齒條變比式循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器設(shè)計

虞忠潮，鄒理炎，張新聞

（1.杭州世寶汽車方向機有限公司，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)向費力的問題[1-3]。目前循環(huán)球轉(zhuǎn)向器普遍采用標準的齒輪齒條進行傳動，其速比恒定，該設(shè)計雖然能傳動扭矩和機械運動，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動副。當轉(zhuǎn)向螺桿作旋轉(zhuǎn)運動時，帶動齒條活塞在殼體上腔內(nèi)作軸向運動，進一步帶動搖臂軸隨軸線擺動。當外界作用力在循環(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)向器的變傳動比運動。而第二級傳動是齒輪齒條嚙合運動，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，故可用具有標準模數(shù)m1和標準壓力角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所示具有標準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 標準齒輪齒形

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，分別對齒條活塞進行銑齒和磨齒，并通過標注坐標點的方法，在理論齒條齒廓上標注出坐標值，通過自動比較理論坐標值與實際坐標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)展具有良好的推進作用。