基于基礎知識進行的轉向傳動軸運動布置校核

陳曉英

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

設計研究

基于基礎知識進行的轉向傳動軸運動布置校核

陳曉英

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

運用CATIA三維數字模型 “DMU Kinematics” 模塊，分別對轉向管柱及轉向傳動軸相關件進行約束，獲得轉向傳動軸運動模型及轉向傳動半軸運動包絡、轉向傳動軸當量夾角，用于驗證轉向傳動軸與周邊件間隙及其力矩波動是否符合設計要求，進而為布置設計轉向傳動軸十字軸位置提供理論依據。

方向盤；轉向管柱；轉向傳動軸；十字萬向節

CLC NO.:U463.2Docum ent Code:AArticle ID:1671-7988(2014)06-13-05

前言

轉向傳動軸用于傳遞駕駛員的驅動轉向及回饋車輪振動產生的逆向力及力矩，轉向傳動軸一般由兩個萬向十字節及滑動軸部分組成，由于布置的需要，往往轉向傳動軸與轉向管柱及其與轉向器間存在角度，角度的存在就會引起轉向傳動軸傳遞的力及扭矩產生周期性的波動，波動的產生會讓駕駛員轉向時感到不平順，影響車輛的駕駛品質。布置要求轉向傳動軸力矩波動控制在5%以內。本文介紹乘用車型轉向傳動軸的運動校核，獲得傳動軸動運包絡及方向盤轉動一圈傳動軸傳動力矩的波動量，分析轉向傳動軸的萬向節設計位置點是否合理，并可驗證傳動軸與周邊件空間。下面以CATIA基礎知識來介紹轉向傳動軸運動模型的建立及布置校核。

1、轉向傳動軸運動校核輸入條件

轉向傳動軸運動校核之前要具備設計完成的轉向傳動軸及相關設計數字模型，包括方向盤、轉向管柱總成、轉向傳動軸總成。

2、轉向傳動軸運動校核零部件分解

進行運動校核前需將參與運動的各零部件分解為：方向盤；轉向管柱殼體及轉向管柱內軸；轉向轉動軸上十字節、轉向傳動軸上、轉向傳動軸下及轉向轉動軸下十字節；轉向器輸入軸；另外，在數字模型中還要建立一個模擬車身的輔助固定靜態部件。

3、傳動軸運動模型建立

B、建立product文件，將分解的相關part調入，點擊創建運動副命令后點擊新機構，確定創建機制1，如下圖：

L、在建好的運動副中雙擊轉向運動輸入轉動角度，本案例中加入轉向管柱內軸轉角，此角度值為轉向傳動的驅動行程。

建好各運動副后如果沒有錯誤，則在所建運動分析總目錄機制處的自由度標識DOF應為“DOF= 0”此時雙擊整個機構可進行運動演示。

M、仿真模擬生成制作

按下圖示順序點擊模擬圖標，拖動驅動條并儲存運動建立模擬演示次序。

N、重放

建好編輯模擬后才能點擊重放命令，在對話框中可設置需要進行模擬的序號，在時間步驟里設計模擬演示的時間快慢，到此運動模型算是完成。

P、轉向傳動軸包絡體制作

Q、可調轉向管柱其它位置的運動

增加轉向管柱與固定件之間純轉動，在此位置轉向傳動軸的空間包絡的制作及力矩波動計算可參照上面的A-P項進行。

4、轉向傳動軸校核

A、空間位置布置校核

可將動動分析過程中形成的包絡載入數模中進行核轉向傳動軸與周圍其它部件間的間隙值是否滿足設計要求。

B、轉向傳動力矩波動的校核

對于轉向傳動軸的校核重點之一是對轉向力矩波動的校核，布置轉向管柱的位置直接影響到轉向傳動軸的布置十字軸角度，而角度大小影響力矩波動的大小，力矩波動會導致產生轉向力時輕時重的現象，影響到駕駛員對轉向系統的感覺，從而引起駕駛員的不舒服和疲勞，給駕駛帶來潛在的危險。

B.1.單萬向節轉向力矩波動量的計算

根據機械原理，單個十字軸萬向節主、從動叉軸轉角φ1，φ2的關系為：

φ1—— 主動叉軸轉角，定義為萬向節主動叉所在平面與萬向節主、從動叉軸所在平面的夾角

φ2—— 與φ1相對應的從動叉軸轉角

β—— 主、從動叉軸之間的夾角

上式又可寫為：

具體到轉向傳動軸布置位置確定后，主從叉之間夾角β不再變化，將上式兩邊對時間求導，整理后可得：

在上式中，因cosφ1是周期為π的周期函數，故ω2/ ω1亦為周期為π的周期函數。如ω1不變，則ω2每轉2π角將變化兩次。且當φ1=0，π，2π，···時，ω2/ ω1=1 /cosβ達最大值；當φ1=π/2，3π/2，···時ω2/ ω1=1 /cosβ由達最小值。即：

由上兩式可知，十字軸萬向節主、從動叉軸的角速度間存在下列不等式：

下圖為某車型主動叉轉角φ1與從動叉轉角φ2β間的周期性變化關系見下圖

對于輸入方向盤主動叉一定的轉角（十字軸的輸入端），從動叉（十字軸輸出端）產生了轉動的不均勻性，從動叉軸旋轉的不均勻性可用其不均勻性系數δ來表征：

B.2雙萬向節轉向力矩波動量的計算

如下圖所示，輸入軸1與輸出軸3既不平行也不相交，設為輸出軸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沿旋轉方向的導前角（導前為正號，遲后為負號），轉向傳動軸相位角為傳動軸輸出端萬向節叉平面相對于輸入端萬向節叉平面沿旋轉方向的導前角（導前為正號，遲后為負號）。

所以雙萬向節的當量夾角為：

當量夾角可以理解為，兩個萬向節產生的運動可以等效成一個夾角為βe的單萬向節傳動軸的運動。

波動量計算同單萬向節計算方法：

為了達到一個較好的方向盤手感，的目標值為不大于5%。

對于雙萬向節轉向傳動軸的布置，可根據每個萬向節中心點位置來具體確定出傳動軸布置的角度，從而按上式進行計算，核實布置后的整個轉向傳動軸因空間的布置差異引起的力矩波動是否符合要求，對于雙萬向節的轉向傳動軸需要核實上極限、中位、下極限位置時的力矩波動值，要求滿足波動值不大于5%，否則需要對轉向管柱相關尺寸及轉向傳動軸萬向節中心位置進行調整。

[1]《汽車設計》 劉惟信主編 清華大學出版社 ISBN 7-302-04529-1/TH·94.

[2]《汽車傳動系萬向節傳動裝置的多目標優化設計》 吳汀武漢汽車工業大學學報 U463.216+1 1999年第01期.

[3]《空間多萬向節傳動的轉角差和當量夾角的計算》 馮振東 CAD/CAM與制造業信息化 U463.4 2008年Z1期.

Prensentation O f The Steering axle M oving Check Based On The foundational Know ledge

Chen Xiaoying
(Technology Center, Great Wall Motor Company Lim ited, HeiBei Automobile Technology Research Center, Hebei Baoding 071000)

Use the “DMU Kinematics”orders of CATIA ，We can restrict the Steering System objects to attain the modles , the bundles of steering shafts and steering joints , the angles of steering shafts ；We can check the correctness of the gaps between steering shaft and its circumstance objects, Check the positions of the steering joints and Count the equal angle of steering shafts，for a result to support the correctness of the steering joints position .

steering wheel；steering cannula；steering shaft；steering joint

U463.2

A

1671-7988(2014)06-13-05

陳曉英，就職于長城汽車股份有限公司技術中心。