双十字轴万向节转向系统力矩波动的优化设计

徐春梅

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

双十字轴万向节转向系统力矩波动的优化设计

徐春梅

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽车转向力是汽车操纵稳定性评价中的重要指标，转向力的力矩波动直接影响着驾驶感受，合理的相位角设计能够有效地减少力矩波动。本文阐述了转向系统力矩波动原理，并运用该方法进行了某车型转向系统的优化设计。

转向系统；力矩波动；相位角

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)06-33-03

引言

汽车操纵系统包括转向盘，转向管柱和转向器总成，由于空间位置的限制，减少由于装置位置误差及部件的相对运动所引起的附件载荷，提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装，转向管柱经常采用双十字轴的万向节的结构[1]，如图1所示。由于转向操纵机构包含了不等速万向节，不可避免地存在转向力矩波动的问题，转向力矩波动在行驶时会导致产生转向力时重时轻的感受，影响驾驶员对转向系统的感觉，易导致驾驶员的不舒服和疲劳，给驾驶带来潜在的危险。因此对于转向系统力矩波动的源头，双十字轴万向节力矩的输入输出的相互间的关系必须研究明白，在转向系统的设计布置时，设计人员必须考虑如何减小力矩波动的范围。

1、力矩波动理论

1.1 空间夹角定义[2]

图2示出三轴间夹角示意图，图3示出两平面间夹角示意图，假设输入轴中心线（lineⅠ）和中心线（lineⅡ)形成的平面（PlaneⅠ）与输出轴中心线（lineⅢ）和中间轴中心线（lineⅡ）形成的平面（PlaneⅡ）之间的交角为α，定义α为假设PlaneⅠ固定不动，PlaneⅡ绕lineⅡ顺时针旋转与PlaneⅠ重合的角度。设计中间轴的相位角为中间段下端的十字叉相对中间段上端的十字叉顺时针转过的角度ψ，如图4所示。观察方向从驾驶室端至转向器顺时针为正。

1.2 双十字轴运动分析

单十字轴万向节主、从动轴之间夹角为β时，主、从动轴的角速度ω1、ω2之间存在如下关系[3]；

式[1]中: ϕ1为主动轴节叉转角，定义为万向节主动轴节叉所在平面相对万向节主、从动轴所在平面的转角。

根据以上分析，当一个十字轴式万向节连接的两个轴之间有一定夹角β时，输入轴和输出轴的转速是不相等的，且波动很大，为了解决这个问题，在汽车的传动系中常采用双万向节叉布置。双十字轴万向节要实现等速传动，必须满足严格的限定条件[3]：第一，输入轴和输出轴处于同一平面；第二，保证与传动轴相连的两个万向节节叉布置在同一平面内；第三，两万向节主、从动轴之间的夹角β1、β2相等，等速时传动速比ι=1。汽车转向管柱采用双十字轴万向节传动中，以上3个条件很难满足，输入轴和输出轴很难布置在同一个平面内，常见的布置如图6所示。

根据前面单十字轴的分析，同理，双十字轴万向节的输入轴、输出轴之间的关系为：

式[2]中：β1——输入轴与中间轴所夹锐角，（°）；

β2——中间轴与输出轴所夹锐角，（°）；

φ12——中间轴的转角，（°）；

ψ——中间轴相位角，（°）

1.3 力矩波动理论

设T1，T12，T2分别为输入轴、中间轴和输出轴所受力矩（传动效率忽略不计）。输入轴和输出轴传递的功率应该相等，即 T1ω1=T2ω2

对于三段式的空间布置的双十字轴万向节结构，可通过等效夹角的概念简化为单十字轴的万向节，等效夹角为：

式[3]中，βe——等效夹角；

α——输入轴和中间轴所在平面与中间轴与输出轴所在平面的夹角；

ψ——相位角。

由式[3]可以发现，决定等效夹角的结果的因素主要为β1、β2、α、ψ。为了达到最佳的传动性能，则希望等效夹角βe尽可能小，对于输入轴中心线、中间轴中心线及输出轴中心线的布置，要求β1、β2差值尽量小，最好小于6°。根据式当α+ψ=180o时，β取最小值，波动值可简化e为δ=tanβesin βe。为了得到一个较好的方向盘手感，对于δ的波动目标要求为5%。因此在β1、β2已确定的情况下需要通过调整相位角ψ来降低波动。

2、某车型转向系统双万向节传动优化设计

某车型为国内自主品牌的轻型客车，转向系统为液压助力式转向，转向器采用齿轮齿条式。根据驾驶室和转向系统的布置，要使转向轻便、灵活及减轻司机的疲劳，需要对转向操纵结构中的万向节传动进行优化设计，使力矩波动控制在许可的范围内。某车型转向系统结构图，如图7所示。

2.1 转向管柱布置优化

对转向系统转向管柱的布置数模进行测量，得到转向管柱的数据如表1所示，根据力矩波动的原理，选取ψ为5°，等效夹角βe最小，由于β1与β2的差值较大，计算δ=7.8%，不能满足要求。

为了降低力矩波动，在周边空间允许的范围内，在车型开发时讲转向器输入轴后转4°，即双十字万向节输出轴旋转4°，重新布置双万向节位置，重新测量数模，得到数据如表2所示，根据力矩波动原理，选取ψ为5°，等效夹角βe最小，计算δ=3.5%，可满足要求。

2.2 不同相位角对力矩波动影响的实物验证

为了进一步验证理论计算的力矩波动的结果，参照理论计算的结果，分别取6°、8°、10°、12°、14°、16°六个相位角的下轴，装在整车上进行力矩波动试验，试验结果如下：

由试验结果数据可发现，当下轴相位角为8°、10°和12°时，力矩波动在5%之内。

3、总结

文章通过力矩波动试验结合理论分析的方法，对转向系统双十字轴万向节传动进行了优化设计，结果表明：

为了达到最佳的传动效果，转向管柱布置时，β1与β2差值应尽量小，最好小于6°，同时设计时等效夹角βe应最小，即α+β=180o。

结合试验验证和理论分析，确认该车型下轴相位角的最优值为10°，公差为±2o。

对于新车型的开发，总布置人员和底盘设计人员要对转向系统力矩分析足够重视，避免给后期设计带来隐患。

[1] 刘惟信．汽车设计[M].北京. 清华大学出版社.2001.

[2] 高新华等.基于代理模型的轿车转向柱力矩波动关系研究与优化[J]数字化设计.2008.66—67.

[3] 王霄锋．汽车底盘设计[M].北京.清华大学出版社.2010.136-145.

[4] 王望予．汽车设计4版[M].北京.机械工业出版社.2004.

Optimization Design Of Steering Torque Fluctuation of Double Cross Shaft Universal Joint Shaft

Xu Chunmei
(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601)

Steering force is a very important evaluation index in vehicle control stability; the torque fluctuation directly affects driving feeling. Reasonable design of phase angle can effectively reduce torque fluctuation. This paper expands the theory of torque fluctuation of steering system, and uses this method in optimization design of a vehicle steering system.

Steering system；torque ripple；Phase angle

U463.4

A

1671-7988(2015)06-33-03

徐春梅，就职于江淮汽车技术中心商用车研究院。