轉(zhuǎn)向力矩波動的校核方法

王斌

（北京汽車制造廠有限公司，河北 黃驊 061100）

轉(zhuǎn)向力矩波動的校核方法

王斌

（北京汽車制造廠有限公司，河北 黃驊 061100）

文章利用空間雙十字軸萬向節(jié)傳動的轉(zhuǎn)角差和當量夾角的通用計算公式，同時考慮到中間傳動軸的加工誤差產(chǎn)生的影響，對轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)進行力矩波動校核，以達到轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)的總布置設計要求。

中間傳動軸；力矩波動；十字軸萬向節(jié)；當量夾角

1 力矩波動校核原因

在轉(zhuǎn)向操縱過程中，轉(zhuǎn)向力依次通過方向盤，轉(zhuǎn)向管柱，中間傳動軸，轉(zhuǎn)向機輸入軸傳遞到轉(zhuǎn)向機上（如圖1所示），由于此傳動機構為雙十字軸萬向節(jié)傳動，而十字軸萬向節(jié)傳動為非等速萬向節(jié)，所以要想達到理想的等速傳動，雙十字軸萬向節(jié)必須布置在同一平面內(nèi)，且兩萬向節(jié)夾角相等（如圖2所示）。但是在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總布置設計中，為了避免與油門踏板、制動踏板等其它零部件的干涉，轉(zhuǎn)向管柱與轉(zhuǎn)向機輸入軸的相對位置往往被布置成既不平行也不相交的空間位置，再加上中間傳動軸的加工誤差影響，導致此轉(zhuǎn)向機構不能成為理想的等速傳動，進而造成傳動的力矩波動，如果不把力矩波動控制在一定范圍內(nèi)，將會影響汽車的操縱穩(wěn)定性及舒適性。

圖1 傳動結(jié)構圖

圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置方向

2 轉(zhuǎn)向力矩波動計算方法

2.1 單萬向節(jié)轉(zhuǎn)向力矩波動量的計算

根據(jù)機械原理，可以推導出單個十字軸萬向節(jié)主、從動叉軸轉(zhuǎn)角，的精確表達式為：

φ1為主動叉軸轉(zhuǎn)角，起始面定為萬向節(jié)主動軸與從動軸所在的平面

φ2為與φ1相對應的從動叉軸轉(zhuǎn)角

β為萬向節(jié)的主動軸與從動軸線之間的夾角

上式又可寫為：

若夾角不變，將上式兩邊對時間求導，整理后可得：

由上式可以看出，當β、ω1一定時

φ1=90°或270時，ω2min=ω1·cosβ

如不計萬向節(jié)的摩擦損失，主動軸轉(zhuǎn)矩T1和從動軸轉(zhuǎn)矩T2與各自相應的角速度有關系式T1ω1=T2ω2，進而推出：

當β、ω1一定時

由以上分析可知，具有夾角的十字軸萬向節(jié)，僅在主動軸驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和從動軸反轉(zhuǎn)矩的作用下是不能平衡的。這是因為這兩個轉(zhuǎn)矩作用在不同的平面內(nèi)，在不計萬向節(jié)慣性力矩時，它們的矢量互成一角度而不能自行封閉，此時在萬向節(jié)上必然還作用有另外的附加彎矩，且彎矩大小成周期變化（如圖3所示），此為力矩波動的根本原因。

圖3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)周期變化

單十字軸萬向節(jié)的力矩波動量可以用速度不均勻系數(shù)來表示：

力矩波動可引起與萬向節(jié)相連零部件的彎曲振動，可在萬向節(jié)主、從動軸支承上引起周期性變化的徑向載荷，從而激起支承處的振動，使傳動軸產(chǎn)生附加應力和變形。因此，為了控制附加彎矩，應避免單萬向節(jié)兩軸之間的夾角過大，一般≤30°。

2.2 空間雙萬向傳動力矩波動量的計算

如圖4所示，輸入軸1與輸出軸3既不平行也不相交，設τ為輸出軸3與傳動軸2所在的平面S2相對于輸入軸1與傳動軸2所在的平面S1沿旋轉(zhuǎn)方向的導前角（導前為正號，遲后為負號），中間傳動軸相位角φ為中間傳動軸輸出端萬向節(jié)叉平面相對于輸入端萬向節(jié)叉平面沿旋轉(zhuǎn)方向的導前角（導前為正號，遲后為負號）。

圖4 轉(zhuǎn)向矩力計算

通過空間雙萬向節(jié)傳動的運動分析可知，兩個萬向節(jié)傳動的運動可以等效成一個夾角為的單萬向節(jié)傳動軸的運動，即為當量夾角，推導公式為：

βe為當量夾角；β1為輸入軸與傳動軸的夾角；β2為傳動軸與輸出軸的夾角；空間雙萬向節(jié)傳動的力矩波動量計算同單萬向節(jié)傳動力矩波動量表示方法：

δ=tanβe·sinβe

βe為雙萬向節(jié)的當量夾角；機械設計定義汽車類機械運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)的取值范圍為1/60～1/20。故為了達到一個較好的方向盤手感，δ的目標值為不大于5%。

3 利用力矩波動量的計算對轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)的布置進行校核

根據(jù)當量夾角的計算公式可知，當β1=β2且τ-φ時，βe=0。所以在布置轉(zhuǎn)向傳動軸時，盡量使雙萬向節(jié)的兩個萬向節(jié)夾角相等且中間傳動軸的相位角為最佳相位角，這樣才能降低傳動系統(tǒng)的力矩波動量。但中間傳動軸的相位角在裝配過程中具有公差，考慮到工藝的實現(xiàn)，公差推薦值為±2°。

在轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)力矩波動校核的實際工作，流程如圖5所示。

圖5 工作流程圖

[1]汽車工程手冊編寫組編.汽車工程手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[2]王予望.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

On Checking Method of Steering Torque Fluctuations

WANG Bin
(Beijing Automobile Factory co.,LTD.,Huanghua,Hebei 061100,China).

This paper adopted the general calculation formula used to calculate the shaft angle variation of a space double universal joint cross shaft and equivalent angle,at the same time,considering the impact of the machining errors of intermediate shaft,the steering transmission system was checked for torque fluctuation,hoping to meet the general demand of steering transmission system layout on layout design.

intermediate shaft;torque fluctuation;universal joint cross shaft;equivalent angle

U463.4

A

2095-980X（2015）04-0027-02

2015-02-15

王斌（1986-），男，河北滄州人，大學本科，助理工程師，主要研究方向:汽車總布置設計。