循環(huán)球轉(zhuǎn)向器間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

虞忠潮，朱勝峰，朱興旺，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 機(jī)械與能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310000）

在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，因轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的機(jī)械特性，使各傳動(dòng)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。在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的初始階段，駕駛員需對(duì)轉(zhuǎn)向盤施加一定的力矩來克服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部摩擦，以達(dá)到消除各運(yùn)動(dòng)件之間空隙的目的，該階段即為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的空轉(zhuǎn)階段。轉(zhuǎn)向空轉(zhuǎn)階段結(jié)束后，駕駛員輸入的轉(zhuǎn)向力矩才開始用以克服地面經(jīng)由車輪傳輸?shù)睫D(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力矩，從而實(shí)現(xiàn)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)及車輛轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向盤在空轉(zhuǎn)階段中的角行程稱為自由行程，若自由行程過大，會(huì)直接影響轉(zhuǎn)向靈敏性、轉(zhuǎn)向手感及噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能。在車輛高速行駛時(shí)，過大的轉(zhuǎn)向間隙甚至?xí)疝D(zhuǎn)向輪擺振，對(duì)汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操控穩(wěn)定性、行駛平順性及安全性都有巨大的影響。為此，《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB7258—2017）第6.4條規(guī)定：機(jī)動(dòng)車方向盤的最大自由轉(zhuǎn)動(dòng)角度應(yīng)≤15°；《汽車液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器技術(shù)條件與試驗(yàn)方法》（QC/T529—2013）第6.1.3條規(guī)定：轉(zhuǎn)向器自由間隙≤5°。

從各項(xiàng)規(guī)定可知，轉(zhuǎn)向器的自由間隙是整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(duì)轉(zhuǎn)向器的各運(yùn)動(dòng)副間隙進(jìn)行控制和優(yōu)化。魏道高等通過建立四自由度車輛系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析間隙變化帶來的系統(tǒng)影響因素；張國(guó)輝等通過改良修正中齒齒扇技術(shù)結(jié)構(gòu)，對(duì)間隙過大問題進(jìn)行改進(jìn)，證明了改進(jìn)方法的有效性；錢雄松等通過對(duì)轉(zhuǎn)向器的機(jī)械零部件的參數(shù)設(shè)計(jì)、加工工藝、裝配方法等方面進(jìn)行研究，分析間隙帶來的影響并施加措施進(jìn)行改善。但以上學(xué)者的研究局限于理論數(shù)值的改善分析，而改善后的實(shí)物性能并沒有得到證實(shí)。基于以上學(xué)者的研究，本文將從結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)及驗(yàn)證三個(gè)方面論證轉(zhuǎn)向器能夠零間隙傳動(dòng)，并提升車輛行駛穩(wěn)定性，保證全轉(zhuǎn)向行程下嚙合不產(chǎn)生卡滯。

1 循環(huán)球轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)

循環(huán)球轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)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(huì)留有適當(dāng)?shù)拈g隙，否則轉(zhuǎn)向器會(huì)出現(xiàn)多處卡滯或轉(zhuǎn)向卡死故障情況。其中，圖中1、2處零部件都經(jīng)過熱處理后精磨加工，將對(duì)此兩處造成的自由間隙控制在±2°以內(nèi)。但為進(jìn)一步優(yōu)化間隙，采取對(duì)圖中第3處齒條與齒扇嚙合間隙進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)到消除循環(huán)球轉(zhuǎn)向器自由間隙的目的。

圖1 循環(huán)球轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)

2 轉(zhuǎn)向器零間隙傳動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)過程如圖2所示，從輸入至輸出都是機(jī)械傳遞運(yùn)動(dòng)，且伴隨傳動(dòng)間隙。結(jié)合圖1可知，其最大傳動(dòng)間隙為齒條與齒扇嚙合處，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求此處為零間隙。為實(shí)現(xiàn)此目的，對(duì)此處的齒條齒扇進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2 零間隙嚙合結(jié)構(gòu)

目前常規(guī)技術(shù)采用漸變位加工搖臂軸扇齒，配以調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)嚙合間隙，來減少傳動(dòng)間隙，實(shí)現(xiàn)零間隙傳動(dòng)。但此常規(guī)技術(shù)存在缺點(diǎn)：首先，間隙最小位置往往不在行程中間處，在此情況下，會(huì)直接影響整車直線行駛穩(wěn)定性；其次，在實(shí)際行駛過程中，由于轉(zhuǎn)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(shí)間增長(zhǎng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器的自由行程會(huì)變大，需反復(fù)重新調(diào)整調(diào)節(jié)螺釘至零間隙。因?yàn)閷?shí)際轉(zhuǎn)向器行程的兩端磨損比中間位置少，當(dāng)轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)到兩端位置時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，轉(zhuǎn)向器會(huì)出現(xiàn)卡死等情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成轉(zhuǎn)向器損壞，甚至影響行車安全。

針對(duì)常規(guī)漸變位加工搖臂軸扇齒技術(shù)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種中間齒腰部為階梯結(jié)構(gòu)的特殊齒形的齒條活塞，如圖3所示，在齒條的中間部位設(shè)計(jì)一個(gè)凸臺(tái)，當(dāng)齒輪齒條嚙合至中間位置時(shí)，可有效消除多余間隙。其值理論上需大于齒條熱處理變形量0.05 mm，實(shí)際一般取值0.10～0.15 mm；其值理論上需根據(jù)齒輪嚙合角度進(jìn)行計(jì)算，一般根據(jù)使用需求及不同產(chǎn)品的齒輪數(shù)模、齒數(shù)來設(shè)計(jì)，再根據(jù)實(shí)際效果調(diào)整，最終達(dá)到產(chǎn)品的實(shí)際使用要求。

圖3 階梯齒形齒條

針對(duì)中間齒腰部為階梯結(jié)構(gòu)的特殊齒形的齒條活塞轉(zhuǎn)向器，其搖臂軸齒扇與齒條嚙合間隙的關(guān)系如圖4所示，行程中間間隙為零，向兩側(cè)逐漸增大，在齒條和扇齒磨損一段時(shí)間后，再通過調(diào)節(jié)螺釘將中間間隙調(diào)整為零時(shí)，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。

圖4 扇齒轉(zhuǎn)角與間隙的關(guān)系

3 性能試驗(yàn)

根據(jù)QC/T529—2013第6.3.2條空載轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的試驗(yàn)方法，對(duì)常規(guī)技術(shù)的產(chǎn)品與優(yōu)化間隙嚙合產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，其中采用漸變位加工的常規(guī)技術(shù)轉(zhuǎn)向器經(jīng)間隙調(diào)整后的空載曲線如圖5所示，轉(zhuǎn)向器在全行程下具有均勻的空載行程，無明顯卡滯情況。

優(yōu)化后間隙嚙合轉(zhuǎn)向器空載性能如圖6所示，轉(zhuǎn)向器在中間行程處有明顯的卡滯情況，此處空載轉(zhuǎn)矩約為2.0 Nm，隨著行程增大，空載轉(zhuǎn)矩下降至1.5 Nm左右，實(shí)現(xiàn)了中間有卡滯（零間隙）而兩端空載扭矩小的目的。

圖5 常規(guī)技術(shù)產(chǎn)品的空載曲線

圖6 中位齒條與扇齒無間隙嚙合產(chǎn)品

4 結(jié)論

綜上所述，優(yōu)化后的齒條扇齒中位無間隙嚙合產(chǎn)品，不但可以提升轉(zhuǎn)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(xiàn)為

（1）轉(zhuǎn)向器在中間位置自由間隙可做到≤± 2°，滿足整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)小自由行程的要求。

（2）轉(zhuǎn)向器在中間位置設(shè)置間隙最小處，可有效提升車輛高速行駛時(shí)的操作穩(wěn)定性，減小殘余橫擺角速度。

（3）轉(zhuǎn)向器在中間位置設(shè)置間隙最小點(diǎn)，使整車在中位行駛時(shí)轉(zhuǎn)向更靈敏，極大減輕轉(zhuǎn)向滯后感。

（4）整車在使用一定時(shí)間后，因轉(zhuǎn)向器內(nèi)部齒形磨損，可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)向器調(diào)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(zhuǎn)向器使用壽命。