复合材料轴承：解决汽车转向系统NVH问题的新思路

作者：圣戈班 NORGLIDE® 轴承和 RENCOL® 定位环 NVH 工程师 Alfred Lethbridge 博士 

噪音和振动是驾驶员评估车辆质量的一个关键因素。嘎嘎声、吱吱声和振动都可能会在人的感觉上产生负面影响，因此，为了保护品牌声誉，原始设备制造商必须获得汽车内每个组件的噪音、振动和声振粗糙度 (NVH) 属性。

NVH 级别问题及其对品牌感的影响在任何方面和精准“转向感”一样重要。除非在设计阶段采取行动，否则方向盘会在汽车行驶时发生振动，嗡嗡作响，让驾驶员感到不适。

大型豪华车的制造商通常使用“转向架式电动助力转向系统”(R-EPS) 作为解决 NVH 问题和优化转向感的理想解决方案。然而，这些组件的成本意味着这种解决方案对于较小的经济型“A 和 B 级”汽车而言太过昂贵。

对于这些车辆，最常见的助力转向类型被称为“管柱式电动助力转向”(C-EPS)。这比 R-EPS 更具成本效益，因为电动马达位于前隔板后面，更接近方向盘和车辆驾驶员。这意味着电机不必承受发动机舱的温度，因此可以用更轻、更经济的材料和工艺制造。尽管具有许多成本和轻量化的优势，但这种解决方案在某些情况下会在方向盘上产生嗡嗡声，这可能会降低品牌的品质感。

这引发了一个至关重要的问题：“如何用一种经济高效的解决方案而不会产生烦人的方向盘噪音的方式解决 NVH 问题？”

寻找嗡嗡声的来源

作为回答这个问题的第一步，了解 C-EPS 是什么以及它的工作原理是很重要的。一般而言，其主要功能是减少驾驶员转动方向盘时让车轮转向所需的工作量。这是通过根据方向盘的输入扭矩产生正确的额外扭矩来实现的。

为了正确实现这种平衡，通过观察管柱内多个组件的相互作用来测量输入扭矩是非常重要的。其中一个这样的组件就是电机之前的管柱部分，其被分成两部分，并通过被称为“套筒轴”或“扭力杆”的更小、更灵活的轴结合起来。套筒轴足够小，在上管柱和下管柱之间的相对力作用下扭转。当驾驶员转动上管柱时，下管柱会抗拒轮胎和路面之间的摩擦引起的移动。这个功能的好处是允许实现位移，可测量并用于计算电动机应产生的扭矩的正确数量。

为了让管柱的上部和下部以这种方式相互滑动，它们必须用轴承（图1中红色部分）分开。通常在这种应用中会使用滚针轴承，进而产生金属间的接触。正是这种金属间的接触会产生嗡嗡声，因为来自道路和转向架的振动沿着管柱向上传播，并经过动力转向系统。随着时间的推移，这种接触可能引起的另一个问题就是所谓的轴的“盐化”，这可能导致不准确的扭矩测量，对转向的响应产生负面影响。为了避免这种情况，必须对轴进行热处理以增加硬度，但是这增加了成本。



图 1.EPS 系统中转向扭矩传感器的示意图。

突出显示为红色的轴承就是衬套所在位置 - 位于管柱的两半之间。

解决问题

那么，如何消除 NVH 感觉和由此产生的对驾驶体验的负面影响？

解决的关键是找到一种消除金属间接触的方法，例如通过使用复合轴承。复合轴承由聚四氟乙烯 (PTFE) 等聚合物制成的滑动层组成，而非滚针轴承的滚动元件。由于该化合物解决了盐化问题，因此无需进行昂贵的硬化，同时还能为系统提供缓冲。



图 2.位于英国布里斯托尔的圣戈班半消声室噪声测试设施。该消声室具有 20 dB(A) 的背景噪声，内部尺寸为 7×7 米，这意味着大多数汽车系统可以在这里进行分析。

我们已经在消声室进行的噪声测试中对 PTFE 复合材料轴承在 C-EPS 转向系统中的性能进行了广泛的分析。这些产生的环境中的背景噪音可以忽略不计，有助于在车辆运行时准确捕捉转向柱内的嗡嗡声。

圣戈班最近对其 NORGLIDE® SM075CG PTFE 复合材料轴承与滚针轴承进行的测试结果表明，在转向柱转动期间齿轮齿震颤声压级可明显降低几乎8 dB(A)。对于消费者来说，这可能意味着方向盘的嗡嗡声会大幅减少，从而改善对车辆质量的信任。

对于汽车制造商而言，复合材料轴承也具有其他优势，特别是在安装过程中 - 它们有助于补偿配合组件公差，例如，不需要在轴上使用昂贵的精密磨削表面。




图 3：导致齿轮齿间隙测试的受限转向扭矩传感器套筒轴在 15 Hz 和 2.3 m/s2 工况下的滚针轴承和 NORGLIDE® 轴承的声压级 (SPL)。总体值：现有方案 = 33.0 dB(A), NORLGIDE® = 25.7 dB(A).

平衡成本和质量
不管他们的预算是多少，驾驶员都希望他们的车能够提供尽可能理想的驾驶体验。没有什么能比转向系统的感觉更重要 - 驾驶员的手在大部分驾驶时间中都与方向盘保持接触，因此任何过度的振动都会被立刻注意到。

通过使用基于 PTFE 的复合材料轴承等创新解决方案替代传统替代方案，制造商可以确保驾驶员获得他们期望的体验，即使在最小型的经济型车辆中也可以，并且不需要重新设计转向系统。这些小的变化对汽车的性能产生了很大的影响，有助于提高品牌的认知度，为 OEM 业务带来长期的好处。