本文作者是圣戈班噪音與震動(dòng)工程師Alfred Lethbridge博士

由于歷年來對(duì)汽車噪音的管制越來越嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音顯著降低。而隨著電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車、現(xiàn)代靜音混合燃料汽車和一鍵啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的興起，這種趨勢(shì)已經(jīng)有所增加。這對(duì)周邊環(huán)境有著巨大的積極影響，較強(qiáng)的噪音等級(jí)也會(huì)給道路帶來壓力。對(duì)于想要安靜駕駛的司機(jī)來說，這也是個(gè)好消息。然而，當(dāng)安靜的發(fā)動(dòng)機(jī)中存在輕微噪音、咯吱聲則會(huì)變得尤為明顯。

道路條件和輪胎以及懸掛技術(shù)的改進(jìn)意味著駕駛體驗(yàn)變得更加流暢，也意味著汽車系統(tǒng)對(duì)于駕駛舒適性變得更加明顯。這進(jìn)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(dāng)工程師花時(shí)間充分理解客戶面臨的挑戰(zhàn)時(shí)，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(jìn)行充分測(cè)試和詳盡調(diào)查，結(jié)果顯示，影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)質(zhì)量的兩個(gè)重要特征分別是噪音和轉(zhuǎn)向體驗(yàn)。

如圖1所示，轉(zhuǎn)向齒條軸承（又叫轉(zhuǎn)向齒條導(dǎo)向軸承）在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中具有關(guān)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(gè)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(dòng)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(yàn)。因此，必須確保齒條軸承的滑動(dòng)層設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)使得齒條軸承滑動(dòng)層與轉(zhuǎn)向齒條之間存在線接觸。這就在滑動(dòng)面上產(chǎn)生了高壓力，進(jìn)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(dǎo)致“齒震”或發(fā)出嘎啦聲。

根據(jù)客戶個(gè)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(gè)使用壽命期間確保高品質(zhì)的產(chǎn)品。圖2給出另一個(gè)示例，表明由兩個(gè)齒條軸承形狀產(chǎn)生軸承壓力的有限元分析，其中一個(gè)形狀與提供線接觸的齒條的一致性較差，另一個(gè)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(gè)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(gè)問題是摩擦力隨著時(shí)間推移而增加。用燒結(jié)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(huì)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(jié)構(gòu)的金屬部分不暴露在外。圖3顯示了耐久性測(cè)試對(duì)燒結(jié)青銅和PTFE的產(chǎn)品的摩擦力和動(dòng)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(shè)計(jì)，兩個(gè)圣戈班NORGLIDE?齒條軸承采用較大接觸的設(shè)計(jì)。燒結(jié)青銅和PTFE的軸承在零件的整個(gè)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(dòng)靜摩擦值。

圖3：通過耐久性測(cè)試，我們可以看出磨損對(duì)性能的影響。實(shí)測(cè)（a）動(dòng)摩擦力和（b）動(dòng)靜摩擦力檢測(cè)通過：

[1] Danijela Miloradovi, Jasna Gli ovi, Jovanka Luki，“道路汽車噪聲條例 - 趨勢(shì)和未來活動(dòng)”，《流動(dòng)性與汽車力學(xué)》，第43卷，第1期，2017年