王斌

（北京汽车制造厂有限公司，河北 黄骅 061100）

转向力矩波动的校核方法

王斌

（北京汽车制造厂有限公司，河北 黄骅 061100）

文章利用空间双十字轴万向节传动的转角差和当量夹角的通用计算公式，同时考虑到中间传动轴的加工误差产生的影响，对转向传动系统进行力矩波动校核，以达到转向传动系统的总布置设计要求。

中间传动轴；力矩波动；十字轴万向节；当量夹角

1 力矩波动校核原因

在转向操纵过程中，转向力依次通过方向盘，转向管柱，中间传动轴，转向机输入轴传递到转向机上（如图1所示），由于此传动机构为双十字轴万向节传动，而十字轴万向节传动为非等速万向节，所以要想达到理想的等速传动，双十字轴万向节必须布置在同一平面内，且两万向节夹角相等（如图2所示）。但是在转向系统的总布置设计中，为了避免与油门踏板、制动踏板等其它零部件的干涉，转向管柱与转向机输入轴的相对位置往往被布置成既不平行也不相交的空间位置，再加上中间传动轴的加工误差影响，导致此转向机构不能成为理想的等速传动，进而造成传动的力矩波动，如果不把力矩波动控制在一定范围内，将会影响汽车的操纵稳定性及舒适性。

图1 传动结构图

图2 转向系统布置方向

2 转向力矩波动计算方法

2.1 单万向节转向力矩波动量的计算

根据机械原理，可以推导出单个十字轴万向节主、从动叉轴转角，的精确表达式为：

φ1为主动叉轴转角，起始面定为万向节主动轴与从动轴所在的平面

φ2为与φ1相对应的从动叉轴转角

β为万向节的主动轴与从动轴线之间的夹角

上式又可写为：

若夹角不变，将上式两边对时间求导，整理后可得：

由上式可以看出，当β、ω1一定时

φ1=90°或270时，ω2min=ω1·cosβ

如不计万向节的摩擦损失，主动轴转矩T1和从动轴转矩T2与各自相应的角速度有关系式T1ω1=T2ω2，进而推出：

当β、ω1一定时

由以上分析可知，具有夹角的十字轴万向节，仅在主动轴驱动转矩和从动轴反转矩的作用下是不能平衡的。这是因为这两个转矩作用在不同的平面内，在不计万向节惯性力矩时，它们的矢量互成一角度而不能自行封闭，此时在万向节上必然还作用有另外的附加弯矩，且弯矩大小成周期变化（如图3所示），此为力矩波动的根本原因。

图3 转向系统周期变化

单十字轴万向节的力矩波动量可以用速度不均匀系数来表示：

力矩波动可引起与万向节相连零部件的弯曲振动，可在万向节主、从动轴支承上引起周期性变化的径向载荷，从而激起支承处的振动，使传动轴产生附加应力和变形。因此，为了控制附加弯矩，应避免单万向节两轴之间的夹角过大，一般≤30°。

2.2 空间双万向传动力矩波动量的计算

如图4所示，输入轴1与输出轴3既不平行也不相交，设τ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），中间传动轴相位角φ为中间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）。

图4 转向矩力计算

通过空间双万向节传动的运动分析可知，两个万向节传动的运动可以等效成一个夹角为的单万向节传动轴的运动，即为当量夹角，推导公式为：

βe为当量夹角；β1为输入轴与传动轴的夹角；β2为传动轴与输出轴的夹角；空间双万向节传动的力矩波动量计算同单万向节传动力矩波动量表示方法：

δ=tanβe·sinβe

βe为双万向节的当量夹角；机械设计定义汽车类机械运转速度不均匀系数的取值范围为1/60～1/20。故为了达到一个较好的方向盘手感，δ的目标值为不大于5%。

3 利用力矩波动量的计算对转向传动系统的布置进行校核

根据当量夹角的计算公式可知，当β1=β2且τ-φ时，βe=0。所以在布置转向传动轴时，尽量使双万向节的两个万向节夹角相等且中间传动轴的相位角为最佳相位角，这样才能降低传动系统的力矩波动量。但中间传动轴的相位角在装配过程中具有公差，考虑到工艺的实现，公差推荐值为±2°。

在转向传动系统力矩波动校核的实际工作，流程如图5所示。

图5 工作流程图

[1]汽车工程手册编写组编.汽车工程手册[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]王予望.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，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，河北沧州人，大学本科，助理工程师，主要研究方向:汽车总布置设计。