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汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的降噪要領
2018-05-16 16:48:07· 來源：圣戈班噪音與震動工程師Alfred Lethbridge博士
由于歷年來對汽車噪音的管制越來越嚴格，發(fā)動機的噪音顯著降低。而隨著電動汽車和混合動力汽車、現(xiàn)代靜音混合燃料汽車和一鍵啟動發(fā)動機的興起，這種趨勢已經(jīng)有所增加。這對周邊環(huán)境有著巨大的積極影響，較強的噪音等級也會給道路帶來壓力。
由于歷年來對汽車噪音的管制越來越嚴格，發(fā)動機的噪音顯著降低。而隨著電動汽車和混合動力汽車、現(xiàn)代靜音混合燃料汽車和一鍵啟動發(fā)動機的興起，這種趨勢已經(jīng)有所增加。這對周邊環(huán)境有著巨大的積極影響，較強的噪音等級也會給道路帶來壓力。對于想要安靜駕駛的司機來說，這也是個好消息。然而，當安靜的發(fā)動機中存在輕微噪音、咯吱聲則會變得尤為明顯。
道路條件和輪胎以及懸掛技術的改進意味著駕駛體驗變得更加流暢，也意味著汽車系統(tǒng)對于駕駛舒適性變得更加明顯。這進一步要求汽車零件具有高品質(zhì)保證的品牌影響力。汽車制造商需要有信心，他們購買的零件能夠兌現(xiàn)承諾。當工程師花時間充分理解客戶面臨的挑戰(zhàn)時，他們才能提供有效的解決方案。
圣戈班的汽車降噪專家通過進行充分測試和詳盡調(diào)查，結果顯示，影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)質(zhì)量的兩個重要特征分別是噪音和轉(zhuǎn)向體驗。
如圖1所示，轉(zhuǎn)向齒條軸承（又叫轉(zhuǎn)向齒條導向軸承）在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中具有關鍵作用。齒條軸承用于確保齒條與小齒輪齒之間的持續(xù)嚙合。如果齒輪與齒條脫離，則整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將無法工作。齒條軸承通常受到300N的彈簧推力而依附在轉(zhuǎn)向齒條上。
圖 1：轉(zhuǎn)向齒條的示意圖，齒條軸承的滑動層用紅色表示。左上方顯示了齒條軸承的示例。
施加到齒條軸承上的力在轉(zhuǎn)向齒條上產(chǎn)生摩擦力，影響轉(zhuǎn)向體驗。因此，必須確保齒條軸承的滑動層設計良好。通常，齒條軸承由金屬襯墊層和聚四氟乙烯（PTFE）層組成。齒條軸承的形狀典型設計使得齒條軸承滑動層與轉(zhuǎn)向齒條之間存在線接觸。這就在滑動面上產(chǎn)生了高壓力，進而增加磨損。隨著材料的不斷磨損，齒條與小齒輪的齒之間產(chǎn)生間隙。這里的間隙可能導致“齒震”或發(fā)出嘎啦聲。
根據(jù)客戶個性化的需求和規(guī)格量身定制的齒條軸承更有可能在汽車的整個使用壽命期間確保高品質(zhì)的產(chǎn)品。圖2給出另一個示例，表明由兩個齒條軸承形狀產(chǎn)生軸承壓力的有限元分析，其中一個形狀與提供線接觸的齒條的一致性較差，另一個形狀與齒條的一致性較高，從而提供更多接觸。具有較大接觸的形狀減小了壓力，因而減少了零件的磨損，所以在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的震顫較小。
圖 2：如圖3所示，由齒條軸上施加1kN在兩個齒條軸承形狀的FEA壓力分析：左邊為線接觸；右邊為較大的接觸。
高磨損率的另一個問題是摩擦力隨著時間推移而增加。用燒結青銅和PTFE制成的軸承通常具有較薄的PTFE層，一旦磨損，青銅層會暴露于轉(zhuǎn)向齒條。換言之，增加了系統(tǒng)的摩擦力。
而較大接觸的軸承具有較低的磨損率，能夠確保該結構的金屬部分不暴露在外。圖3顯示了耐久性測試對燒結青銅和PTFE的產(chǎn)品的摩擦力和動靜摩擦力值的影響，這種青銅和PTFE的產(chǎn)品均采用線接觸設計，兩個圣戈班NORGLIDE®齒條軸承采用較大接觸的設計。燒結青銅和PTFE的軸承在零件的整個使用壽命過程中摩擦力值有明顯持續(xù)增加的現(xiàn)象，但NORGLIDE®的解決方案保持始終如一的摩擦力和動靜摩擦值。
圖3：通過耐久性測試，我們可以看出磨損對性能的影響。實測（a）動摩擦力和（b）動靜摩擦力檢測通過：
[1] Danijela Miloradovi?, Jasna Glišovi?, Jovanka Luki?，“道路汽車噪聲條例 - 趨勢和未來活動”，《流動性與汽車力學》，第43卷，第1期，2017年
關鍵詞：轉(zhuǎn)向齒條導向軸承；轉(zhuǎn)向齒條；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；磨損；摩擦力
道路條件和輪胎以及懸掛技術的改進意味著駕駛體驗變得更加流暢，也意味著汽車系統(tǒng)對于駕駛舒適性變得更加明顯。這進一步要求汽車零件具有高品質(zhì)保證的品牌影響力。汽車制造商需要有信心，他們購買的零件能夠兌現(xiàn)承諾。當工程師花時間充分理解客戶面臨的挑戰(zhàn)時，他們才能提供有效的解決方案。
圣戈班的汽車降噪專家通過進行充分測試和詳盡調(diào)查，結果顯示，影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)質(zhì)量的兩個重要特征分別是噪音和轉(zhuǎn)向體驗。
如圖1所示，轉(zhuǎn)向齒條軸承（又叫轉(zhuǎn)向齒條導向軸承）在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中具有關鍵作用。齒條軸承用于確保齒條與小齒輪齒之間的持續(xù)嚙合。如果齒輪與齒條脫離，則整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將無法工作。齒條軸承通常受到300N的彈簧推力而依附在轉(zhuǎn)向齒條上。
圖 1：轉(zhuǎn)向齒條的示意圖，齒條軸承的滑動層用紅色表示。左上方顯示了齒條軸承的示例。
施加到齒條軸承上的力在轉(zhuǎn)向齒條上產(chǎn)生摩擦力，影響轉(zhuǎn)向體驗。因此，必須確保齒條軸承的滑動層設計良好。通常，齒條軸承由金屬襯墊層和聚四氟乙烯（PTFE）層組成。齒條軸承的形狀典型設計使得齒條軸承滑動層與轉(zhuǎn)向齒條之間存在線接觸。這就在滑動面上產(chǎn)生了高壓力，進而增加磨損。隨著材料的不斷磨損，齒條與小齒輪的齒之間產(chǎn)生間隙。這里的間隙可能導致“齒震”或發(fā)出嘎啦聲。
根據(jù)客戶個性化的需求和規(guī)格量身定制的齒條軸承更有可能在汽車的整個使用壽命期間確保高品質(zhì)的產(chǎn)品。圖2給出另一個示例，表明由兩個齒條軸承形狀產(chǎn)生軸承壓力的有限元分析，其中一個形狀與提供線接觸的齒條的一致性較差，另一個形狀與齒條的一致性較高，從而提供更多接觸。具有較大接觸的形狀減小了壓力，因而減少了零件的磨損，所以在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的震顫較小。
圖 2：如圖3所示，由齒條軸上施加1kN在兩個齒條軸承形狀的FEA壓力分析：左邊為線接觸；右邊為較大的接觸。
高磨損率的另一個問題是摩擦力隨著時間推移而增加。用燒結青銅和PTFE制成的軸承通常具有較薄的PTFE層，一旦磨損，青銅層會暴露于轉(zhuǎn)向齒條。換言之，增加了系統(tǒng)的摩擦力。
而較大接觸的軸承具有較低的磨損率，能夠確保該結構的金屬部分不暴露在外。圖3顯示了耐久性測試對燒結青銅和PTFE的產(chǎn)品的摩擦力和動靜摩擦力值的影響，這種青銅和PTFE的產(chǎn)品均采用線接觸設計，兩個圣戈班NORGLIDE®齒條軸承采用較大接觸的設計。燒結青銅和PTFE的軸承在零件的整個使用壽命過程中摩擦力值有明顯持續(xù)增加的現(xiàn)象，但NORGLIDE®的解決方案保持始終如一的摩擦力和動靜摩擦值。
圖3：通過耐久性測試，我們可以看出磨損對性能的影響。實測（a）動摩擦力和（b）動靜摩擦力檢測通過：
[1] Danijela Miloradovi?, Jasna Glišovi?, Jovanka Luki?，“道路汽車噪聲條例 - 趨勢和未來活動”，《流動性與汽車力學》，第43卷，第1期，2017年
關鍵詞：轉(zhuǎn)向齒條導向軸承；轉(zhuǎn)向齒條；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；磨損；摩擦力
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