基于基础知识进行的转向传动轴运动布置校核

陈晓英

（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000）

设计研究

基于基础知识进行的转向传动轴运动布置校核

陈晓英

（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000）

运用CATIA三维数字模型 “DMU Kinematics” 模块，分别对转向管柱及转向传动轴相关件进行约束，获得转向传动轴运动模型及转向传动半轴运动包络、转向传动轴当量夹角，用于验证转向传动轴与周边件间隙及其力矩波动是否符合设计要求，进而为布置设计转向传动轴十字轴位置提供理论依据。

方向盘；转向管柱；转向传动轴；十字万向节

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

前言

转向传动轴用于传递驾驶员的驱动转向及回馈车轮振动产生的逆向力及力矩，转向传动轴一般由两个万向十字节及滑动轴部分组成，由于布置的需要，往往转向传动轴与转向管柱及其与转向器间存在角度，角度的存在就会引起转向传动轴传递的力及扭矩产生周期性的波动，波动的产生会让驾驶员转向时感到不平顺，影响车辆的驾驶品质。布置要求转向传动轴力矩波动控制在5%以内。本文介绍乘用车型转向传动轴的运动校核，获得传动轴动运包络及方向盘转动一圈传动轴传动力矩的波动量，分析转向传动轴的万向节设计位置点是否合理，并可验证传动轴与周边件空间。下面以CATIA基础知识来介绍转向传动轴运动模型的建立及布置校核。

1、转向传动轴运动校核输入条件

转向传动轴运动校核之前要具备设计完成的转向传动轴及相关设计数字模型，包括方向盘、转向管柱总成、转向传动轴总成。

2、转向传动轴运动校核零部件分解

进行运动校核前需将参与运动的各零部件分解为：方向盘；转向管柱壳体及转向管柱内轴；转向转动轴上十字节、转向传动轴上、转向传动轴下及转向转动轴下十字节；转向器输入轴；另外，在数字模型中还要建立一个模拟车身的辅助固定静态部件。

3、传动轴运动模型建立

B、建立product文件，将分解的相关part调入，点击创建运动副命令后点击新机构，确定创建机制1，如下图：

L、在建好的运动副中双击转向运动输入转动角度，本案例中加入转向管柱内轴转角，此角度值为转向传动的驱动行程。

建好各运动副后如果没有错误，则在所建运动分析总目录机制处的自由度标识DOF应为“DOF= 0”此时双击整个机构可进行运动演示。

M、仿真模拟生成制作

按下图示顺序点击模拟图标，拖动驱动条并储存运动建立模拟演示次序。

N、重放

建好编辑模拟后才能点击重放命令，在对话框中可设置需要进行模拟的序号，在时间步骤里设计模拟演示的时间快慢，到此运动模型算是完成。

P、转向传动轴包络体制作

Q、可调转向管柱其它位置的运动

增加转向管柱与固定件之间纯转动，在此位置转向传动轴的空间包络的制作及力矩波动计算可参照上面的A-P项进行。

4、转向传动轴校核

A、空间位置布置校核

可将动动分析过程中形成的包络载入数模中进行核转向传动轴与周围其它部件间的间隙值是否满足设计要求。

B、转向传动力矩波动的校核

对于转向传动轴的校核重点之一是对转向力矩波动的校核，布置转向管柱的位置直接影响到转向传动轴的布置十字轴角度，而角度大小影响力矩波动的大小，力矩波动会导致产生转向力时轻时重的现象，影响到驾驶员对转向系统的感觉，从而引起驾驶员的不舒服和疲劳，给驾驶带来潜在的危险。

B.1.单万向节转向力矩波动量的计算

根据机械原理，单个十字轴万向节主、从动叉轴转角φ1，φ2的关系为：

φ1—— 主动叉轴转角，定义为万向节主动叉所在平面与万向节主、从动叉轴所在平面的夹角

φ2—— 与φ1相对应的从动叉轴转角

β—— 主、从动叉轴之间的夹角

上式又可写为：

具体到转向传动轴布置位置确定后，主从叉之间夹角β不再变化，将上式两边对时间求导，整理后可得：

在上式中，因cosφ1是周期为π的周期函数，故ω2/ ω1亦为周期为π的周期函数。如ω1不变，则ω2每转2π角将变化两次。且当φ1=0，π，2π，···时，ω2/ ω1=1 /cosβ达最大值；当φ1=π/2，3π/2，···时ω2/ ω1=1 /cosβ由达最小值。即：

由上两式可知，十字轴万向节主、从动叉轴的角速度间存在下列不等式：

下图为某车型主动叉转角φ1与从动叉转角φ2β间的周期性变化关系见下图

对于输入方向盘主动叉一定的转角（十字轴的输入端），从动叉（十字轴输出端）产生了转动的不均匀性，从动叉轴旋转的不均匀性可用其不均匀性系数δ来表征：

B.2双万向节转向力矩波动量的计算

如下图所示，输入轴1与输出轴3既不平行也不相交，设为输出轴3与传动轴2所在的平面S2相对于输入轴1与传动轴2所在的平面S1沿旋转方向的导前角（导前为正号，迟后为负号），转向传动轴相位角为传动轴输出端万向节叉平面相对于输入端万向节叉平面沿旋转方向的导前角（导前为正号，迟后为负号）。

所以双万向节的当量夹角为：

当量夹角可以理解为，两个万向节产生的运动可以等效成一个夹角为βe的单万向节传动轴的运动。

波动量计算同单万向节计算方法：

为了达到一个较好的方向盘手感，的目标值为不大于5%。

对于双万向节转向传动轴的布置，可根据每个万向节中心点位置来具体确定出传动轴布置的角度，从而按上式进行计算，核实布置后的整个转向传动轴因空间的布置差异引起的力矩波动是否符合要求，对于双万向节的转向传动轴需要核实上极限、中位、下极限位置时的力矩波动值，要求满足波动值不大于5%，否则需要对转向管柱相关尺寸及转向传动轴万向节中心位置进行调整。

[1]《汽车设计》 刘惟信主编 清华大学出版社 ISBN 7-302-04529-1/TH·94.

[2]《汽车传动系万向节传动装置的多目标优化设计》 吴汀武汉汽车工业大学学报 U463.216+1 1999年第01期.

[3]《空间多万向节传动的转角差和当量夹角的计算》 冯振东 CAD/CAM与制造业信息化 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

陈晓英，就职于长城汽车股份有限公司技术中心。