汽车转向系统的降噪要领

本文作者系圣戈班噪音与震动工程师 Alfred Lethbridge博士

由于历年来对汽车噪音的管制越来越严格，发动机的噪音显著降低。而随着电动汽车和混合动力汽车、现代静音混合燃料汽车和一键启动发动机的兴起，这种趋势已经有所增加。这对周边环境有着巨大的积极影响，较强的噪音等级也会给道路带来压力。对于想要安静驾驶的司机来说，这也是个好消息。然而，当安静的发动机中存在轻微噪音、咯吱声则会变得尤为明显。

道路条件和轮胎以及悬挂技术的改进意味着驾驶体验变得更加流畅，也意味着汽车系统对于驾驶舒适性变得更加明显。这进一步要求汽车零件具有高品质保证的品牌影响力。汽车制造商需要有信心，他们购买的零件能够兑现承诺。当工程师花时间充分理解客户面临的挑战时，他们才能提供有效的解决方案。

圣戈班的汽车降噪专家通过进行充分测试和详尽调查，结果显示，影响转向系统质量的两个重要特征分别是噪音和转向体验。

如图1所示，转向齿条轴承（又叫转向齿条导向轴承）在转向系统中具有关键作用。齿条轴承用于确保齿条与小齿轮齿之间的持续啮合。如果齿轮与齿条脱离，则整个转向系统将无法工作。齿条轴承通常受到300N的弹簧推力而依附在转向齿条上。

图 1：转向齿条的示意图，齿条轴承的滑动层用红色表示。左上方显示了齿条轴承的示例。

施加到齿条轴承上的力在转向齿条上产生摩擦力，影响转向体验。因此，必须确保齿条轴承的滑动层设计良好。通常，齿条轴承由金属衬垫层和聚四氟乙烯（PTFE）层组成。齿条轴承的形状典型设计使得齿条轴承滑动层与转向齿条之间存在线接触。这就在滑动面上产生了高压力，进而增加磨损。随着材料的不断磨损，齿条与小齿轮的齿之间产生间隙。这里的间隙可能导致“齿震”或发出嘎啦声。

根据客户个性化的需求和规格量身定制的齿条轴承更有可能在汽车的整个使用寿命期间确保高品质的产品。图2给出另一个示例，表明由两个齿条轴承形状产生轴承压力的有限元分析，其中一个形状与提供线接触的齿条的一致性较差，另一个形状与齿条的一致性较高，从而提供更多接触。具有较大接触的形状减小了压力，因而减少了零件的磨损，所以在转向系统中的震颤较小。

图 2：如图3所示，由齿条轴上施加1kN在两个齿条轴承形状的FEA压力分析：左边为线接触；右边为较大的接触。

高磨损率的另一个问题是摩擦力随着时间推移而增加。用烧结青铜和PTFE制成的轴承通常具有较薄的PTFE层，一旦磨损，青铜层会暴露于转向齿条。换言之，增加了系统的摩擦力。

而较大接触的轴承具有较低的磨损率，能够确保该结构的金属部分不暴露在外。图3显示了耐久性测试对烧结青铜和PTFE的产品的摩擦力和动静摩擦力值的影响，这种青铜和PTFE的产品均采用线接触设计，两个圣戈班NORGLIDE®齿条轴承采用较大接触的设计。烧结青铜和PTFE的轴承在零件的整个使用寿命过程中摩擦力值有明显持续增加的现象，但NORGLIDE®的解决方案保持始终如一的摩擦力和动静摩擦值。

图3：通过耐久性测试，我们可以看出磨损对性能的影响。实测（a）动摩擦力和（b）动静摩擦力检测通过：

[1] Danijela Miloradović, Jasna Glišović, Jovanka Lukić，“道路汽车噪声条例 - 趋势和未来活动”，《流动性与汽车力学》，第43卷，第1期，2017年