虞忠潮，鄒理炎，張新聞

（1.杭州世寶汽車方向機(jī)有限公司，浙江 杭州 310018；2.浙江科技學(xué)院，浙江 杭州 310018）

載重汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中通常裝有循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器或者其他類似的動力轉(zhuǎn)向裝置，在駕駛時提供轉(zhuǎn)向助力。轉(zhuǎn)向器的輸出軸與齒條活塞通過齒輪齒條傳動，輸出軸又稱搖臂軸，其齒數(shù)通常只有3個，該齒被稱為搖臂軸扇齒。車輛在實際使用時，需要隨著搖臂軸轉(zhuǎn)角的增大，速比也逐漸增大的轉(zhuǎn)向傳動特性，可以使汽車在轉(zhuǎn)向時有很好的操控性能，解決低速下大轉(zhuǎn)向費(fèi)力的問題[1-3]。目前循環(huán)球轉(zhuǎn)向器普遍采用標(biāo)準(zhǔn)的齒輪齒條進(jìn)行傳動，其速比恒定，該設(shè)計雖然能傳動扭矩和機(jī)械運(yùn)動，但無法具有傳動比隨轉(zhuǎn)向角可變的功能。而現(xiàn)有的變比技術(shù)，是通過變扇齒的方法獲得變比齒形，其缺點是齒條強(qiáng)度較弱，存在行車安全隱患。

本文所述的活塞齒條變比技術(shù)和應(yīng)用該技術(shù)的循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器，具有傳動速比可變，輸出力矩隨搖臂軸擺角增加而增大的特點，可以在不改變現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點的情況下，具有可變的傳動比，且保證產(chǎn)品的功能安全性。

1 齒條變比循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)

齒條變比式循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，轉(zhuǎn)向螺桿安裝在上蓋內(nèi)，其齒條活塞與轉(zhuǎn)向螺桿形成螺旋運(yùn)動副，同時齒條活塞又與搖臂軸齒扇總成形成一對齒輪齒條嚙合運(yùn)動副。當(dāng)轉(zhuǎn)向螺桿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，帶動齒條活塞在殼體上腔內(nèi)作軸向運(yùn)動，進(jìn)一步帶動搖臂軸隨軸線擺動。當(dāng)外界作用力在循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器輸入軸上時，帶動轉(zhuǎn)向螺桿按順時針或逆時針轉(zhuǎn)動，從而分配液壓油的流向，轉(zhuǎn)向器開始工作。通過活塞齒條變比技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向器的可變轉(zhuǎn)向傳動比功能。

圖1 齒條變比式循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)

2 設(shè)計方法

根據(jù)轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)可知，循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器有二級傳動裝置。第一級是轉(zhuǎn)向螺桿和齒條活塞的滾珠絲杠副運(yùn)動，這級要求螺距相等，才能保證絲桿副正常傳動，否則無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)向器的變傳動比運(yùn)動。而第二級傳動是齒輪齒條嚙合運(yùn)動，根據(jù)齒輪齒條正常傳動的條件得知，相互嚙合齒輪的基圓齒距必須相等，即齒輪基圓齒距pb1=πm1cosα1和齒條基圓齒距pb2=πm2cosα2必須相等[4-5]。

現(xiàn)采用齒條變比式循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器，故可用具有標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m1和標(biāo)準(zhǔn)壓力角α1的齒輪與一個具有變模數(shù)m2和變壓力角α2的齒條相嚙合，只要保持m1cosα1=m2cosα2時，齒輪齒條就可以正常傳動。

針對商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求傳動比隨著輸出擺角的增大而增大的特性，為了實現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)向的輕便性和小角度轉(zhuǎn)向的靈敏性，同時防止傳動比變化時，駕駛員出現(xiàn)操作感不適的現(xiàn)象。因此本研究的轉(zhuǎn)向器傳動比曲線采用如圖2的余弦曲線，曲線連續(xù)可導(dǎo)[2]，具有速比過渡自然、轉(zhuǎn)向平穩(wěn)的特點。

圖2 轉(zhuǎn)向器傳動比曲線

由轉(zhuǎn)向器角傳動比的定義得知：

因為

得

式中，i為轉(zhuǎn)向器角傳動比；θ為轉(zhuǎn)向器輸出擺角（°）；Φ為轉(zhuǎn)向器輸入軸轉(zhuǎn)角（°）；p為轉(zhuǎn)向器螺桿螺距（mm）；S為齒條活塞位移（mm）。

已知如圖2所示曲線方程為：

代入公式（2）可得：

積分運(yùn)算后可得：

利用方程（3）可以求出滿足圖2所示曲線的S和θ的關(guān)系，在齒條活塞齒形設(shè)計時，將如圖3所示具有標(biāo)準(zhǔn)齒輪齒形的齒輪作為切齒工具，按方程（3）中轉(zhuǎn)向器輸出擺角θ和齒條活塞位移S的關(guān)系走刀，即可利用計算機(jī)程序范成得到具有如圖4所示的變比式齒條活塞齒形。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)齒輪齒形

圖4 變比式齒條活塞齒形

2.1 齒輪齒條嚙合間隙漸變

為滿足安裝循環(huán)球液壓助力轉(zhuǎn)向器的商用車具有較好的直線行駛性能，即具有良好的中間感，需要使齒輪齒條嚙合間隙隨擺角的增大而增大。為此需對齒廓曲線做必要的修正，使齒輪與齒條嚙合時，間隙隨搖臂軸擺角的逐漸增加而增大。而齒廓曲線的修正需保證修正后的齒廓傳動平滑，不發(fā)生卡滯，且隨著轉(zhuǎn)向器的使用，保證齒面磨損均勻，以免產(chǎn)生點蝕等損壞。

2.2 加工工藝

為滿足最終產(chǎn)品符合設(shè)計要求，可以根據(jù)范成法得到的齒條齒廓來定制相應(yīng)的銑齒刀和金鋼滾輪，分別對齒條活塞進(jìn)行銑齒和磨齒，并通過標(biāo)注坐標(biāo)點的方法，在理論齒條齒廓上標(biāo)注出坐標(biāo)值，通過自動比較理論坐標(biāo)值與實際坐標(biāo)值的差異來判定零件是否符合設(shè)計要求。

3 齒條變比式轉(zhuǎn)向器設(shè)計驗證

根據(jù)上述設(shè)計方法和加工工藝，制作了一種傳動比為17～20的轉(zhuǎn)向器，并使用如圖5所示的轉(zhuǎn)向器試驗臺架，對轉(zhuǎn)向器傳動比進(jìn)行檢測。

圖5 轉(zhuǎn)向器試驗臺架

如圖5，將轉(zhuǎn)向器固定在臺架上，輸入軸與輸出軸上分別安裝編碼器，輸入軸均速驅(qū)動，輸出軸空載，自動檢測轉(zhuǎn)向器輸入輸出軸上的角傳動比，當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)到要求角度時停止，檢測出該轉(zhuǎn)向器的傳動比曲線如圖6所示，傳動比變化范圍約為17.3至20.2，傳動比隨轉(zhuǎn)角增大而增大，且傳動比相對轉(zhuǎn)向角方向具有良好的對稱性，滿足了轉(zhuǎn)向器的設(shè)計需求。

圖6 傳動比曲線

4 結(jié)語

隨著汽車市場對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操控性和舒適性需求日漸增高，變速比轉(zhuǎn)向器產(chǎn)品已經(jīng)成了一種趨勢[6]，本研究從齒條變比式循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計原理、工藝難點、臺架驗證等方面進(jìn)行分析和驗證，得出變比式轉(zhuǎn)向器對改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的效果顯著，對于轉(zhuǎn)向器市場的發(fā)展具有良好的推進(jìn)作用。