汽車電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的潤(rùn)滑

——順益體系（集團(tuán)）聶湘

摘要: 電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不斷的在更新及發(fā)展,將在未來(lái)更加的節(jié)能,更加的智能,并且將適合更大排量的乘用車,對(duì)于電子助力轉(zhuǎn)向器的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑脂的選擇將極其的重要.本文分析了幾個(gè)主要部件潤(rùn)滑脂的選擇方向及潤(rùn)滑要求,并對(duì)于潤(rùn)滑脂的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹

關(guān)鍵詞:潤(rùn)滑脂,基礎(chǔ)油,稠化劑,固體潤(rùn)滑劑,減速機(jī)構(gòu),齒輪齒條,球頭銷

隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展,人們對(duì)汽車轉(zhuǎn)向操縱性能的要求也日益提高。為了保證車輛在任何工況下轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí),都有較理想的操縱穩(wěn)定性,在停車情況下轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)也能夠輕松自如,在高速行駛時(shí)又不會(huì)感到輕飄不穩(wěn),汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從簡(jiǎn)單的純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng),發(fā)展到機(jī)械液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、到電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) , 直至如今的更為節(jié)能、操縱性能更優(yōu)的電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)(ElectricPowerSystem)階段。

更為環(huán)保更為智能的電子助力轉(zhuǎn)向器對(duì)于潤(rùn)滑脂的要求也將越來(lái)越高,更多的設(shè)計(jì)人員希望電子助力轉(zhuǎn)向器在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中力矩更低,運(yùn)行更平穩(wěn),噪音更低,低溫性能優(yōu)異,使用壽命更長(zhǎng)等等,這些方面的特性要求與運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所選擇的潤(rùn)滑脂的性能有很大的關(guān)系。

本文將對(duì)潤(rùn)滑脂的組成及特性,目前國(guó)際上應(yīng)用在電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件上主流的潤(rùn)滑產(chǎn)品進(jìn)行分析,重點(diǎn)介紹各部件的潤(rùn)滑要求,

1,潤(rùn)滑脂的組成及特性

如右圖所示,潤(rùn)滑脂是由基礎(chǔ)油+稠化劑(大部分為皂類稠化劑)+添加劑調(diào)和而成。基礎(chǔ)油在潤(rùn)滑脂中的含量在 65%-95%,稠化劑含量在 5%-35%,添加劑的含量在 0-10%,各種不同的基礎(chǔ)油,不同的稠化劑組合成各種不同的潤(rùn)滑脂。 在實(shí)際使用過(guò)程中根據(jù)實(shí)際的工況要求,會(huì)選擇各種添加劑加入到潤(rùn)滑脂中以提高潤(rùn)滑脂原有的性能或增加一些新的性能。對(duì)于一款潤(rùn)滑脂來(lái)說(shuō)，潤(rùn)滑性能主要取決于基礎(chǔ)油。基礎(chǔ)油包括礦物油及合成油。目前在汽車零部件上的潤(rùn)滑脂所選擇的基礎(chǔ)油越來(lái)越多的傾向于用合成油，合成油的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在具有寬廣的使用溫度范圍及長(zhǎng)的使用壽命。稠化劑的作用是像海面吸水一樣吸附基礎(chǔ)油和添加劑，稠化劑的微觀結(jié)構(gòu)如右圖，稠化劑使?jié)櫥跐?rùn)滑過(guò)程中具有流變性。

潤(rùn)滑脂的工作原理如下圖所示:

在運(yùn)轉(zhuǎn)部件正常運(yùn)行時(shí),潤(rùn)滑脂中稠化劑的纖維分離或定向排列,所吸附的基礎(chǔ)油和添加劑被釋放出來(lái)在運(yùn)轉(zhuǎn)部件的摩擦副表面進(jìn)行潤(rùn)滑,當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)部件停止運(yùn)行潤(rùn)滑脂中稠化劑的纖維重新聯(lián)接將基礎(chǔ)油和添加劑吸附回去。 當(dāng)然不斷的剪切,高溫環(huán)境及化學(xué)腐蝕會(huì)導(dǎo)致稠化劑的破環(huán),最終使?jié)櫥?通常在汽車零部件上所使用的潤(rùn)滑脂的稠化劑多為鋰基稠化劑。

2， 電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重要運(yùn)轉(zhuǎn)部件的潤(rùn)滑

2．1 電機(jī)減速機(jī)構(gòu)蝸輪蝸桿的潤(rùn)滑

目前市面上主流的電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱 EPS）,大多為 C-EPS,也有很多國(guó)際著名的汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)及開(kāi)發(fā) P-EPS,或者是 RD-EPS。以 C-EPS（管柱助力式）為例，助力動(dòng)力來(lái)源于電機(jī)及其減速機(jī)構(gòu)(如右圖)，我們?cè)谘芯繙p速機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑脂的選擇前需要了解兩個(gè)相互摩擦的工件的材料特性。對(duì)于 C-EPS 的減速機(jī)構(gòu)，蝸輪材料一般選擇用尼龍材料，生產(chǎn)廠家為了提高尼龍材料的強(qiáng)度，會(huì)在尼龍材料中加入一定比例的玻璃纖維，蝸桿材料一般為金屬材質(zhì)， 摩擦副為塑料材料與金屬材料之間的摩擦,那么選擇的潤(rùn)滑脂要考慮是否和塑料材料相容,是否會(huì)對(duì)塑料材料造成腐蝕,或者是影響到塑料材料的原本特性。那如何判斷潤(rùn)滑脂和塑料材料是否相容呢?通常在試驗(yàn)中我們會(huì)選擇用 1/4矩形測(cè)試法，具體的測(cè)試方法和計(jì)算公式如下圖所示：

蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)所使用的潤(rùn)滑脂，因?yàn)樯婕暗剿芰喜牧希x擇的潤(rùn)滑脂的基礎(chǔ)油不會(huì)選擇用酯類油，因?yàn)轷ヮ愑途哂休^好的溶解性，對(duì)于塑料材料會(huì)產(chǎn)生一定的影響，有些潤(rùn)滑脂中所包含的抗磨或極壓添加劑對(duì)于塑料材料也會(huì)產(chǎn)生影響。對(duì)于蝸輪蝸桿的潤(rùn)滑，我們選擇的潤(rùn)滑脂還需要滿足汽車行駛中的溫度要求， 工作溫度要求為-40-120℃,這對(duì)于潤(rùn)滑脂所包含的基礎(chǔ)油會(huì)是一個(gè)考驗(yàn),礦物類基礎(chǔ)油很難在低溫-40℃正常的流動(dòng),如果在低溫-40℃不能正常的流動(dòng),那么在摩擦副的表面就無(wú)法形成油膜以達(dá)到潤(rùn)滑及降低磨損的作用,如右圖在-50℃的環(huán)境下,合成基礎(chǔ)油還具有一定的流動(dòng)性,但是礦物類基礎(chǔ)油已經(jīng)失去流動(dòng)性,同時(shí)為了在低溫時(shí)保持設(shè)計(jì)所要求的低的啟動(dòng)力矩和運(yùn)行力矩,基礎(chǔ)油選擇用合成油,其粘度也會(huì)比較低。在蝸輪蝸桿使用中潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)油的粘度選擇不會(huì)超過(guò) 100cst(40℃時(shí)),基礎(chǔ)油類型選擇用全合成的 PAO(聚 α 烯烴)基礎(chǔ)油。潤(rùn)滑脂最為重要的的作用還是潤(rùn)滑,那么潤(rùn)滑靠什么呢?靠的是在摩擦副之間的油膜,如下圖:

油膜厚度 h 又是由潤(rùn)滑脂中基礎(chǔ)油的粘度決定,上文我們說(shuō)過(guò),為了保持非常好的低溫啟動(dòng)力矩和運(yùn)行力矩,減少在低溫時(shí)電機(jī)的負(fù)載,在基礎(chǔ)油的選擇上粘度會(huì)比較小。 較小的粘度所帶來(lái)的是在摩擦副表面 h 值比較小。針對(duì)于蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu),為了保證傳動(dòng)強(qiáng)度,蝸桿齒厚減小,蝸輪的齒厚加大,在運(yùn)行過(guò)程中蝸輪蝸桿并不是完全的面接觸,同時(shí)也有線接觸,并且伴隨著滑動(dòng)摩擦,在接觸應(yīng)力如此大的情況下,h 值過(guò)小會(huì)造成工件的磨損加重,那么這就會(huì)在潤(rùn)滑脂的選擇上產(chǎn)生一種矛盾,我們既要滿足低溫的要求,選擇粘度較小的基礎(chǔ)油,又要滿足抗磨損的要求,這個(gè)時(shí)候潤(rùn)滑脂中的添加劑就變的非常關(guān)鍵。上文我們說(shuō)過(guò)為了不影響塑料材料的性能,應(yīng)用在減速機(jī)構(gòu)蝸輪蝸桿上的潤(rùn)滑脂不會(huì)加入一些抗磨極壓添加劑,那潤(rùn)滑及抗磨損的保障主要靠潤(rùn)滑脂中所添加的固體潤(rùn)滑劑,世界知名廠家應(yīng)用在這個(gè)部件上的潤(rùn)滑脂所包含的固體潤(rùn)滑劑大多為 PTFE(聚四氟乙烯)材料,如歐洲一品牌提供給 TRW 公司應(yīng)用在 C-EPS 蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑脂固體潤(rùn)滑劑就為 PTFE ,同時(shí)固體潤(rùn)滑劑的添加也能夠有效的減低在蝸輪蝸桿運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪音,特別針對(duì) C-EPS,由于減速機(jī)構(gòu)作用在轉(zhuǎn)向管柱上,離駕駛員比較近,噪音測(cè)試要求<60Db。

2.2 金屬齒輪齒條的潤(rùn)滑

車輛的方向轉(zhuǎn)動(dòng)是靠齒輪與齒條的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)齒條的左右擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn),為了使齒輪齒條的配合更為緊密,在齒條背面有一 U 型的支撐滑塊,以保證轉(zhuǎn)向力矩的傳遞以及減少運(yùn)行時(shí)齒輪齒條的噪音,齒輪齒條都為金屬材質(zhì),在高的載荷條件下要求潤(rùn)滑脂具有極好的抗極壓特性,所選擇潤(rùn)滑脂在添加劑方面會(huì)加入極壓劑及二硫化鉬類固體潤(rùn)滑劑,稠化劑選擇通用型的鋰基稠化劑,因?yàn)殇嚮砘瘎┰谀透邷?耐水性,抗剪切性等方面綜合性能比較優(yōu)異,基礎(chǔ)油的選擇多為精制的礦物油(主要從降低成本方面考慮,一般齒輪齒條潤(rùn)滑脂使用量單臺(tái)在 20-25 克),這種類型的潤(rùn)滑脂操作溫度-30-130℃,基本滿足車輛行使要求,如果要穩(wěn)定在-40℃低溫環(huán)境下運(yùn)行,基礎(chǔ)油的選擇還是考慮用全合成基礎(chǔ)油。特別強(qiáng)調(diào)在齒輪齒條位置所選擇的潤(rùn)滑脂中所包含的二硫化鉬固體潤(rùn)滑劑,在磨合期能表現(xiàn)出非常優(yōu)異的性能,二硫化鉬材料在金屬表面的黏附性極強(qiáng),并且具有高的承載能力及低的摩擦系數(shù),工作溫度可以從-70-400℃。 由于金屬加工成型后在微觀結(jié)構(gòu)表面都是凹凸不平的(如右圖),初始磨合過(guò)程中表現(xiàn)出摩擦副之間金屬的波峰與波峰之間接觸,造成干摩擦,二硫化鉬顆粒能夠非常好的覆蓋在金屬凹凸不平的表面,以幫助度過(guò)磨合期。 對(duì)于二硫化鉬材料,其本身的純度及顆粒的均勻度直接影響了在使用過(guò)程中的性能,應(yīng)用在齒輪齒條上的潤(rùn)滑脂,二硫化鉬的添加量不能過(guò)大,因?yàn)槎蚧f材料不像液體狀的基礎(chǔ)油能夠易于流動(dòng),其在運(yùn)行過(guò)程中要靠基礎(chǔ)油將其分散在摩擦副表面,太大的添加量會(huì)造成運(yùn)行時(shí)的阻力,一般控制在 3%以內(nèi)。

由于二硫化鉬材料不易分散的特性,在低溫狀態(tài)下基礎(chǔ)油的流動(dòng)性變差,二硫化鉬材料很難均分分散在摩擦副表面,并造成工件的運(yùn)行阻力,個(gè)別生產(chǎn)廠家的潤(rùn)滑脂的選擇不添加二硫化鉬材料,而用其他的抗磨及極壓劑來(lái)提高潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑性能。如 TRW 公司所選擇應(yīng)用在齒輪齒條的潤(rùn)滑脂為無(wú)添加二硫化鉬材料的鋰基稠化精制礦物油潤(rùn)滑脂,同時(shí)降低了基礎(chǔ)油的粘度,該產(chǎn)品符合 TRW TMS-L-10482 標(biāo)準(zhǔn),能滿足-40-150℃的

溫度使用范圍,當(dāng)然由于未添加二硫化鉬材料及低的基礎(chǔ)油粘度,潤(rùn)滑脂的抗磨損性能會(huì)變差,這需要生產(chǎn)廠家在齒輪齒條的機(jī)械加工的精度方面要求非常高。

2.3 轉(zhuǎn)向球頭的潤(rùn)滑

轉(zhuǎn)向直拉桿與轉(zhuǎn)向搖臂及轉(zhuǎn)向節(jié)臂的相對(duì)運(yùn)動(dòng)都為空間運(yùn)動(dòng),為了不發(fā)生干涉,三者之間都采用球頭銷,球頭銷的球頭與底座(見(jiàn)右圖)之間接觸壓力很大,既有上下運(yùn)動(dòng),也有轉(zhuǎn)動(dòng)。 既受軸向力,又有推力,還伴隨這微動(dòng),如果球頭與球頭底座之間潤(rùn)滑不良,球節(jié)間會(huì)發(fā)生異常的磨損和金屬疲勞,伴隨著轉(zhuǎn)向時(shí)噪音的出現(xiàn),嚴(yán)重時(shí)直接危害汽車的行使安全。球頭銷的球頭與球頭座有鋼-鋼及鋼-塑料(POM 或者 PA 66),摩擦副的材料不同,對(duì)潤(rùn)滑脂的組份要求也不同,

針對(duì)鋼-鋼摩擦幅一般選擇用含二硫化鉬的鋰基潤(rùn)滑脂,這種球頭一般應(yīng)用在載荷比較大的商用車上,對(duì)于鋼-塑料摩擦副一般選擇用含 PTFE 固體潤(rùn)滑材料的鋰基潤(rùn)滑脂,應(yīng)用在乘用車球頭上。

美國(guó)一著名潤(rùn)滑脂生產(chǎn)廠家為開(kāi)發(fā)在正常條件下預(yù)期壽命 10年行使 150000mile(1mile=1.609km)無(wú)須維修保養(yǎng)的球節(jié),用Cameron Plint TE-77 高頻摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)影響終生潤(rùn)滑球頭使用壽命的因素做考察,其中選擇了幾款不同類型的潤(rùn)滑脂進(jìn)行摩擦系數(shù)及摩擦阻力穩(wěn)定性測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如右圖(測(cè)試條件如右圖中所例),從潤(rùn)滑脂對(duì)于摩擦系數(shù)的影響來(lái)看,用聚四氟乙烯稠化的硅油潤(rùn)滑脂在不斷加載的測(cè)試中保持比較低的摩擦系數(shù),但是在做往復(fù)循環(huán)測(cè)試過(guò)程中,摩擦阻力變的非常不穩(wěn)定,結(jié)果如下圖:

從圖中可以看出鋰基稠化的半合成基礎(chǔ)油(礦物+PAO)潤(rùn)滑脂在不斷的往復(fù)測(cè)試中,摩擦阻力表現(xiàn)最為穩(wěn)定,基于球頭生產(chǎn)廠家的不同要求,對(duì)于潤(rùn)滑脂的選擇各有差異,但是如果專門針對(duì)轉(zhuǎn)向球頭上潤(rùn)滑脂的使用,我們還是傾向于使用鋰基稠化的半合成基礎(chǔ)油潤(rùn)滑脂,并且在潤(rùn)滑脂中加入一些特殊固體潤(rùn)滑劑(PTFE 以及高密度聚乙烯材料等)

3,其他部件的潤(rùn)滑

電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的潤(rùn)滑還包括很多其他部件的潤(rùn)滑,例如助力電機(jī)花鍵軸的潤(rùn)滑,可伸縮管柱的潤(rùn)滑,方向盤旋轉(zhuǎn)支撐軸承的潤(rùn)滑等等,無(wú)論什么部件的潤(rùn)滑,在潤(rùn)滑脂的選擇前,我們都需要先考慮摩擦副的材料,運(yùn)行狀態(tài),運(yùn)行要求,以及掌握潤(rùn)滑脂中各種組成成份的特性,這樣我們才能做到選脂正確,并保障電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的正常運(yùn)行,保持優(yōu)異的性能。

4,結(jié)束語(yǔ)

電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不斷的在更新及發(fā)展,將在未來(lái)更加的節(jié)能,更加的智能,適合的乘用車載重也越來(lái)越大,在各關(guān)鍵部件的潤(rùn)滑方面我們還需要仔細(xì)的認(rèn)真研究,我們?cè)谠O(shè)計(jì)各部件的結(jié)構(gòu)的同時(shí),我們也應(yīng)該考慮潤(rùn)滑脂在其中所起的作用,潤(rùn)滑脂選擇的對(duì)與錯(cuò)將在一定程度上決定了我們所設(shè)計(jì)的電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能和壽命。

參考文獻(xiàn)

1.鐘泰鋼,鐘淑芳.汽車用潤(rùn)滑脂及添加劑.化學(xué)工業(yè)出版社 176-177