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(dòng)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(dòng)的轉(zhuǎn)角差和當(dāng)量夾角的通用計(jì)算公式，同時(shí)考慮到中間傳動(dòng)軸的加工誤差產(chǎn)生的影響，對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行力矩波動(dòng)校核，以達(dá)到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)的總布置設(shè)計(jì)要求。

中間傳動(dòng)軸；力矩波動(dòng)；十字軸萬向節(jié)；當(dāng)量夾角

1 力矩波動(dòng)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(dòng)軸，轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)上（如圖1所示），由于此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為雙十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)，而十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)為非等速萬向節(jié)，所以要想達(dá)到理想的等速傳動(dòng)，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(shè)計(jì)中，為了避免與油門踏板、制動(dòng)踏板等其它零部件的干涉，轉(zhuǎn)向管柱與轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸的相對(duì)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(dòng)軸的加工誤差影響，導(dǎo)致此轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不能成為理想的等速傳動(dòng)，進(jìn)而造成傳動(dòng)的力矩波動(dòng)，如果不把力矩波動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)，將會(huì)影響汽車的操縱穩(wěn)定性及舒適性。

圖1 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置方向

2 轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)計(jì)算方法

2.1 單萬向節(jié)轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)量的計(jì)算

根據(jù)機(jī)械原理，可以推導(dǎo)出單個(gè)十字軸萬向節(jié)主、從動(dòng)叉軸轉(zhuǎn)角，的精確表達(dá)式為：

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

φ2為與φ1相對(duì)應(yīng)的從動(dòng)叉軸轉(zhuǎn)角

β為萬向節(jié)的主動(dòng)軸與從動(dòng)軸線之間的夾角

上式又可寫為：

若夾角不變，將上式兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，整理后可得：

由上式可以看出，當(dāng)β、ω1一定時(shí)

φ1=90°或270時(shí)，ω2min=ω1·cosβ

如不計(jì)萬向節(jié)的摩擦損失，主動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩T1和從動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩T2與各自相應(yīng)的角速度有關(guān)系式T1ω1=T2ω2，進(jìn)而推出：

當(dāng)β、ω1一定時(shí)

由以上分析可知，具有夾角的十字軸萬向節(jié)，僅在主動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和從動(dòng)軸反轉(zhuǎn)矩的作用下是不能平衡的。這是因?yàn)檫@兩個(gè)轉(zhuǎn)矩作用在不同的平面內(nèi)，在不計(jì)萬向節(jié)慣性力矩時(shí)，它們的矢量互成一角度而不能自行封閉，此時(shí)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(dòng)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(dòng)量可以用速度不均勻系數(shù)來表示：

力矩波動(dòng)可引起與萬向節(jié)相連零部件的彎曲振動(dòng)，可在萬向節(jié)主、從動(dòng)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(dòng)，使傳動(dòng)軸產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形。因此，為了控制附加彎矩，應(yīng)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(dòng)力矩波動(dòng)量的計(jì)算

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

圖4 轉(zhuǎn)向矩力計(jì)算

通過空間雙萬向節(jié)傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)分析可知，兩個(gè)萬向節(jié)傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)可以等效成一個(gè)夾角為的單萬向節(jié)傳動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)，即為當(dāng)量夾角，推導(dǎo)公式為：

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

δ=tanβe·sinβe

βe為雙萬向節(jié)的當(dāng)量夾角；機(jī)械設(shè)計(jì)定義汽車類機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)的取值范圍為1/60～1/20。故為了達(dá)到一個(gè)較好的方向盤手感，δ的目標(biāo)值為不大于5%。

3 利用力矩波動(dòng)量的計(jì)算對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)的布置進(jìn)行校核

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

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

圖5 工作流程圖

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

[2]王予望.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)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(xué)本科，助理工程師，主要研究方向:汽車總布置設(shè)計(jì)。