改善轉向系統以實現更低的NVH

SAE International - 國際自動機工程師學會

位於聖戈班的系統分析團隊展示了一個小小的零部件如何深刻地影響了轉向系統甚至整車質量。

電動汽車的出現，使得人們對座艙內雜訊的容忍度越來越低，因此轉向節軸承的設計顯得更為重要。（圖片來源：特斯拉）

近年來，由於對汽車雜訊的相關法規越來越嚴格，發動機的雜訊已經顯著降低。隨著電動汽車、混合動力汽車、現代靜音內燃機車和啟停系統的發展，這一趨勢又進一步加強。較大的雜訊會導致駕乘人員壓力增大等負面影響，因此目前的發展趨勢對道路環境的整體影響是積極的。對於希望享受安靜環境的駕駛員而言，這也是個好消息。但是，隨著動力系統變得越來越安靜，一個新問題也逐漸突顯出來：原本輕微的雜訊（如震動和摩擦造成的聲音）現在變得更加明顯了。

不斷改善的路況，以及輪胎和懸掛技術的進步，讓駕駛體驗變得更加平順，這也意味著原本對駕駛舒適度產生輕微影響的汽車系統問題現在變得更加明顯了。為打造高質量品牌形象，汽車製造商對零部件的要求越發嚴格，希望供應商提供質量過硬的產品。

正如《汽車工程》雜誌的讀者所知，只有充分了解顧客需求的工程師，才能制定出有效的解決方案。正因如此，在評估轉向系統時，聖戈班的工程師開展了充分詳細的測試調查，進而發現了轉向系統的雜訊和轉向感是影響駕駛質量的兩個關鍵因素。而這類問題的解決方案往往是系統性的，並非僅僅改善一個部件就能解決。

如上圖所示，轉向節軸承（又稱轉向齒條導向軸承）在轉向系統中具有關鍵作用。轉向節軸承的功能是確保齒條和小齒輪齒之間保持嚙合狀態，因為一旦齒輪脫離，整個轉向系統就會失靈。為了將轉向節軸承壓緊在轉向齒條上，需要使用一個300牛彈力的彈簧。詳見：https://www.bearings.saint-gobain.com/your-industry/automotive/chassis/steering-yoke-guide-bearing)

施加在轉向節上的力會在齒條上產生摩擦，直接影響「轉向感」。因此必須確保轉向節軸承的滑動層的設計質量。轉向節軸承通常由一枚聚四氟乙烯（PTFE）板和金屬襯墊構成，其特定的形狀能夠使軸承滑動面和轉向齒條之間產生線型接觸，這會對滑動面產生較高的壓力，加劇磨損。

隨著材料不斷磨損，齒條和小齒輪之間會產生間隙，造成異常的齒輪撞擊聲。

根據顧客需求和規範定製的轉向節軸承能夠在整個汽車壽命內更好地維持性能。上圖 展示了兩個不同形狀的轉向節軸承所受壓力的有限元分析（FEA），其中一個軸承和齒條的貼合度差，產生線型接觸，而另一個貼合度更好，因此接觸面也更大。

接觸面更多的轉向節承受的壓力更小，磨損減輕，整個轉向系統的異響也隨之減少。

高磨損率還會導致另外一個問題——摩擦力會隨著時間推移不斷增加。分析表明，由燒結青銅和PTFE共同製成的軸承的PTFE層往往較薄，磨損後青銅基體和轉向齒條直接接觸，增加了轉向摩擦力。

而接觸面更多的軸承具有較低的磨損率，能夠保護金屬基體免於暴露。圖3比較了一款燒結青銅PTFE軸承和兩款Norglide轉向節軸承的摩擦力和靜動壓值耐久性測試結果，前者為線型接觸，後者的接觸面更大。

在整個產品壽命內，燒結青銅PTFE軸承的摩擦力快速增加，而Norglide軸承的摩擦力和靜動壓值始終穩定。

通過緊密合作，工程師們為客戶定製系統解決方案，並憑藉充分的測試，提升了客戶對所購零部件的信心。

作者：Dr. Alfred Lethbridge

來源：SAE《汽車工程》雜誌

翻譯：SAE中國辦公室

作者簡介：Lethbridge博士是在英國布里斯托工作的聖戈班NVH工程師，負責Norglide軸承和Rencol精密定位圈，曾在埃克塞特大學主修共振系統的光波和振蕩，擁有埃克塞特大學物理學博士學位。

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