汽车电子助力转向系统的润滑

汽车电子助力转向系统的润滑

——顺益体系（集团）聂湘

摘要: 电子助力转向系统的设计不断的在更新及发展,将在未来更加的节能,更加的智能,并且将适合更大排量的乘用车,对于电子助力转向器的运转机构润滑脂的选择将极其的重要.本文分析了几个主要部件润滑脂的选择方向及润滑要求,并对于润滑脂的基础知识进行简单的介绍

关键词:润滑脂,基础油,稠化剂,固体润滑剂,减速机构,齿轮齿条,球头销

随着现代汽车技术的迅猛发展,人们对汽车转向操纵性能的要求也日益提高。为了保证车辆在任何工况下转动转向盘时,都有较理想的操纵稳定性,在停车情况下转动转向盘时也能够轻松自如,在高速行驶时又不会感到轻飘不稳,汽车转向系统从简单的纯机械式转向系统,发展到机械液压动力转向系统、到电控液压动力转向系统 , 直至如今的更为节能、操纵性能更优的电子控制式电动助力转 向系统(ElectricPowerSystem)阶段。

更为环保更为智能的电子助力转向器对于润滑脂的要求也将越来越高,更多的设计人员希望电子助力转向器在运转过程中力矩更低,运行更平稳,噪音更低,低温性能优异,使用寿命更长等等,这些方面的特性要求与运转机构所选择的润滑脂的性能有很大的关系。

本文将对润滑脂的组成及特性,目前国际上应用在电子助力转向系统各部件上主流的润滑产品进行分析,重点介绍各部件的润滑要求,

1,润滑脂的组成及特性

如右图所示,润滑脂是由基础油+稠化剂(大部分为皂类稠化剂)+添加剂调和而成。基础油在润滑脂中的含量在 65%-95%,稠化剂含量在 5%-35%,添加剂的含量在 0-10%,各种不同的基础油,不同的稠化剂组合成各种不同的润滑脂。 在实际使用过程中根据实际的工况要求,会选择各种添加剂加入到润滑脂中以提高润滑脂原有的性能或增加一些新的性能。对于一款润滑脂来说，润滑性能主要取决于基础油。基础油包括矿物油及合成油。目前在汽车零部件上的润滑脂所选择的基础油越来越多的倾向于用合成油，合成油的优势表现在具有宽广的使用温度范围及长的使用寿命。稠化剂的作用是像海面吸水一样吸附基础油和添加剂，稠化剂的微观结构如右图，稠化剂使润滑脂在润滑过程中具有流变性。

润滑脂的工作原理如下图所示:

在运转部件正常运行时,润滑脂中稠化剂的纤维分离或定向排列,所吸附的基础油和添加剂被释放出来在运转部件的摩擦副表面进行润滑,当运转部件停止运行润滑脂中稠化剂的纤维重新联接将基础油和添加剂吸附回去。 当然不断的剪切,高温环境及化学腐蚀会导致稠化剂的破环,最终使润滑脂失效.通常在汽车零部件上所使用的润滑脂的稠化剂多为锂基稠化剂。

2， 电子助力转向系统重要运转部件的润滑

2．1 电机减速机构蜗轮蜗杆的润滑

目前市面上主流的电子助力转向系统（以下简称 EPS）,大多为 C-EPS,也有很多国际著名的汽车零部件生产企业在生产及开发 P-EPS,或者是 RD-EPS。以 C-EPS（管柱助力式）为例，助力动力来源于电机及其减速机构(如右图)，我们在研究减速机构润滑脂的选择前需要了解两个相互摩擦的工件的材料特性。对于 C-EPS 的减速机构，蜗轮材料一般选择用尼龙材料，生产厂家为了提高尼龙材料的强度，会在尼龙材料中加入一定比例的玻璃纤维，蜗杆材料一般为金属材质， 摩擦副为塑料材料与金属材料之间的摩擦,那么选择的润滑脂要考虑是否和塑料材料相容,是否会对塑料材料造成腐蚀,或者是影响到塑料材料的原本特性。那如何判断润滑脂和塑料材料是否相容呢?通常在试验中我们会选择用 1/4矩形测试法，具体的测试方法和计算公式如下图所示：

蜗轮蜗杆减速机构所使用的润滑脂，因为涉及到塑料材料，所选择的润滑脂的基础油不会选择用酯类油，因为酯类油具有较好的溶解性，对于塑料材料会产生一定的影响，有些润滑脂中所包含的抗磨或极压添加剂对于塑料材料也会产生影响。对于蜗轮蜗杆的润滑，我们选择的润滑脂还需要满足汽车行驶中的温度要求， 工作温度要求为-40-120℃,这对于润滑脂所包含的基础油会是一个考验,矿物类基础油很难在低温-40℃正常的流动,如果在低温-40℃不能正常的流动,那么在摩擦副的表面就无法形成油膜以达到润滑及降低磨损的作用,如右图在-50℃的环境下,合成基础油还具有一定的流动性,但是矿物类基础油已经失去流动性,同时为了在低温时保持设计所要求的低的启动力矩和运行力矩,基础油选择用合成油,其粘度也会比较低。在蜗轮蜗杆使用中润滑脂基础油的粘度选择不会超过 100cst(40℃时),基础油类型选择用全合成的 PAO(聚 α 烯烃)基础油。润滑脂最为重要的的作用还是润滑,那么润滑靠什么呢?靠的是在摩擦副之间的油膜,如下图:

油膜厚度 h 又是由润滑脂中基础油的粘度决定,上文我们说过,为了保持非常好的低温启动力矩和运行力矩,减少在低温时电机的负载,在基础油的选择上粘度会比较小。 较小的粘度所带来的是在摩擦副表面 h 值比较小。针对于蜗轮蜗杆减速机构,为了保证传动强度,蜗杆齿厚减小,蜗轮的齿厚加大,在运行过程中蜗轮蜗杆并不是完全的面接触,同时也有线接触,并且伴随着滑动摩擦,在接触应力如此大的情况下,h 值过小会造成工件的磨损加重,那么这就会在润滑脂的选择上产生一种矛盾,我们既要满足低温的要求,选择粘度较小的基础油,又要满足抗磨损的要求,这个时候润滑脂中的添加剂就变的非常关键。上文我们说过为了不影响塑料材料的性能,应用在减速机构蜗轮蜗杆上的润滑脂不会加入一些抗磨极压添加剂,那润滑及抗磨损的保障主要靠润滑脂中所添加的固体润滑剂,世界知名厂家应用在这个部件上的润滑脂所包含的固体润滑剂大多为 PTFE(聚四氟乙烯)材料,如欧洲一品牌提供给 TRW 公司应用在 C-EPS 蜗轮蜗杆减速机构的润滑脂固体润滑剂就为 PTFE ,同时固体润滑剂的添加也能够有效的减低在蜗轮蜗杆运转时的噪音,特别针对 C-EPS,由于减速机构作用在转向管柱上,离驾驶员比较近,噪音测试要求<60Db。

2.2 金属齿轮齿条的润滑

车辆的方向转动是靠齿轮与齿条的运转时齿条的左右摆动来实现,为了使齿轮齿条的配合更为紧密,在齿条背面有一 U 型的支撑滑块,以保证转向力矩的传递以及减少运行时齿轮齿条的噪音,齿轮齿条都为金属材质,在高的载荷条件下要求润滑脂具有极好的抗极压特性,所选择润滑脂在添加剂方面会加入极压剂及二硫化钼类固体润滑剂,稠化剂选择通用型的锂基稠化剂,因为锂基稠化剂在耐高温,耐水性,抗剪切性等方面综合性能比较优异,基础油的选择多为精制的矿物油(主要从降低成本方面考虑,一般齿轮齿条润滑脂使用量单台在 20-25 克),这种类型的润滑脂操作温度-30-130℃,基本满足车辆行使要求,如果要稳定在-40℃低温环境下运行,基础油的选择还是考虑用全合成基础油。特别强调在齿轮齿条位置所选择的润滑脂中所包含的二硫化钼固体润滑剂,在磨合期能表现出非常优异的性能,二硫化钼材料在金属表面的黏附性极强,并且具有高的承载能力及低的摩擦系数,工作温度可以从-70-400℃。 由于金属加工成型后在微观结构表面都是凹凸不平的(如右图),初始磨合过程中表现出摩擦副之间金属的波峰与波峰之间接触,造成干摩擦,二硫化钼颗粒能够非常好的覆盖在金属凹凸不平的表面,以帮助度过磨合期。 对于二硫化钼材料,其本身的纯度及颗粒的均匀度直接影响了在使用过程中的性能,应用在齿轮齿条上的润滑脂,二硫化钼的添加量不能过大,因为二硫化钼材料不像液体状的基础油能够易于流动,其在运行过程中要靠基础油将其分散在摩擦副表面,太大的添加量会造成运行时的阻力,一般控制在 3%以内。

由于二硫化钼材料不易分散的特性,在低温状态下基础油的流动性变差,二硫化钼材料很难均分分散在摩擦副表面,并造成工件的运行阻力,个别生产厂家的润滑脂的选择不添加二硫化钼材料,而用其他的抗磨及极压剂来提高润滑脂的润滑性能。如 TRW 公司所选择应用在齿轮齿条的润滑脂为无添加二硫化钼材料的锂基稠化精制矿物油润滑脂,同时降低了基础油的粘度,该产品符合 TRW TMS-L-10482 标准,能满足-40-150℃的

温度使用范围,当然由于未添加二硫化钼材料及低的基础油粘度,润滑脂的抗磨损性能会变差,这需要生产厂家在齿轮齿条的机械加工的精度方面要求非常高。

2.3 转向球头的润滑

转向直拉杆与转向摇臂及转向节臂的相对运动都为空间运动,为了不发生干涉,三者之间都采用球头销,球头销的球头与底座(见右图)之间接触压力很大,既有上下运动,也有转动。 既受轴向力,又有推力,还伴随这微动,如果球头与球头底座之间润滑不良,球节间会发生异常的磨损和金属疲劳,伴随着转向时噪音的出现,严重时直接危害汽车的行使安全。球头销的球头与球头座有钢-钢及钢-塑料(POM 或者 PA 66),摩擦副的材料不同,对润滑脂的组份要求也不同,

针对钢-钢摩擦幅一般选择用含二硫化钼的锂基润滑脂,这种球头一般应用在载荷比较大的商用车上,对于钢-塑料摩擦副一般选择用含 PTFE 固体润滑材料的锂基润滑脂,应用在乘用车球头上。

美国一著名润滑脂生产厂家为开发在正常条件下预期寿命 10年行使 150000mile(1mile=1.609km)无须维修保养的球节,用Cameron Plint TE-77 高频摩擦试验机对影响终生润滑球头使用寿命的因素做考察,其中选择了几款不同类型的润滑脂进行摩擦系数及摩擦阻力稳定性测试,测试结果如右图(测试条件如右图中所例),从润滑脂对于摩擦系数的影响来看,用聚四氟乙烯稠化的硅油润滑脂在不断加载的测试中保持比较低的摩擦系数,但是在做往复循环测试过程中,摩擦阻力变的非常不稳定,结果如下图:

从图中可以看出锂基稠化的半合成基础油(矿物+PAO)润滑脂在不断的往复测试中,摩擦阻力表现最为稳定,基于球头生产厂家的不同要求,对于润滑脂的选择各有差异,但是如果专门针对转向球头上润滑脂的使用,我们还是倾向于使用锂基稠化的半合成基础油润滑脂,并且在润滑脂中加入一些特殊固体润滑剂(PTFE 以及高密度聚乙烯材料等)

3,其他部件的润滑

电子助力转向系统的润滑还包括很多其他部件的润滑,例如助力电机花键轴的润滑,可伸缩管柱的润滑,方向盘旋转支撑轴承的润滑等等,无论什么部件的润滑,在润滑脂的选择前,我们都需要先考虑摩擦副的材料,运行状态,运行要求,以及掌握润滑脂中各种组成成份的特性,这样我们才能做到选脂正确,并保障电子助力转向系统的正常运行,保持优异的性能。

4,结束语

电子助力转向系统的设计不断的在更新及发展,将在未来更加的节能,更加的智能,适合的乘用车载重也越来越大,在各关键部件的润滑方面我们还需要仔细的认真研究,我们在设计各部件的结构的同时,我们也应该考虑润滑脂在其中所起的作用,润滑脂选择的对与错将在一定程度上决定了我们所设计的电子助力转向系统的运转性能和寿命。

参考文献

1.钟泰钢,钟淑芳.汽车用润滑脂及添加剂.化学工业出版社 176-177