汽車電子助力轉向系統的潤滑

——順益體系（集團）聶湘

摘要: 電子助力轉向系統的設計不斷的在更新及發展,將在未來更加的節能,更加的智能,并且將適合更大排量的乘用車,對于電子助力轉向器的運轉機構潤滑脂的選擇將極其的重要.本文分析了幾個主要部件潤滑脂的選擇方向及潤滑要求,并對于潤滑脂的基礎知識進行簡單的介紹

關鍵詞:潤滑脂,基礎油,稠化劑,固體潤滑劑,減速機構,齒輪齒條,球頭銷

隨著現代汽車技術的迅猛發展,人們對汽車轉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動轉向盤時,都有較理想的操縱穩定性,在停車情況下轉動轉向盤時也能夠輕松自如,在高速行駛時又不會感到輕飄不穩,汽車轉向系統從簡單的純機械式轉向系統,發展到機械液壓動力轉向系統、到電控液壓動力轉向系統 , 直至如今的更為節能、操縱性能更優的電子控制式電動助力轉 向系統(ElectricPowerSystem)階段。

更為環保更為智能的電子助力轉向器對于潤滑脂的要求也將越來越高,更多的設計人員希望電子助力轉向器在運轉過程中力矩更低,運行更平穩,噪音更低,低溫性能優異,使用壽命更長等等,這些方面的特性要求與運轉機構所選擇的潤滑脂的性能有很大的關系。

本文將對潤滑脂的組成及特性,目前國際上應用在電子助力轉向系統各部件上主流的潤滑產品進行分析,重點介紹各部件的潤滑要求,

1,潤滑脂的組成及特性

如右圖所示,潤滑脂是由基礎油+稠化劑(大部分為皂類稠化劑)+添加劑調和而成?；A油在潤滑脂中的含量在 65%-95%,稠化劑含量在 5%-35%,添加劑的含量在 0-10%,各種不同的基礎油,不同的稠化劑組合成各種不同的潤滑脂。 在實際使用過程中根據實際的工況要求,會選擇各種添加劑加入到潤滑脂中以提高潤滑脂原有的性能或增加一些新的性能。對于一款潤滑脂來說，潤滑性能主要取決于基礎油。基礎油包括礦物油及合成油。目前在汽車零部件上的潤滑脂所選擇的基礎油越來越多的傾向于用合成油，合成油的優勢表現在具有寬廣的使用溫度范圍及長的使用壽命。稠化劑的作用是像海面吸水一樣吸附基礎油和添加劑，稠化劑的微觀結構如右圖，稠化劑使潤滑脂在潤滑過程中具有流變性。

潤滑脂的工作原理如下圖所示:

在運轉部件正常運行時,潤滑脂中稠化劑的纖維分離或定向排列,所吸附的基礎油和添加劑被釋放出來在運轉部件的摩擦副表面進行潤滑,當運轉部件停止運行潤滑脂中稠化劑的纖維重新聯接將基礎油和添加劑吸附回去。 當然不斷的剪切,高溫環境及化學腐蝕會導致稠化劑的破環,最終使潤滑脂失效.通常在汽車零部件上所使用的潤滑脂的稠化劑多為鋰基稠化劑。

2， 電子助力轉向系統重要運轉部件的潤滑

2．1 電機減速機構蝸輪蝸桿的潤滑

目前市面上主流的電子助力轉向系統（以下簡稱 EPS）,大多為 C-EPS,也有很多國際著名的汽車零部件生產企業在生產及開發 P-EPS,或者是 RD-EPS。以 C-EPS（管柱助力式）為例，助力動力來源于電機及其減速機構(如右圖)，我們在研究減速機構潤滑脂的選擇前需要了解兩個相互摩擦的工件的材料特性。對于 C-EPS 的減速機構，蝸輪材料一般選擇用尼龍材料，生產廠家為了提高尼龍材料的強度，會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， 摩擦副為塑料材料與金屬材料之間的摩擦,那么選擇的潤滑脂要考慮是否和塑料材料相容,是否會對塑料材料造成腐蝕,或者是影響到塑料材料的原本特性。那如何判斷潤滑脂和塑料材料是否相容呢?通常在試驗中我們會選擇用 1/4矩形測試法，具體的測試方法和計算公式如下圖所示：

蝸輪蝸桿減速機構所使用的潤滑脂，因為涉及到塑料材料，所選擇的潤滑脂的基礎油不會選擇用酯類油，因為酯類油具有較好的溶解性，對于塑料材料會產生一定的影響，有些潤滑脂中所包含的抗磨或極壓添加劑對于塑料材料也會產生影響。對于蝸輪蝸桿的潤滑，我們選擇的潤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℃,這對于潤滑脂所包含的基礎油會是一個考驗,礦物類基礎油很難在低溫-40℃正常的流動,如果在低溫-40℃不能正常的流動,那么在摩擦副的表面就無法形成油膜以達到潤滑及降低磨損的作用,如右圖在-50℃的環境下,合成基礎油還具有一定的流動性,但是礦物類基礎油已經失去流動性,同時為了在低溫時保持設計所要求的低的啟動力矩和運行力矩,基礎油選擇用合成油,其粘度也會比較低。在蝸輪蝸桿使用中潤滑脂基礎油的粘度選擇不會超過 100cst(40℃時),基礎油類型選擇用全合成的 PAO(聚 α 烯烴)基礎油。潤滑脂最為重要的的作用還是潤滑,那么潤滑靠什么呢?靠的是在摩擦副之間的油膜,如下圖:

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

2.2 金屬齒輪齒條的潤滑

車輛的方向轉動是靠齒輪與齒條的運轉時齒條的左右擺動來實現,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,以保證轉向力矩的傳遞以及減少運行時齒輪齒條的噪音,齒輪齒條都為金屬材質,在高的載荷條件下要求潤滑脂具有極好的抗極壓特性,所選擇潤滑脂在添加劑方面會加入極壓劑及二硫化鉬類固體潤滑劑,稠化劑選擇通用型的鋰基稠化劑,因為鋰基稠化劑在耐高溫,耐水性,抗剪切性等方面綜合性能比較優異,基礎油的選擇多為精制的礦物油(主要從降低成本方面考慮,一般齒輪齒條潤滑脂使用量單臺在 20-25 克),這種類型的潤滑脂操作溫度-30-130℃,基本滿足車輛行使要求,如果要穩定在-40℃低溫環境下運行,基礎油的選擇還是考慮用全合成基礎油。特別強調在齒輪齒條位置所選擇的潤滑脂中所包含的二硫化鉬固體潤滑劑,在磨合期能表現出非常優異的性能,二硫化鉬材料在金屬表面的黏附性極強,并且具有高的承載能力及低的摩擦系數,工作溫度可以從-70-400℃。 由于金屬加工成型后在微觀結構表面都是凹凸不平的(如右圖),初始磨合過程中表現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,以幫助度過磨合期。 對于二硫化鉬材料,其本身的純度及顆粒的均勻度直接影響了在使用過程中的性能,應用在齒輪齒條上的潤滑脂,二硫化鉬的添加量不能過大,因為二硫化鉬材料不像液體狀的基礎油能夠易于流動,其在運行過程中要靠基礎油將其分散在摩擦副表面,太大的添加量會造成運行時的阻力,一般控制在 3%以內。

由于二硫化鉬材料不易分散的特性,在低溫狀態下基礎油的流動性變差,二硫化鉬材料很難均分分散在摩擦副表面,并造成工件的運行阻力,個別生產廠家的潤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提高潤滑脂的潤滑性能。如 TRW 公司所選擇應用在齒輪齒條的潤滑脂為無添加二硫化鉬材料的鋰基稠化精制礦物油潤滑脂,同時降低了基礎油的粘度,該產品符合 TRW TMS-L-10482 標準,能滿足-40-150℃的

溫度使用范圍,當然由于未添加二硫化鉬材料及低的基礎油粘度,潤滑脂的抗磨損性能會變差,這需要生產廠家在齒輪齒條的機械加工的精度方面要求非常高。

2.3 轉向球頭的潤滑

轉向直拉桿與轉向搖臂及轉向節臂的相對運動都為空間運動,為了不發生干涉,三者之間都采用球頭銷,球頭銷的球頭與底座(見右圖)之間接觸壓力很大,既有上下運動,也有轉動。 既受軸向力,又有推力,還伴隨這微動,如果球頭與球頭底座之間潤滑不良,球節間會發生異常的磨損和金屬疲勞,伴隨著轉向時噪音的出現,嚴重時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,對潤滑脂的組份要求也不同,

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

美國一著名潤滑脂生產廠家為開發在正常條件下預期壽命 10年行使 150000mile(1mile=1.609km)無須維修保養的球節,用Cameron Plint TE-77 高頻摩擦試驗機對影響終生潤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滑脂進行摩擦系數及摩擦阻力穩定性測試,測試結果如右圖(測試條件如右圖中所例),從潤滑脂對于摩擦系數的影響來看,用聚四氟乙烯稠化的硅油潤滑脂在不斷加載的測試中保持比較低的摩擦系數,但是在做往復循環測試過程中,摩擦阻力變的非常不穩定,結果如下圖:

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

3,其他部件的潤滑

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

4,結束語

電子助力轉向系統的設計不斷的在更新及發展,將在未來更加的節能,更加的智能,適合的乘用車載重也越來越大,在各關鍵部件的潤滑方面我們還需要仔細的認真研究,我們在設計各部件的結構的同時,我們也應該考慮潤滑脂在其中所起的作用,潤滑脂選擇的對與錯將在一定程度上決定了我們所設計的電子助力轉向系統的運轉性能和壽命。

參考文獻

1.鐘泰鋼,鐘淑芳.汽車用潤滑脂及添加劑.化學工業出版社 176-177