馬世友，趙國旗，魏嬌

長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

市場對汽車底盤性能要求越來越高，轉(zhuǎn)向器輪心前置布置的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能提升汽車的運動性能，但是由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)平臺化和機艙空間限制，普通雙十字軸的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動大，無法滿足布置要求。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)平臺化和機艙布置空間狹小的需求，且能夠滿足力矩波動的要求。本文通過一個包含了SUV和轎車的平臺，闡述帶雙聯(lián)軸節(jié)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置及力矩波動計算。

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)包含了三個十字軸，其中，B點為普通單十字軸，C點和D點兩個十字軸通過一個雙聯(lián)的節(jié)叉4連接。為了實現(xiàn)等速或準等速傳動，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和兩個十字軸C和D。其中節(jié)叉3和節(jié)叉5旋轉(zhuǎn)運動軸線的交點，通過一對球頭和球頭座連接，其作用是保持節(jié)叉3和節(jié)叉5旋轉(zhuǎn)運動的唯一性。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)的平臺化布置

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

圖3 同平臺下SUV和轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

為了提高同平臺下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，轉(zhuǎn)向器位置相同，即D點和E點相同。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，某平臺下SUV和轎車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點布置見表1。

表1 某平臺下SUV和轎車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點布置

從硬點可知，轉(zhuǎn)向器共通。SUV和轎車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AB長度一樣，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱零件共通。因為SUV和轎車坐姿高低差異，SUV較轎車高82mm，位置靠前16m m。轉(zhuǎn)向傳動軸BC段有伸縮功能，依據(jù)安全碰撞潰縮長度和供應(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)長度分別為678mm和658mm，長度相差20mm，通過碰撞潰縮分析結(jié)果，設(shè)計時實現(xiàn)了共通。

帶雙聯(lián)軸節(jié)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動計算

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

力矩波動量計算公式為

式中δ——力矩波動量；

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。

雙十字軸傳動中，依計算等效夾角βe，計算力矩波動量。等效夾角計算公式為

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；為實現(xiàn)雙聯(lián)軸節(jié)的等速或準等速傳動效果，本文中討論的雙聯(lián)軸節(jié)的τ=0°；

φ——中間軸相位角。為實現(xiàn)雙聯(lián)軸節(jié)的等速或準等速傳動效果，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)力矩波動量可通過以下方式推算：

（1）單十字軸力矩波動量 根據(jù)公式（1），按力矩波動量≤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)力矩波動量計算 當雙聯(lián)軸為等速傳動時（等速條件為CO段等于OD段長，也即是β1=β2，等效夾角βe=0），轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩波動量等于單十字軸處的力矩波動量δ，所以單十字軸處軸交角β≤12.7°。

當雙聯(lián)軸為準等速傳動時（CO段不等于OD段長，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）計算，式中φ設(shè)計為等于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，當雙聯(lián)軸為等速傳動時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動量等于單十字軸處力矩波動量；當雙聯(lián)軸為準等速傳動時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動量小于單十字軸處力矩波動量。依轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動量≤5%要求，單十字軸處軸交角≤12.7°。

依據(jù)以上計算方法，本文中同平臺下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，均滿足力矩波動要求。

結(jié)語

在平臺化設(shè)計中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是較復(fù)雜的一個系統(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)的布置對動態(tài)性能和操作手感均有較大影響。

從以上論述可知，同平臺下SUV和轎車可實現(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)向傳動軸可依據(jù)其長度差異和碰撞潰縮距離確定是否共通，大大降低了設(shè)計開發(fā)成本，減少驗證周期。布置過程中，可以通過控制單十字軸處軸交角控制力矩波動。方法簡單快捷，便于工程中應(yīng)用。