验确认将齿轮齿条啮合间隙控制在0.08mm 以内则不产生异响。如果同时将齿条支撑座的支撑弹簧的弹簧刚度适当加大，齿轮齿条啮合间隙超过0.08mm 也不会出现异响。整改方案：将齿轮齿条啮合间隙控制在0.08mm 以内，同时将齿条支撑座支撑弹簧的刚度适当加大。注意控制齿条滑移力不大于280N，以免超过标准要求，引起转向过重和转向回正慢。整改后，转向器装车不再发生此类异响。
图4 齿轮齿条间隙示意图
第四类：由阀套间隙引起的转向器异响。 故障现象：在驻车状态小幅低频转向换向时发出清脆“咔嗒”声。响声清晰可辨，方向盘及驾驶员脚部位置无震动感；在低速直行时小幅低频转向换向时发出清脆“咔嗒”声，响声清晰可辨，方向盘及驾驶员脚部位置无震动感；在比利时石块路面低速直行时发出连续清脆“咔嗒”声，响声清晰可辨，方向盘及驾驶员脚部位置无震动感。该车在直线高速行驶小幅转向时无异常噪音。
分析过程：首先排除由装配不良引起转向器异响。将所有联接件重新松开后再紧固，发现现象没有消除。其次排除由于转向器齿轮齿
219
条啮合间隙过大引起转向器异响。转向器齿轮齿条啮合间隙约缩小0.04mm。试车后“咔嗒”声清脆噪音没有消除，但转向已经略微沉重。继续将调整螺塞旋进约10度，试车后“咔嗒”声清脆噪音依旧，但转向较上次沉重，同时转向已经不能平顺地回正。排除因齿轮齿条啮合间隙过大而导致异响的因素。
将发生异响的7台转向器解体，发现了一个共同的现象：阀套基准槽与小齿轮轴的定位销之间配合略松。阀套基准槽宽要求：3.602～3.610mm，而拆下的阀套基准槽宽均超过了该数值，导致手动旋转阀总成时，有明显“咔嗒”声。而正常状态下，阀套基准槽与小齿轮轴的
定位销之间配合应该是紧配合，手动旋转阀总成时，晃不动。所以，就是该阀套与小齿轮轴的定位销之间的撞击声引起了转向器异响。而查找原因是：在加工基准槽时，阀套在夹具上
有微小位移，导致基准槽切削过多，供应商加强阀套基准槽加工的精度控制，并在转向器阀总成分装工位增加手动旋转阀总成的测试项目，在后续供应中，不再出现此类异响。
图5 阀总成装配示意图
第五类：由塑料衬套间隙引起的转向器异响。
故障现象：总装下线的个别车，反映车辆行驶在试车跑道比利时石块路面时，有异响从车底部传来。在更换转向器后，该声音消失。故判定为转向器异响。
如图6，经过拆解零件分析：齿条左端支
承在齿轮轴和齿条支撑座之间的部位，齿条右端支承在油缸右端的限位套内的塑料衬套孔内，部分衬套内径偏大，引起齿条右端当车行驶在比利时石块路面时在衬套内振动，从而产生异响。整改措施：供应商严格按图纸控制衬套内径的尺寸精度，后续装车中，转向器不再出现此类异响。
图6 油缸剖面
作者简介：刘大勇，工程师，通过中国机械工程学会机械工程师认证，系中国汽车工程学会转向技术分会委员、
海南机械工程学会会员。发表论文数篇，有的论文获2007年中国汽车工程学会转向技术分会成立暨学术交流大会三等奖。现在一汽海马汽车有限公司产品开发部底盘室工作，主要负责汽车转向系统研发。
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