循环球转向器间隙优化设计研究

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摘要：针对循环球转向器的自由间隙过大而导致的汽车转向操控稳定性下降等问题，文章提出了一种循环球转向器间隙优化设计方法。该方法主要从结构和使用两方面出发，分析常规技术的缺陷，得到中间齿腰部带阶梯结构的新型齿条结构。该结构使转向器能够零间隙传动，提升车辆行驶稳定性，并保证全转向行程下啮合不产生卡滞。同时，对该转向器进行台架性能试验，结果表明，该转向器达到了在行程中间位置零间隙啮合的优化效果，转向器性能和行驶安全性均得以改善。

关键词：循环球转向器；自由间隙；无间隙啮合；操控稳定性

在汽车转向系统中，因转向结构的机械特性，使各传动件之间都必然存在着装配间隙，而这些间隙将随着零件的磨损而加大[1]。在转向盘转动的初始阶段，驾驶员需对转向盘施加一定的力矩来克服转向系统内部摩擦，以达到消除各运动件之间空隙的目的，该阶段即为转向系统的空转阶段。转向空转阶段结束后，驾驶员输入的转向力矩才开始用以克服地面经由车轮传输到转向节上的转向阻力矩，从而实现使转向轮偏转及车辆转向。转向盘在空转阶段中的角行程称为自由行程，若自由行程过大，会直接影响转向灵敏性、转向手感及噪声、振动与声振粗糙度（Noise,Vibration,Harshness,NVH）性能。在车辆高速行驶时，过大的转向间隙甚至会引起转向轮摆振，对汽车的动力性、燃油经济性、操控稳定性、行驶平顺性及安全性都有巨大的影响[2]。为此，《机动车运行安全技术条件》（GB7258—2017）第6.4条规定[3]：机动车方向盘的最大自由转动角度应≤15°；《汽车液压动力转向器技术条件与试验方法》（QC/T529—2013）第6.1.3条规定[4]：转向器自由间隙≤5°。从各项规定可知，转向器的自由间隙是整个转向系统自由行程的主要影响因素，为降低自由间隙过大造成的不利影响，对转向器的各运动副间隙进行控制和优化。魏道高[5]等通过建立四自由度车辆系统数学模型，分析间隙变化带来的系统影响因素；张国辉[6]等通过改良修正中齿齿扇技术结构，对间隙过大问题进行改进，证明了改进方法的有效性；钱雄松[7]等通过对转向器的机械零部件的参数设计、加工工艺、装配方法等方面进行研究，分析间隙带来的影响并施加措施进行改善。但以上学者的研究局限于理论数值的改善分析，而改善后的实物性能并没有得到证实。基于以上学者的研究，本文将从结构、设计及验证三个方面论证转向器能够零间隙传动，并提升车辆行驶稳定性，保证全转向行程下啮合不产生卡滞。

1循环球转向器结构

循环球转向器结构如图1所示。由于各零部件加工误差及热处理变形的存在，使得图1中三处都必然会留有适当的间隙，否则转向器会出现多处卡滞或转向卡死故障情况。其中，图中1、2处零部件都经过热处理后精磨加工，将对此两处造成的自由间隙控制在±2°以内。但为进一步优化间隙，采取对图中第3处齿条与齿扇啮合间隙进一步优化，以达到消除循环球转向器自由间隙的目的。

2转向器零间隙传动的优化设计

转向器传动过程如图2所示，从输入至输出都是机械传递运动，且伴随传动间隙。结合图1可知，其最大传动间隙为齿条与齿扇啮合处，相关标准[4]要求此处为零间隙。为实现此目的，对此处的齿条齿扇进行优化设计。目前常规技术采用渐变位加工摇臂轴扇齿，配以调节螺钉调节啮合间隙，来减少传动间隙[8]，实现零间隙传动。但此常规技术存在缺点：首先，间隙最小位置往往不在行程中间处，在此情况下，会直接影响整车直线行驶稳定性；其次，在实际行驶过程中，由于转向器中间位置比两端位置使用频繁，磨损量更大等因素，随着行驶时间增长，导致转向器的自由行程会变大，需反复重新调整调节螺钉至零间隙。因为实际转向器行程的两端磨损比中间位置少，当转向器转到两端位置时，便会产生运动干涉，转向器会出现卡死等情况，严重时会造成转向器损坏，甚至影响行车安全。针对常规渐变位加工摇臂轴扇齿技术的缺点，设计了一种中间齿腰部为阶梯结构的特殊齿形的齿条活塞[9]，如图3所示，在齿条的中间部位设计一个凸台，当齿轮齿条啮合至中间位置时，可有效消除多余间隙。其H值理论上需大于齿条热处理变形量0.05mm，实际一般取值0.10～0.15mm；其L值理论上需根据齿轮啮合角度进行计算，一般根据使用需求及不同产品的齿轮数模、齿数来设计，再根据实际效果调整，最终达到产品的实际使用要求。针对中间齿腰部为阶梯结构的特殊齿形的齿条活塞转向器，其摇臂轴齿扇与齿条啮合间隙的关系如图4所示，行程中间间隙为零，向两侧逐渐增大，在齿条和扇齿磨损一段时间后，再通过调节螺钉将中间间隙调整为零时，边缘齿仍有一定的间隙，从而避免齿扇和齿条的啮合干涉问题。

3性能试验

根据QC/T529—2013第6.3.2条空载转动力矩的试验方法[4]，对常规技术的产品与优化间隙啮合产品进行了对比试验[10]，其中采用渐变位加工的常规技术转向器经间隙调整后的空载曲线如图5所示，转向器在全行程下具有均匀的空载行程，无明显卡滞情况。优化后间隙啮合转向器空载性能如图6所示，转向器在中间行程处有明显的卡滞情况，此处空载转矩约为2.0Nm，随着行程增大，空载转矩下降至1.5Nm左右，实现了中间有卡滞（零间隙）而两端空载扭矩小的目的。

4结论

综上所述，优化后的齿条扇齿中位无间隙啮合产品，不但可以提升转向器的性能，改善驾驶员操作手感，而且能够提高行驶安全性。主要体现为（1）转向器在中间位置自由间隙可做到≤±2°，满足整车转向系统小自由行程的要求。（2）转向器在中间位置设置间隙最小处，可有效提升车辆高速行驶时的操作稳定性，减小残余横摆角速度。（3）转向器在中间位置设置间隙最小点，使整车在中位行驶时转向更灵敏，极大减轻转向滞后感。（4）整车在使用一定时间后，因转向器内部齿形磨损，可以通过调整转向器调整螺钉重新回到零间隙处，并且可避免其他行程位置处的啮合干涉，提升转向器使用寿命。

作者：虞忠潮 朱胜峰 朱兴旺 张新闻 单位：杭州世宝汽车方向机有限公司 浙江科技学院 机械与能源工程学院