轉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傳動的轉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生的影響，對轉向傳動系統進行力矩波動校核，以達到轉向傳動系統的總布置設計要求。

中間傳動軸；力矩波動；十字軸萬向節；當量夾角

1 力矩波動校核原因

在轉向操縱過程中，轉向力依次通過方向盤，轉向管柱，中間傳動軸，轉向機輸入軸傳遞到轉向機上（如圖1所示），由于此傳動機構為雙十字軸萬向節傳動，而十字軸萬向節傳動為非等速萬向節，所以要想達到理想的等速傳動，雙十字軸萬向節必須布置在同一平面內，且兩萬向節夾角相等（如圖2所示）。但是在轉向系統的總布置設計中，為了避免與油門踏板、制動踏板等其它零部件的干涉，轉向管柱與轉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，將會影響汽車的操縱穩定性及舒適性。

圖1 傳動結構圖

圖2 轉向系統布置方向

2 轉向力矩波動計算方法

2.1 單萬向節轉向力矩波動量的計算

根據機械原理，可以推導出單個十字軸萬向節主、從動叉軸轉角，的精確表達式為：

φ1為主動叉軸轉角，起始面定為萬向節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角

β為萬向節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

如不計萬向節的摩擦損失，主動軸轉矩T1和從動軸轉矩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，僅在主動軸驅動轉矩和從動軸反轉矩的作用下是不能平衡的。這是因為這兩個轉矩作用在不同的平面內，在不計萬向節慣性力矩時，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 轉向系統周期變化

單十字軸萬向節的力矩波動量可以用速度不均勻系數來表示：

力矩波動可引起與萬向節相連零部件的彎曲振動，可在萬向節主、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）。

圖4 轉向矩力計算

通過空間雙萬向節傳動的運動分析可知，兩個萬向節傳動的運動可以等效成一個夾角為的單萬向節傳動軸的運動，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；空間雙萬向節傳動的力矩波動量計算同單萬向節傳動力矩波動量表示方法：

δ=tanβe·sinβe

βe為雙萬向節的當量夾角；機械設計定義汽車類機械運轉速度不均勻系數的取值范圍為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向傳動系統的布置進行校核

根據當量夾角的計算公式可知，當β1=β2且τ-φ時，βe=0。所以在布置轉向傳動軸時，盡量使雙萬向節的兩個萬向節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，公差推薦值為±2°。

在轉向傳動系統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：機械工業出版社，2001.

[2]王予望.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，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。