陳曉英

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

設(shè)計(jì)研究

基于基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)布置校核

陳曉英

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

運(yùn)用CATIA三維數(shù)字模型 “DMU Kinematics” 模塊，分別對(duì)轉(zhuǎn)向管柱及轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸相關(guān)件進(jìn)行約束，獲得轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)模型及轉(zhuǎn)向傳動(dòng)半軸運(yùn)動(dòng)包絡(luò)、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角，用于驗(yàn)證轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸與周邊件間隙及其力矩波動(dòng)是否符合設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而為布置設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸十字軸位置提供理論依據(jù)。

方向盤；轉(zhuǎn)向管柱；轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸；十字萬向節(jié)

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

前言

轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸用于傳遞駕駛員的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向及回饋車輪振動(dòng)產(chǎn)生的逆向力及力矩，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸一般由兩個(gè)萬向十字節(jié)及滑動(dòng)軸部分組成，由于布置的需要，往往轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向管柱及其與轉(zhuǎn)向器間存在角度，角度的存在就會(huì)引起轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸傳遞的力及扭矩產(chǎn)生周期性的波動(dòng)，波動(dòng)的產(chǎn)生會(huì)讓駕駛員轉(zhuǎn)向時(shí)感到不平順，影響車輛的駕駛品質(zhì)。布置要求轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸力矩波動(dòng)控制在5%以內(nèi)。本文介紹乘用車型轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)校核，獲得傳動(dòng)軸動(dòng)運(yùn)包絡(luò)及方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈傳動(dòng)軸傳動(dòng)力矩的波動(dòng)量，分析轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的萬向節(jié)設(shè)計(jì)位置點(diǎn)是否合理，并可驗(yàn)證傳動(dòng)軸與周邊件空間。下面以CATIA基礎(chǔ)知識(shí)來介紹轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)模型的建立及布置校核。

1、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)校核輸入條件

轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)校核之前要具備設(shè)計(jì)完成的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸及相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)字模型，包括方向盤、轉(zhuǎn)向管柱總成、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸總成。

2、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)校核零部件分解

進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核前需將參與運(yùn)動(dòng)的各零部件分解為：方向盤；轉(zhuǎn)向管柱殼體及轉(zhuǎn)向管柱內(nèi)軸；轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)軸上十字節(jié)、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸上、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸下及轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)軸下十字節(jié)；轉(zhuǎn)向器輸入軸；另外，在數(shù)字模型中還要建立一個(gè)模擬車身的輔助固定靜態(tài)部件。

3、傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)模型建立

B、建立product文件，將分解的相關(guān)part調(diào)入，點(diǎn)擊創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副命令后點(diǎn)擊新機(jī)構(gòu)，確定創(chuàng)建機(jī)制1，如下圖：

L、在建好的運(yùn)動(dòng)副中雙擊轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)輸入轉(zhuǎn)動(dòng)角度，本案例中加入轉(zhuǎn)向管柱內(nèi)軸轉(zhuǎn)角，此角度值為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)行程。

建好各運(yùn)動(dòng)副后如果沒有錯(cuò)誤，則在所建運(yùn)動(dòng)分析總目錄機(jī)制處的自由度標(biāo)識(shí)DOF應(yīng)為“DOF= 0”此時(shí)雙擊整個(gè)機(jī)構(gòu)可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)演示。

M、仿真模擬生成制作

按下圖示順序點(diǎn)擊模擬圖標(biāo)，拖動(dòng)驅(qū)動(dòng)條并儲(chǔ)存運(yùn)動(dòng)建立模擬演示次序。

N、重放

建好編輯模擬后才能點(diǎn)擊重放命令，在對(duì)話框中可設(shè)置需要進(jìn)行模擬的序號(hào)，在時(shí)間步驟里設(shè)計(jì)模擬演示的時(shí)間快慢，到此運(yùn)動(dòng)模型算是完成。

P、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸包絡(luò)體制作

Q、可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱其它位置的運(yùn)動(dòng)

增加轉(zhuǎn)向管柱與固定件之間純轉(zhuǎn)動(dòng)，在此位置轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的空間包絡(luò)的制作及力矩波動(dòng)計(jì)算可參照上面的A-P項(xiàng)進(jìn)行。

4、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸校核

A、空間位置布置校核

可將動(dòng)動(dòng)分析過程中形成的包絡(luò)載入數(shù)模中進(jìn)行核轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸與周圍其它部件間的間隙值是否滿足設(shè)計(jì)要求。

B、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)力矩波動(dòng)的校核

對(duì)于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的校核重點(diǎn)之一是對(duì)轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)的校核，布置轉(zhuǎn)向管柱的位置直接影響到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的布置十字軸角度，而角度大小影響力矩波動(dòng)的大小，力矩波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力時(shí)輕時(shí)重的現(xiàn)象，影響到駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的感覺，從而引起駕駛員的不舒服和疲勞，給駕駛帶來潛在的危險(xiǎn)。

B.1.單萬向節(jié)轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)量的計(jì)算

根據(jù)機(jī)械原理，單個(gè)十字軸萬向節(jié)主、從動(dòng)叉軸轉(zhuǎn)角φ1，φ2的關(guān)系為：

φ1—— 主動(dòng)叉軸轉(zhuǎn)角，定義為萬向節(jié)主動(dòng)叉所在平面與萬向節(jié)主、從動(dòng)叉軸所在平面的夾角

φ2—— 與φ1相對(duì)應(yīng)的從動(dòng)叉軸轉(zhuǎn)角

β—— 主、從動(dòng)叉軸之間的夾角

上式又可寫為：

具體到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸布置位置確定后，主從叉之間夾角β不再變化，將上式兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，整理后可得：

在上式中，因cosφ1是周期為π的周期函數(shù)，故ω2/ ω1亦為周期為π的周期函數(shù)。如ω1不變，則ω2每轉(zhuǎn)2π角將變化兩次。且當(dāng)φ1=0，π，2π，···時(shí)，ω2/ ω1=1 /cosβ達(dá)最大值；當(dāng)φ1=π/2，3π/2，···時(shí)ω2/ ω1=1 /cosβ由達(dá)最小值。即：

由上兩式可知，十字軸萬向節(jié)主、從動(dòng)叉軸的角速度間存在下列不等式：

下圖為某車型主動(dòng)叉轉(zhuǎn)角φ1與從動(dòng)叉轉(zhuǎn)角φ2β間的周期性變化關(guān)系見下圖

對(duì)于輸入方向盤主動(dòng)叉一定的轉(zhuǎn)角（十字軸的輸入端），從動(dòng)叉（十字軸輸出端）產(chǎn)生了轉(zhuǎn)動(dòng)的不均勻性，從動(dòng)叉軸旋轉(zhuǎn)的不均勻性可用其不均勻性系數(shù)δ來表征：

B.2雙萬向節(jié)轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)量的計(jì)算

如下圖所示，輸入軸1與輸出軸3既不平行也不相交，設(shè)為輸出軸3與傳動(dòng)軸2所在的平面S2相對(duì)于輸入軸1與傳動(dòng)軸2所在的平面S1沿旋轉(zhuǎn)方向的導(dǎo)前角（導(dǎo)前為正號(hào)，遲后為負(fù)號(hào)），轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸相位角為傳動(dòng)軸輸出端萬向節(jié)叉平面相對(duì)于輸入端萬向節(jié)叉平面沿旋轉(zhuǎn)方向的導(dǎo)前角（導(dǎo)前為正號(hào)，遲后為負(fù)號(hào)）。

所以雙萬向節(jié)的當(dāng)量夾角為：

當(dāng)量夾角可以理解為，兩個(gè)萬向節(jié)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)可以等效成一個(gè)夾角為βe的單萬向節(jié)傳動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)。

波動(dòng)量計(jì)算同單萬向節(jié)計(jì)算方法：

為了達(dá)到一個(gè)較好的方向盤手感，的目標(biāo)值為不大于5%。

對(duì)于雙萬向節(jié)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的布置，可根據(jù)每個(gè)萬向節(jié)中心點(diǎn)位置來具體確定出傳動(dòng)軸布置的角度，從而按上式進(jìn)行計(jì)算，核實(shí)布置后的整個(gè)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸因空間的布置差異引起的力矩波動(dòng)是否符合要求，對(duì)于雙萬向節(jié)的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸需要核實(shí)上極限、中位、下極限位置時(shí)的力矩波動(dòng)值，要求滿足波動(dòng)值不大于5%，否則需要對(duì)轉(zhuǎn)向管柱相關(guān)尺寸及轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸萬向節(jié)中心位置進(jìn)行調(diào)整。

[1]《汽車設(shè)計(jì)》 劉惟信主編 清華大學(xué)出版社 ISBN 7-302-04529-1/TH·94.

[2]《汽車傳動(dòng)系萬向節(jié)傳動(dòng)裝置的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)》 吳汀武漢汽車工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) U463.216+1 1999年第01期.

[3]《空間多萬向節(jié)傳動(dòng)的轉(zhuǎn)角差和當(dāng)量夾角的計(jì)算》 馮振東 CAD/CAM與制造業(yè)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

陳曉英，就職于長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心。