循環球轉向器間隙優化設計研究

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摘要：針對循環球轉向器的自由間隙過大而導致的汽車轉向操控穩定性下降等問題，文章提出了一種循環球轉向器間隙優化設計方法。該方法主要從結構和使用兩方面出發，分析常規技術的缺陷，得到中間齒腰部帶階梯結構的新型齒條結構。該結構使轉向器能夠零間隙傳動，提升車輛行駛穩定性，并保證全轉向行程下嚙合不產生卡滯。同時，對該轉向器進行臺架性能試驗，結果表明，該轉向器達到了在行程中間位置零間隙嚙合的優化效果，轉向器性能和行駛安全性均得以改善。

關鍵詞：循環球轉向器；自由間隙；無間隙嚙合；操控穩定性

在汽車轉向系統中，因轉向結構的機械特性，使各傳動件之間都必然存在著裝配間隙，而這些間隙將隨著零件的磨損而加大[1]。在轉向盤轉動的初始階段，駕駛員需對轉向盤施加一定的力矩來克服轉向系統內部摩擦，以達到消除各運動件之間空隙的目的，該階段即為轉向系統的空轉階段。轉向空轉階段結束后，駕駛員輸入的轉向力矩才開始用以克服地面經由車輪傳輸到轉向節上的轉向阻力矩，從而實現使轉向輪偏轉及車輛轉向。轉向盤在空轉階段中的角行程稱為自由行程，若自由行程過大，會直接影響轉向靈敏性、轉向手感及噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise,Vibration,Harshness,NVH）性能。在車輛高速行駛時，過大的轉向間隙甚至會引起轉向輪擺振，對汽車的動力性、燃油經濟性、操控穩定性、行駛平順性及安全性都有巨大的影響[2]。為此，《機動車運行安全技術條件》（GB7258—2017）第6.4條規定[3]：機動車方向盤的最大自由轉動角度應≤15°；《汽車液壓動力轉向器技術條件與試驗方法》（QC/T529—2013）第6.1.3條規定[4]：轉向器自由間隙≤5°。從各項規定可知，轉向器的自由間隙是整個轉向系統自由行程的主要影響因素，為降低自由間隙過大造成的不利影響，對轉向器的各運動副間隙進行控制和優化。魏道高[5]等通過建立四自由度車輛系統數學模型，分析間隙變化帶來的系統影響因素；張國輝[6]等通過改良修正中齒齒扇技術結構，對間隙過大問題進行改進，證明了改進方法的有效性；錢雄松[7]等通過對轉向器的機械零部件的參數設計、加工工藝、裝配方法等方面進行研究，分析間隙帶來的影響并施加措施進行改善。但以上學者的研究局限于理論數值的改善分析，而改善后的實物性能并沒有得到證實。基于以上學者的研究，本文將從結構、設計及驗證三個方面論證轉向器能夠零間隙傳動，并提升車輛行駛穩定性，保證全轉向行程下嚙合不產生卡滯。

1循環球轉向器結構

循環球轉向器結構如圖1所示。由于各零部件加工誤差及熱處理變形的存在，使得圖1中三處都必然會留有適當的間隙，否則轉向器會出現多處卡滯或轉向卡死故障情況。其中，圖中1、2處零部件都經過熱處理后精磨加工，將對此兩處造成的自由間隙控制在±2°以內。但為進一步優化間隙，采取對圖中第3處齒條與齒扇嚙合間隙進一步優化，以達到消除循環球轉向器自由間隙的目的。

2轉向器零間隙傳動的優化設計

轉向器傳動過程如圖2所示，從輸入至輸出都是機械傳遞運動，且伴隨傳動間隙。結合圖1可知，其最大傳動間隙為齒條與齒扇嚙合處，相關標準[4]要求此處為零間隙。為實現此目的，對此處的齒條齒扇進行優化設計。目前常規技術采用漸變位加工搖臂軸扇齒，配以調節螺釘調節嚙合間隙，來減少傳動間隙[8]，實現零間隙傳動。但此常規技術存在缺點：首先，間隙最小位置往往不在行程中間處，在此情況下，會直接影響整車直線行駛穩定性；其次，在實際行駛過程中，由于轉向器中間位置比兩端位置使用頻繁，磨損量更大等因素，隨著行駛時間增長，導致轉向器的自由行程會變大，需反復重新調整調節螺釘至零間隙。因為實際轉向器行程的兩端磨損比中間位置少，當轉向器轉到兩端位置時，便會產生運動干涉，轉向器會出現卡死等情況，嚴重時會造成轉向器損壞，甚至影響行車安全。針對常規漸變位加工搖臂軸扇齒技術的缺點，設計了一種中間齒腰部為階梯結構的特殊齒形的齒條活塞[9]，如圖3所示，在齒條的中間部位設計一個凸臺，當齒輪齒條嚙合至中間位置時，可有效消除多余間隙。其H值理論上需大于齒條熱處理變形量0.05mm，實際一般取值0.10～0.15mm；其L值理論上需根據齒輪嚙合角度進行計算，一般根據使用需求及不同產品的齒輪數模、齒數來設計，再根據實際效果調整，最終達到產品的實際使用要求。針對中間齒腰部為階梯結構的特殊齒形的齒條活塞轉向器，其搖臂軸齒扇與齒條嚙合間隙的關系如圖4所示，行程中間間隙為零，向兩側逐漸增大，在齒條和扇齒磨損一段時間后，再通過調節螺釘將中間間隙調整為零時，邊緣齒仍有一定的間隙，從而避免齒扇和齒條的嚙合干涉問題。

3性能試驗

根據QC/T529—2013第6.3.2條空載轉動力矩的試驗方法[4]，對常規技術的產品與優化間隙嚙合產品進行了對比試驗[10]，其中采用漸變位加工的常規技術轉向器經間隙調整后的空載曲線如圖5所示，轉向器在全行程下具有均勻的空載行程，無明顯卡滯情況。優化后間隙嚙合轉向器空載性能如圖6所示，轉向器在中間行程處有明顯的卡滯情況，此處空載轉矩約為2.0Nm，隨著行程增大，空載轉矩下降至1.5Nm左右，實現了中間有卡滯（零間隙）而兩端空載扭矩小的目的。

4結論

綜上所述，優化后的齒條扇齒中位無間隙嚙合產品，不但可以提升轉向器的性能，改善駕駛員操作手感，而且能夠提高行駛安全性。主要體現為（1）轉向器在中間位置自由間隙可做到≤±2°，滿足整車轉向系統小自由行程的要求。（2）轉向器在中間位置設置間隙最小處，可有效提升車輛高速行駛時的操作穩定性，減小殘余橫擺角速度。（3）轉向器在中間位置設置間隙最小點，使整車在中位行駛時轉向更靈敏，極大減輕轉向滯后感。（4）整車在使用一定時間后，因轉向器內部齒形磨損，可以通過調整轉向器調整螺釘重新回到零間隙處，并且可避免其他行程位置處的嚙合干涉，提升轉向器使用壽命。

作者：虞忠潮 朱勝峰 朱興旺 張新聞 單位：杭州世寶汽車方向機有限公司 浙江科技學院 機械與能源工程學院