帶雙聯(lián)軸節(jié)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)平臺(tái)化布置

馬世友，趙國(guó)旗，魏嬌

長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心 河北保定 071000

市場(chǎng)對(duì)汽車底盤性能要求越來(lái)越高，轉(zhuǎn)向器輪心前置布置的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能提升汽車的運(yùn)動(dòng)性能，但是由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)平臺(tái)化和機(jī)艙空間限制，普通雙十字軸的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)大，無(wú)法滿足布置要求。一種帶雙聯(lián)軸節(jié)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠最大限度地滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)平臺(tái)化和機(jī)艙布置空間狹小的需求，且能夠滿足力矩波動(dòng)的要求。本文通過(guò)一個(gè)包含了SUV和轎車的平臺(tái)，闡述帶雙聯(lián)軸節(jié)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置及力矩波動(dòng)計(jì)算。

帶雙聯(lián)軸節(jié)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式

如圖1所示，帶雙聯(lián)軸節(jié)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包含了三個(gè)十字軸，其中，B點(diǎn)為普通單十字軸，C點(diǎn)和D點(diǎn)兩個(gè)十字軸通過(guò)一個(gè)雙聯(lián)的節(jié)叉4連接。為了實(shí)現(xiàn)等速或準(zhǔn)等速傳動(dòng)，雙聯(lián)節(jié)叉4兩端的相位角為0°。

圖1 帶雙聯(lián)軸節(jié)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

如圖2所示，雙聯(lián)十字軸包含節(jié)叉3、節(jié)叉4、節(jié)叉5和兩個(gè)十字軸C和D。其中節(jié)叉3和節(jié)叉5旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸線的交點(diǎn)，通過(guò)一對(duì)球頭和球頭座連接，其作用是保持節(jié)叉3和節(jié)叉5旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的唯一性。節(jié)叉4兩頭分別連接十字軸C和十字軸D，為傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩傳遞路線為轉(zhuǎn)向盤→轉(zhuǎn)向管柱→單十字軸B→轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸→節(jié)叉3→雙聯(lián)十字軸C→節(jié)叉4→雙聯(lián)十字軸D→節(jié)叉5，然后通過(guò)節(jié)叉5與轉(zhuǎn)向器輸入軸相連。

圖2 雙聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)形式

帶雙聯(lián)軸節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的平臺(tái)化布置

帶雙聯(lián)軸節(jié)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有5個(gè)硬點(diǎn)，分別是：轉(zhuǎn)向盤中心點(diǎn)A、普通十字軸中心點(diǎn)B、雙聯(lián)十字軸中心點(diǎn)C和D，以及轉(zhuǎn)向器輸入軸線上硬點(diǎn)E（見圖3）。

圖3 同平臺(tái)下SUV和轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

為了提高同平臺(tái)下SUV和轎車零部件共通化率，一般轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向器零件共通。布置時(shí)，轉(zhuǎn)向器位置相同，即D點(diǎn)和E點(diǎn)相同。轉(zhuǎn)向管柱依據(jù)SUV和轎車人體高低不同坐姿，布置位置有差異。依照上述布置原則，某平臺(tái)下SUV和轎車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)布置見表1。

表1 某平臺(tái)下SUV和轎車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)布置

從硬點(diǎn)可知，轉(zhuǎn)向器共通。SUV和轎車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AB長(zhǎng)度一樣，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱零件共通。因?yàn)镾UV和轎車坐姿高低差異，SUV較轎車高82mm，位置靠前16m m。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸BC段有伸縮功能，依據(jù)安全碰撞潰縮長(zhǎng)度和供應(yīng)商能力確定是否可以共通。本文討論的SUV和轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)長(zhǎng)度分別為678mm和658mm，長(zhǎng)度相差20mm，通過(guò)碰撞潰縮分析結(jié)果，設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)了共通。

帶雙聯(lián)軸節(jié)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)計(jì)算

帶雙聯(lián)軸節(jié)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)量計(jì)算比較復(fù)雜，目前沒有成熟的公式。本文依據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)量目標(biāo)值≤5%，將系統(tǒng)拆為雙聯(lián)軸節(jié)力矩波動(dòng)量和單十字軸力矩波動(dòng)量，采用反向校驗(yàn)的方法，對(duì)系統(tǒng)布置提出要求。

力矩波動(dòng)量計(jì)算公式為

式中δ——力矩波動(dòng)量；

β——單十字軸的輸入軸和輸出軸軸交角，或雙十字軸等效夾角。

雙十字軸傳動(dòng)中，依計(jì)算等效夾角βe，計(jì)算力矩波動(dòng)量。等效夾角計(jì)算公式為

式中βe——等效夾角；

β1——輸入軸與中間軸夾角；

β2——中間軸與輸出軸夾角；

τ——輸入軸和中間軸所在平面與中間軸和輸出軸所在平面的夾角；為實(shí)現(xiàn)雙聯(lián)軸節(jié)的等速或準(zhǔn)等速傳動(dòng)效果，本文中討論的雙聯(lián)軸節(jié)的τ=0°；

φ——中間軸相位角。為實(shí)現(xiàn)雙聯(lián)軸節(jié)的等速或準(zhǔn)等速傳動(dòng)效果，本文中討論的雙聯(lián)軸節(jié)處的相位角φ=0°。

帶雙聯(lián)軸節(jié)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)量可通過(guò)以下方式推算：

（1）單十字軸力矩波動(dòng)量 根據(jù)公式（1），按力矩波動(dòng)量≤5%要求，可算出單十字軸處軸交角≤12.7°。

（2）單十字軸和雙聯(lián)軸組合的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)量計(jì)算 當(dāng)雙聯(lián)軸為等速傳動(dòng)時(shí)（等速條件為CO段等于OD段長(zhǎng)，也即是β1=β2，等效夾角βe=0），轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩波動(dòng)量等于單十字軸處的力矩波動(dòng)量δ，所以單十字軸處軸交角β≤12.7°。

當(dāng)雙聯(lián)軸為準(zhǔn)等速傳動(dòng)時(shí)（CO段不等于OD段長(zhǎng)，即β1與β2不相等）：①雙聯(lián)軸處的等效夾角βe1依公式（2）算出，雙聯(lián)軸結(jié)構(gòu)中，式中τ和φ均為0°；因雙聯(lián)軸結(jié)構(gòu)中β1和β2差異較小，等效夾角βe12=β12-β22＞0°，且較??；②轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的等效夾角依公式（2）計(jì)算，式中φ設(shè)計(jì)為等于τ，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的等效夾角βe22=12.72－βe12＜12.72，所以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的等效夾角βe2＜12.7°。

綜上，當(dāng)雙聯(lián)軸為等速傳動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)量等于單十字軸處力矩波動(dòng)量；當(dāng)雙聯(lián)軸為準(zhǔn)等速傳動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)量小于單十字軸處力矩波動(dòng)量。依轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)量≤5%要求，單十字軸處軸交角≤12.7°。

依據(jù)以上計(jì)算方法，本文中同平臺(tái)下S U V和轎車的單十字軸軸交角分別為2.5°和4.2°，比要求值12.7°小，均滿足力矩波動(dòng)要求。

結(jié)語(yǔ)

在平臺(tái)化設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是較復(fù)雜的一個(gè)系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)向器端連接轉(zhuǎn)向節(jié)與懸架姿態(tài)有關(guān)，轉(zhuǎn)向管柱端連接方向盤與人體坐姿有關(guān)，且轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置對(duì)動(dòng)態(tài)性能和操作手感均有較大影響。

從以上論述可知，同平臺(tái)下SUV和轎車可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器布置位置共通，轉(zhuǎn)向管柱零件共通，依據(jù)SUV和轎車人體坐姿不同而布置位置差異，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸可依據(jù)其長(zhǎng)度差異和碰撞潰縮距離確定是否共通，大大降低了設(shè)計(jì)開發(fā)成本，減少驗(yàn)證周期。布置過(guò)程中，可以通過(guò)控制單十字軸處軸交角控制力矩波動(dòng)。方法簡(jiǎn)單快捷，便于工程中應(yīng)用。