帶雙聯軸節的轉向系統平臺化布置

馬世友，趙國旗，魏嬌

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

市場對汽車底盤性能要求越來越高，轉向器輪心前置布置的轉向系統能提升汽車的運動性能，但是由于轉向系統平臺化和機艙空間限制，普通雙十字軸的轉向系統力矩波動大，無法滿足布置要求。一種帶雙聯軸節的轉向系統能夠最大限度地滿足轉向系統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，闡述帶雙聯軸節的轉向系統布置及力矩波動計算。

帶雙聯軸節的轉向系統結構型式

如圖1所示，帶雙聯軸節的轉向系統包含了三個十字軸，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的節叉4連接。為了實現等速或準等速傳動，雙聯節叉4兩端的相位角為0°。

圖1 帶雙聯軸節的轉向系統

如圖2所示，雙聯十字軸包含節叉3、節叉4、節叉5和兩個十字軸C和D。其中節叉3和節叉5旋轉運動軸線的交點，通過一對球頭和球頭座連接，其作用是保持節叉3和節叉5旋轉運動的唯一性。節叉4兩頭分別連接十字軸C和十字軸D，為傳動結構。轉向系統的力矩傳遞路線為轉向盤→轉向管柱→單十字軸B→轉向傳動軸→節叉3→雙聯十字軸C→節叉4→雙聯十字軸D→節叉5，然后通過節叉5與轉向器輸入軸相連。

圖2 雙聯軸節結構形式

帶雙聯軸節轉向系統的平臺化布置

帶雙聯軸節的轉向系統有5個硬點，分別是：轉向盤中心點A、普通十字軸中心點B、雙聯十字軸中心點C和D，以及轉向器輸入軸線上硬點E（見圖3）。

圖3 同平臺下SUV和轎車轉向系統

為了提高同平臺下SUV和轎車零部件共通化率，一般轉向管柱和轉向器零件共通。布置時，轉向器位置相同，即D點和E點相同。轉向管柱依據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和轎車的轉向系統硬點布置見表1。

表1 某平臺下SUV和轎車的轉向系統硬點布置

從硬點可知，轉向器共通。SUV和轎車的轉向系統AB長度一樣，實現轉向管柱零件共通。因為SUV和轎車坐姿高低差異，SUV較轎車高82mm，位置靠前16m m。轉向傳動軸BC段有伸縮功能，依據安全碰撞潰縮長度和供應商能力確定是否可以共通。本文討論的SUV和轎車轉向系統長度分別為678mm和658mm，長度相差20mm，通過碰撞潰縮分析結果，設計時實現了共通。

帶雙聯軸節的轉向系統力矩波動計算

帶雙聯軸節的轉向系統力矩波動量計算比較復雜，目前沒有成熟的公式。本文依據轉向系統力矩波動量目標值≤5%，將系統拆為雙聯軸節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；為實現雙聯軸節的等速或準等速傳動效果，本文中討論的雙聯軸節的τ=0°；

φ——中間軸相位角。為實現雙聯軸節的等速或準等速傳動效果，本文中討論的雙聯軸節處的相位角φ=0°。

帶雙聯軸節的轉向系統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）單十字軸和雙聯軸組合的轉向系統力矩波動量計算 當雙聯軸為等速傳動時（等速條件為CO段等于OD段長，也即是β1=β2，等效夾角βe=0），轉向系統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雙聯軸處的等效夾角βe1依公式（2）算出，雙聯軸結構中，式中τ和φ均為0°；因雙聯軸結構中β1和β2差異較小，等效夾角βe12=β12-β22＞0°，且較小；②轉向系統的等效夾角依公式（2）計算，式中φ設計為等于τ，轉向系統的等效夾角βe22=12.72－βe12＜12.72，所以轉向系統的等效夾角βe2＜12.7°。

綜上，當雙聯軸為等速傳動時，轉向系統力矩波動量等于單十字軸處力矩波動量；當雙聯軸為準等速傳動時，轉向系統力矩波動量小于單十字軸處力矩波動量。依轉向系統力矩波動量≤5%要求，單十字軸處軸交角≤12.7°。

依據以上計算方法，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。

結語

在平臺化設計中，轉向系統是較復雜的一個系統，其轉向器端連接轉向節與懸架姿態有關，轉向管柱端連接方向盤與人體坐姿有關，且轉向系統的布置對動態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和轎車可實現轉向器布置位置共通，轉向管柱零件共通，依據SUV和轎車人體坐姿不同而布置位置差異，轉向傳動軸可依據其長度差異和碰撞潰縮距離確定是否共通，大大降低了設計開發成本，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，便于工程中應用。