011-转向传动轴转速波动分析及优化

周毅张曦

北汽福田工程研究院性能开发一部转向传动轴转速波动分析及优化

The Research and Optimization on Angular Velocity Fluctuation of Steering Shaft

周毅张曦

（北汽福田工程研究院性能开发一部）

摘要：本文以某车型转向系统开发为例，采用运动学分析及优化方法，研究转向系中间轴万向节十字轴布置角度对转向传动轴转速波动的影响。通过对不同布置角度的结果比较，我们可以快速地找出产品的最优方案，使得转向传动更为平稳。

关键词：运动学优化转向系十字轴

Abstract：Based upon the development of a steering system, the paper does research on the angular velocity fluctuation of steering shaft affected by cross spider assembling angle of the universal joint in intermediate shaft with the application of kinematic analysis and optimization analysis. By comparing the calculating results of different cross spider assembling angle, we can evaluate the designs very quickly, and find out the optimum solution to make steering behavior more smoothly.

Key words: kinematics, optimization, steering system, cross spider

1.概述

万向节传动是用于传递空间两相交轴之间运动的装置，按照其传动效果分，主要分为不等速万向节和等速万向节。而不等速万向节（简单万向节），目前广泛应用于转向传动轴系的设计中。由于在转向轴系布置中，各轴轴线成一定空间角度，因此当万向节主动叉轴做等角速度运动时，从动叉做周期性不等速运动，其在转动的一圈内转速时快时慢，变化两次，只是平均转速和主动叉轴保持一致。

当转向传动系中两个万向节串联布置时，如果转向中间传动轴前后两个节叉（一个被动叉、一个主动叉）的布置角度不合适，会放大这种转速波动效应，降低转向性能。因此在转向传动轴轴线布置完成后，一定要优化中间传动轴前后节叉的相对角度，以此达到转向传动的最优化。

2.万向节转速波动的原理

对一个万向节而言，设其主、从动叉轴1、3间的夹角为θ。重点关注在0°、90°、180°、270°4个位置上从动叉3角速度ωo和主动叉1角速度ωi的关系。

图2-1 万向节0°和180°位置图2-2 万向节90°和270°位置

根据运动学可知，在0°和180°位置时（图2-1），若主动叉1轴的转速为ωi，则十字轴2上P点的速度为：Vp=R*cosθ*ωi。此速度Vp也是从动叉P点处的速度。则从动叉轴的角速度ωo 为：ωo=Vp/R=ωi*cosθ。就是说在0°和180°位置时，从动叉的角速度比主动叉的要小，转得慢。同理可推演90°和270°位置时（图2-2）的情况，此时ωo与ωi的关系为：ωo=ωi/cosθ。就是说在90°和270°位置时，从动叉的角速度比主动叉的要大，转得快。主动轴运转一圈，从动轴转速变化如图2-3所示。

图2-3 从动叉轴转速变化（转一圈360°）图2-4 双万向节布置原则

当进行双万向节布置时，如果把转向中间传动轴两端的万向节叉布置在同一平面，同时又让中间传动轴轴线两端与输出、输入轴线的交角θ2、θ1相等，就可以得到均匀的输出转速（图2-4）。

在转向传动轴布置的时候，有时很难将中间传动轴两端的万向节叉布置在同一平面，而产生空间角度；另外，由于方向盘多向可调，造成中间传动轴轴线两端与输出、输入轴线的交角θ2、θ1也经常变动。因此，为了尽可能减小输出转速波动，就需要对中间传动轴前后两个节叉（一个被动叉、一个主动叉）的相对布置角度进行计算和优化。

3.模型的建立

模型建立以某开发车型转向系为基础，通过测绘得到基准车型转向系布置硬点和中间传动轴前后两个节叉的相对布置角度（56°）（图3-2）。转向系统采用MSC.ADAMS2005r2作为建模工具，在view环境下建立包含方向盘、转向管柱、中间传动轴和转向器输入轴的运动学模型（图3-1）。

图3-1 转向系运动学模型图3-2 中间轴前后节叉角度示意

4.转速波动分析及优化

分析采用输入恒速角速度360 deg/s，测量输出角速度波动的方法。

首先对基准车型的转向性能进行研究。

图4-1 基准车方向盘前极限位置图4-2 基准车方向盘后极限位置

基准车方向盘前极限位置时，输出角速度最大值370.7 deg/s，最小值349.6 deg/s，波动率2.97%；基准车方向盘后极限位置时，输出角速度最大值381.7 deg/s，最小值339.6 deg/s，波动率6.03%。

图4-3 基准车方向盘前极限位置优化结果图4-4 基准车方向盘前极限位置优化结果通过优化结果可以看出，基准车型在方向盘前极限位置时，前后节叉角度50°可以使波动率最小，达到2.72%；基准车型在方向盘后极限位置时，前后节叉角度56°可以使波动率最小。由此可见，在基准车型转向系这种轴线布置的情况下，中间传动轴前后节叉角度56°为已经优化过的结果。

由于新车型转向器输入轴角度需要调整，使得转向系轴线布置发生变化，因此需要重新计算中间传动轴前后节叉角度。

图4-5 新车型方向盘前极限位置优化结果图4-6 新车型方向盘后极限位置优化结果

通过优化结果可以看出，新车型在方向盘前极限位置时，前后节叉角度41°可以使波动率最小，达到1.5%；新车型在方向盘后极限位置时，前后节叉角度41°也可以使波动率最小，达到1.8%，而原来的前后节叉角度56°已经不能满足设计要求。由此可见，在新车型转向系这种轴线布置的情况下，中间传动轴前后节叉角度调整为41°，可以得到优化的转向传动结果。

5.结论

通过对转向传动轴转速波动的研究，我们可以看出影响转速波动最重要的参数，一个是转向系轴线布置的空间角度，另一个是中间传动轴前后节叉的安装夹角。由于转向机和车辆总布置的原因，转向系的轴线布置一般都会事先确定下来，因此容易调整的参数主要就是中间传动轴前后节叉的安装夹角。只要将其进行合理的匹配，就可以得到更加平稳的转向传动。

6.参考文献

[1] 徐石安等，《汽车构造-底盘工程》，北京：清华大学出版社，2008