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改善转向系统以实现更低的NVH

位于圣戈班的系统分析团队展示了一个小小的零部件如何深刻地影响了转向系统甚至整车质量。

电动汽车的出现,使得人们对座舱内噪声的容忍度越来越低,因此转向节轴承的设计显得更为重要。(图片来源:特斯拉)

近年来,由于对汽车噪声的相关法规越来越严格,发动机的噪声已经显著降低。随着电动汽车、混合动力汽车、现代静音内燃机车和启停系统的发展,这一趋势又进一步加强。较大的噪声会导致驾乘人员压力增大等负面影响,因此目前的发展趋势对道路环境的整体影响是积极的。对于希望享受安静环境的驾驶员而言,这也是个好消息。但是,随着动力系统变得越来越安静,一个新问题也逐渐突显出来:原本轻微的噪声(如震动和摩擦造成的声音)现在变得更加明显了。

不断改善的路况,以及轮胎和悬挂技术的进步,让驾驶体验变得更加平顺,这也意味着原本对驾驶舒适度产生轻微影响的汽车系统问题现在变得更加明显了。为打造高质量品牌形象,汽车制造商对零部件的要求越发严格,希望供应商提供质量过硬的产品。

正如《汽车工程》杂志的读者所知,只有充分了解顾客需求的工程师,才能制定出有效的解决方案。正因如此,在评估转向系统时,圣戈班的工程师开展了充分详细的测试调查,进而发现了转向系统的噪声和转向感是影响驾驶质量的两个关键因素。而这类问题的解决方案往往是系统性的,并非仅仅改善一个部件就能解决。

如上图所示,转向节轴承(又称转向齿条导向轴承)在转向系统中具有关键作用。转向节轴承的功能是确保齿条和小齿轮齿之间保持啮合状态,因为一旦齿轮脱离,整个转向系统就会失灵。为了将转向节轴承压紧在转向齿条上,需要使用一个300牛弹力的弹簧。详见:https://www.bearings.saint-gobain.com/your-industry/automotive/chassis/steering-yoke-guide-bearing)

施加在转向节上的力会在齿条上产生摩擦,直接影响“转向感”。因此必须确保转向节轴承的滑动层的设计质量。转向节轴承通常由一枚聚四氟乙烯(PTFE)板和金属衬垫构成,其特定的形状能够使轴承滑动面和转向齿条之间产生线型接触,这会对滑动面产生较高的压力,加剧磨损。

随着材料不断磨损,齿条和小齿轮之间会产生间隙,造成异常的齿轮撞击声。

根据顾客需求和规范定制的转向节轴承能够在整个汽车寿命内更好地维持性能。上图 展示了两个不同形状的转向节轴承所受压力的有限元分析(FEA),其中一个轴承和齿条的贴合度差,产生线型接触,而另一个贴合度更好,因此接触面也更大。

接触面更多的转向节承受的压力更小,磨损减轻,整个转向系统的异响也随之减少。

高磨损率还会导致另外一个问题——摩擦力会随着时间推移不断增加。分析表明,由烧结青铜和PTFE共同制成的轴承的PTFE层往往较薄,磨损后青铜基体和转向齿条直接接触,增加了转向摩擦力。

而接触面更多的轴承具有较低的磨损率,能够保护金属基体免于暴露。图3比较了一款烧结青铜PTFE轴承和两款Norglide转向节轴承的摩擦力和静动压值耐久性测试结果,前者为线型接触,后者的接触面更大。

在整个产品寿命内,烧结青铜PTFE轴承的摩擦力快速增加,而Norglide轴承的摩擦力和静动压值始终稳定。

通过紧密合作,工程师们为客户定制系统解决方案,并凭借充分的测试,提升了客户对所购零部件的信心。

作者:Dr. Alfred Lethbridge

来源:SAE《汽车工程》杂志

翻译:SAE中国办公室

作者简介:Lethbridge博士是在英国布里斯托工作的圣戈班NVH工程师,负责Norglide轴承和Rencol精密定位圈,曾在埃克塞特大学主修共振系统的光波和振荡,拥有埃克塞特大学物理学博士学位。

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