循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器間隙問題

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1、 關(guān)于汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器急待解決的性能問題 陳奎元,季學(xué)武 (清華大學(xué)汽車工程系,北京100084) - 10 - 前言 (a)HPS (b)ECPS或EHPS (c)EPS 圖1 助力式轉(zhuǎn)向器的靈敏度特性 P、P0—壓力、背壓;、—轉(zhuǎn)角、不靈敏角;I—電流。 我國生產(chǎn)汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器(包括機(jī)械式和助力式)至今約有50多年的歷史了[1]。半個(gè)世紀(jì)以來,在轉(zhuǎn)向行業(yè)中,圍繞著此種轉(zhuǎn)向器中間位置(包括微動(dòng)轉(zhuǎn)向)的傳動(dòng)間隙問題,始終存在著截然不同的兩種觀點(diǎn)。一種看法是為了保證汽車高速直線行駛的穩(wěn)定性,轉(zhuǎn)向器的中間位置必須無間隙傳動(dòng);另一種則認(rèn)為受加工誤差的

2、限制,若中間位置無傳動(dòng)間隙,則轉(zhuǎn)到其他位置必將出現(xiàn)卡滯或卡死現(xiàn)象,故而不可能實(shí)現(xiàn)無間隙傳動(dòng)。所以,至今我國生產(chǎn)的這類轉(zhuǎn)向器大多數(shù)中間位置還有一定的傳動(dòng)間隙,以至于最近修訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí),仍有人堅(jiān)持第二種意見。由此可知,歷史遺留下來的爭議仍在繼續(xù),實(shí)際問題尚未解決。隨著我國轉(zhuǎn)向器產(chǎn)品銷往國際市場(chǎng),此問題現(xiàn)在到了刻不容緩、亟待解決的時(shí)候了。本文從轉(zhuǎn)向器中間位置的傳動(dòng)間隙對(duì)轉(zhuǎn)向器性能的影響、轉(zhuǎn)向器性能對(duì)整車操縱性穩(wěn)定性的影響以及實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器可變間隙特性的技術(shù)措施三個(gè)層面,談?wù)劰P者不成熟的看法,與各位專家同仁共勉。 1 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器與助力式轉(zhuǎn)向器的性能關(guān)系 現(xiàn)代高性能汽車對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求主要包括以下幾個(gè)

3、方面:一是保證低速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)具有較好的輕便性;二是確保高速直線行駛時(shí)應(yīng)該具備較強(qiáng)的路感(或穩(wěn)定感);三是在緊急狀態(tài)下,必須具有快速轉(zhuǎn)向的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性。 采用助力式轉(zhuǎn)向器可以較好地滿足低速轉(zhuǎn)向的輕便性要求。 關(guān)于轉(zhuǎn)向路感,人們普遍認(rèn)為機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的路感較為理想,因此,在設(shè)計(jì)助力轉(zhuǎn)向器時(shí),通過選擇合適的預(yù)開隙和扭桿剛度,或者采用電子控制等方法使其輸入軸的中間部位(相當(dāng)于汽車的直線行駛或轉(zhuǎn)向器經(jīng)常工作的位置)設(shè)定不助力區(qū),即所謂的“不靈敏區(qū)”或“死區(qū)”(圖1中的±),以企求與機(jī)械式轉(zhuǎn)向器相似的路感和轉(zhuǎn)向準(zhǔn)確性。 近年來,由于車速越來越高,為了獲得較強(qiáng)的路感,“不靈敏區(qū)”有擴(kuò)大的趨勢(shì)。然而過大

4、的“不靈敏區(qū)”將會(huì)影響快速響應(yīng)性和轉(zhuǎn)向輕便性。因此,傳統(tǒng)的液壓助力式轉(zhuǎn)向器只好采用在考慮響應(yīng)性的同時(shí)兼顧輕便性等方法進(jìn)行綜合性設(shè)計(jì)(圖1(a))。要想較圓滿地解決這一矛盾,非電子控制莫屬(圖1(b)和(c)),有關(guān)電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的詳情本文不再贅述。 此外,設(shè)定“不靈敏區(qū)”或“死區(qū)”之所以必要,不僅是為了汽車高速直線行駛時(shí)提供較強(qiáng)的路感,而且也是為了“節(jié)能減排”所采取的必不可少的技術(shù)舉措。 助力式轉(zhuǎn)向器的“不靈敏區(qū)”或“死區(qū)”實(shí)際上是人力轉(zhuǎn)向或機(jī)械式轉(zhuǎn)向區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)不僅牽涉到路感,而且還涉及到汽車操縱穩(wěn)定性和安全性等密切相關(guān)的問題。因此,本文把所研究的重點(diǎn)和目標(biāo)鎖定在轉(zhuǎn)向器中間位置的機(jī)械性能

5、上,雖然助力式與純機(jī)械式轉(zhuǎn)向器在機(jī)械性能上略有差異(前者因扭桿而使系統(tǒng)剛度較小,又因液阻或電機(jī)慣量而使阻尼較大等),但仍然不影響對(duì)其機(jī)械性能的研究價(jià)值和實(shí)用意義。 圖2 轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)間隙特性 2 轉(zhuǎn)向器的機(jī)械性能 眾所周知,轉(zhuǎn)向器的機(jī)械性能一般常用傳動(dòng)比i、傳動(dòng)間隙(或)、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、傳動(dòng)效率和傳動(dòng)剛度等5個(gè)參數(shù)及其變化規(guī)律來描述[3]。如前文所言,應(yīng)特別關(guān)注的是轉(zhuǎn)向器中間位置各性能參數(shù)之間的相互影響,以及這些參數(shù)對(duì)整車操縱穩(wěn)定性和安全性乃至轉(zhuǎn)向器使用壽命的影響。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器是現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、加工較為精密和技術(shù)含量較高的部件。然而,在其零件制造過程中,難免存在

6、一定的加工誤差。以轉(zhuǎn)向齒扇為例,多因刀具切入毛坯時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和熱處理后出現(xiàn)的變形等因素而造成的誤差,并且最大誤差點(diǎn)常常位于齒扇中間位置以外的部位或齒扇的兩側(cè)位置。在轉(zhuǎn)向器零件裝配時(shí),為了避免齒扇兩側(cè)位置與螺母齒條嚙合時(shí)出現(xiàn)干涉或緊點(diǎn),必須把該處的嚙合間隙調(diào)大一些,結(jié)果轉(zhuǎn)向器中間位置的傳動(dòng)間隙也隨之被調(diào)大了。時(shí)至今日,我國生產(chǎn)的此類轉(zhuǎn)向器,大多數(shù)中間位置都有程度不同的傳動(dòng)間隙或游隙。圖2是國產(chǎn)某轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)間隙特性的實(shí)測(cè)曲線[4],顯然中間位置的間隙必須調(diào)至大于兩側(cè)位置,才能確保其它位置進(jìn)入嚙合時(shí)不會(huì)出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。 在這種情況下,國產(chǎn)轉(zhuǎn)向器中間位置的各種性能曲線,如表1所示。由該表可知,當(dāng)轉(zhuǎn)向器

7、中間位置存在傳動(dòng)間隙時(shí),在該區(qū)間內(nèi)除了之外,其他各種性能(曲線)幾乎蕩然無存了,而各種不良后果便接踵而至。 表1 >0時(shí)的機(jī)械性能 參數(shù) 表達(dá)方式 性能曲線 曲線 曲線 表中:、d和-輸入軸的轉(zhuǎn)角,微量轉(zhuǎn)角和傳動(dòng)間隙;dβ和Δβ-輸出軸的微量轉(zhuǎn)角和傳動(dòng)間隙;-空載轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,也稱無載力矩或預(yù)緊力矩;-輸入軸轉(zhuǎn)矩;-輸出軸轉(zhuǎn)矩或負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 3 中間位置有間隙的不良后果 3.1 難以確認(rèn)中間位置 轉(zhuǎn)向器的中間位置既是現(xiàn)代汽車控制行駛方向的基準(zhǔn),又是轉(zhuǎn)向器整車裝配和轉(zhuǎn)向盤安裝的基準(zhǔn),也是轉(zhuǎn)向器(特別是變速比轉(zhuǎn)向

8、器)的設(shè)計(jì)、安裝調(diào)整和試驗(yàn)的基準(zhǔn),因而備受駕駛員、裝配者和試驗(yàn)人員的關(guān)注。如果轉(zhuǎn)向器的中間位置有間隙,即>0時(shí),則在把輸入軸或轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)至任意位置時(shí),既可能是中間位置,又可能不是中間位置,也就是說難于確認(rèn)與汽車直線行駛狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確位置,或者“無中間位置”可言。如此一來,給上述操作人員,帶來了相當(dāng)?shù)睦щy和麻煩。 圖4 附著系數(shù)與車輪滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系 S-車輪滑轉(zhuǎn)率;v-理論車速;ω-車輪角速度;r-車輪半徑;、-側(cè)向附著系數(shù)、縱向附著系數(shù)。 此外,在電子控制助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(包括ECPS、EHPS、EPS和SBW等)中,往往用轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速作為控制信號(hào)。如果轉(zhuǎn)向器或者轉(zhuǎn)向盤無準(zhǔn)確的中間位

9、置,則必然影響控制精度。 圖3 嚙合間隙特性 圖3是日本NSK公司生產(chǎn)的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器間隙特性的實(shí)測(cè)曲線[5]。顯然,該轉(zhuǎn)向器中間位置的間隙為0,其他位置的間隙迅速地變大,即中間位置非常明顯。 3.2 信息被“截流”,無“路感” 在汽車行駛過程中,輪胎與路面接觸的各種狀態(tài),特別是汽車高速直線行駛的狀態(tài),應(yīng)以一定的方式(力和位移及其變化)及時(shí)而準(zhǔn)確地通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)反饋至轉(zhuǎn)向盤,使駕駛員感受到輪胎與路面的附著情況,這就是所謂的路感。其目的是為駕駛員提供準(zhǔn)確的路況信息,以便確認(rèn)操作的條件和方式,如能否加速或減速,制動(dòng)或轉(zhuǎn)向等。又因輪胎與路面的附著系數(shù)或縱向和側(cè)向附著力,隨車速或車輪

10、滑轉(zhuǎn)率的升高而下降(圖4),所以當(dāng)汽車高速直線行駛時(shí),必將削弱向轉(zhuǎn)向盤反饋的信息。在此情況下,姑且不談其它因素,僅就轉(zhuǎn)向器而言,若中間位置>0,則上述被削弱了的反饋信息完全有可能被所“截流”或“斷路”,造成轉(zhuǎn)向盤無路感,只覺得車輛在“發(fā)飄”,行駛不穩(wěn)定,無安全感。 從圖3可知,若轉(zhuǎn)向器中間位置無傳動(dòng)間隙即=0,則反饋回來的信息就不會(huì)被“吃掉”,那怕是微弱的信息也不會(huì)被流失。 3.3 阻尼小,不利于減振 在汽車直速行駛過程中,當(dāng)車輪受到來自外界(路面的不平)或內(nèi)部(輪胎或輪輞的不平衡等)長時(shí)間的往返干擾時(shí),車輪將會(huì)產(chǎn)生擺振或車輛出現(xiàn)擺頭。僅就轉(zhuǎn)向器而言,如果其中間位置有間隙,則將為車

11、輪擺振提供了一個(gè)幾乎無阻尼的振動(dòng)空間。若車輪的擺振反饋至轉(zhuǎn)向器或轉(zhuǎn)向盤后,當(dāng)其振幅大于轉(zhuǎn)向器中間位置的間隙時(shí),則轉(zhuǎn)向盤也隨之抖動(dòng)或振顫。 車輪的擺振和轉(zhuǎn)向盤的抖動(dòng),不僅使駕駛員感到非常不舒服,而且防礙了汽車的高速平穩(wěn)的運(yùn)行,更無利于節(jié)能減排。 圖5 預(yù)緊力特性 為了抑制或消除車輪的擺振和轉(zhuǎn)向盤的抖動(dòng),適當(dāng)?shù)卦黾愚D(zhuǎn)向器中間位置的阻尼,是一種有效的途徑。因此,國外生產(chǎn)的轉(zhuǎn)的向器,其中間位置都有適度的預(yù)緊力。圖5是NSK循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器預(yù)緊力矩的實(shí)測(cè)曲線[5]。相比之下,我國生產(chǎn)的同類型轉(zhuǎn)向器,其中間位置必須保留一定的間隙(否則發(fā)卡),不可能實(shí)施預(yù)緊,故阻尼小,易振動(dòng)。當(dāng)然,預(yù)緊力過大也會(huì)

12、出現(xiàn)車輪回正澀滯,甚至不回正,故預(yù)緊力要適度。 此外,提高轉(zhuǎn)向器的剛度,也有利于抵制轉(zhuǎn)向器的振顫。 3.4 剛度小,響應(yīng)性差 對(duì)于現(xiàn)代高速汽車而言,由于行駛環(huán)境和條件存在著諸多復(fù)雜的可變性和不確定因素,所以要求汽車必須具備良好的瞬間或動(dòng)態(tài)應(yīng)變的能力,即快速響應(yīng)性,否則難以確保汽車高速直線行駛時(shí)的機(jī)動(dòng)性和安全性。例如當(dāng)汽車高速行駛時(shí)瞬間遇到強(qiáng)勁的側(cè)向風(fēng)力,或者當(dāng)汽車高速駛出隧道口時(shí)遇到較大的橫向風(fēng)力時(shí),都會(huì)使汽車自動(dòng)轉(zhuǎn)向。此刻,要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須具有快速轉(zhuǎn)向的響應(yīng)性,以便駕駛員能夠及時(shí)準(zhǔn)確地校正汽車的行駛方向和路線,以免發(fā)生安全事故。 此外,在汽車超車或避障時(shí),需要具有快速轉(zhuǎn)向響

13、應(yīng)性。影響汽車快速響應(yīng)性的主要因素,就轉(zhuǎn)向器而言,是其間隙、預(yù)緊力矩和剛度。然而,國產(chǎn)轉(zhuǎn)向器在其中間位置,既有間隙,又無預(yù)緊力矩和剛度(有轉(zhuǎn)角無轉(zhuǎn)矩,見表1),因而響應(yīng)性低下。國外轉(zhuǎn)向器的中間位置,既無間隙(圖3),又有預(yù)緊力矩(圖4)和剛度(圖6),故響應(yīng)性好。所以必須重視轉(zhuǎn)向器的剛性,特別是微小轉(zhuǎn)角的剛度,切不可忽視。 圖7 預(yù)緊力矩與間隙的變化 3.5 無調(diào)整性,壽命低 眾所周知,轉(zhuǎn)向器是一種高負(fù)載、低轉(zhuǎn)速和往返操作的傳動(dòng)副,因其各部位的工作時(shí)間差異較大,故磨損各不相同。傳動(dòng)副的中間位置工作時(shí)間較長,磨損較快,而兩側(cè)位置工作時(shí)間較短,幾乎無磨損。當(dāng)中間位置磨損后,理

14、應(yīng)用變厚齒扇或偏心軸承座調(diào)整和補(bǔ)償被磨損后增大了的間隙,但因轉(zhuǎn)向器總成裝配時(shí),曾以兩側(cè)位置不產(chǎn)生干涉為條件,調(diào)定了中間位置的傳動(dòng)間隙,也就是說,即便在使用過程中其中間位置磨損了,間隙再大也不能調(diào)整了,即無調(diào)整性。 據(jù)日本KOYO(現(xiàn)改名為JTEKT)公司對(duì)該廠生產(chǎn)的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器試驗(yàn)證實(shí),在試驗(yàn)?zāi)p后,當(dāng)預(yù)緊力矩下降1/2,轉(zhuǎn)向盤間隙大于時(shí),就應(yīng)調(diào)整到設(shè)定值,共進(jìn)行兩次[7],見圖7。實(shí)際上在使用過程中,一旦發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤有間隙就應(yīng)及時(shí)調(diào)整,以免影響汽車使用性能。相比之下,我國生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向器多數(shù)無調(diào)整性,其使用壽命必然大打折扣。 圖6 剛度特性 另外,轉(zhuǎn)向器機(jī)械性能中,還有傳動(dòng)比,因在>

15、0區(qū)間內(nèi),僅有輸入無輸出,故無實(shí)質(zhì)意義,不在多述。 總而言之,上述轉(zhuǎn)向器存在著一系列不良后果或缺陷,可以說完全在于中間位置存在傳動(dòng)間隙,即因>0所致。德國BOSCH“AUTOMOTIVE HANDBOOK”明確地指出“轉(zhuǎn)向器必須具有下述的品質(zhì):在直線位置時(shí),沒有游隙;低摩擦,從而具有高效率、高剛性、可調(diào)整性”。以此四項(xiàng)基本品質(zhì)來判斷和比較轉(zhuǎn)向器中間位置的性能,如表2所示。 表2 中間位置性能比較 性能 國別 游隙 效率 剛性 可調(diào)性 外國 =0 中國 (大部) >0 =0 =0 該書把轉(zhuǎn)向器中間位置無游隙放在首位,可見其重要性不一般。恰

16、恰就是在這一點(diǎn)上,大多數(shù)國產(chǎn)轉(zhuǎn)向器與先進(jìn)國家相比,其差距或滯后可能有若干年(僅就傳動(dòng)間隙而言)。因此實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)轉(zhuǎn)向器中間位置無傳動(dòng)間隙的技術(shù)措施,乃是當(dāng)今多數(shù)轉(zhuǎn)向器廠刻不容緩,亟待攻克的難題。 4 實(shí)現(xiàn)可變傳動(dòng)間隙的技術(shù)措施 4.1 傳動(dòng)間隙的構(gòu)成及其調(diào)整性 眾所周知,循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由螺桿-螺母工作副和齒條-齒扇工作副組成。因此,轉(zhuǎn)向器的總間隙是這兩個(gè)工作副間隙的總和。 螺桿-螺母副的間隙主要指鋼球與螺桿和螺母滾道三者之間的配合間隙,一般徑向間隙為0.01mm,也有采用局部(中間位置)或全行程過盈配合的,其方法有三:1)變中徑螺桿,即中間中徑大、兩側(cè)逐漸變至標(biāo)準(zhǔn)值;2)變螺距螺桿,

17、即中間螺距小、兩側(cè)逐漸變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)值;3)鋼球與螺桿和螺母滾道全行程過盈配合。螺桿兩端支承軸承用端蓋預(yù)緊,故螺桿-螺母副的間隙很小。 齒條-齒扇副為末端傳動(dòng)副,負(fù)載較大,中間位置工作時(shí)間較長,易磨損,故應(yīng)及時(shí)調(diào)整或補(bǔ)償因其磨損而增大了的間隙。一般采用變厚齒輪的軸向移動(dòng)或偏心軸承座的轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)其無齒隙嚙合。因此所謂轉(zhuǎn)向器的調(diào)整性,實(shí)際上就是齒條-齒扇副中間位置實(shí)現(xiàn)無齒隙嚙合的調(diào)整問題。 為了獲得更加著實(shí)和可靠的無齒隙嚙合,必須對(duì)齒條-齒扇副施加一定的預(yù)緊力矩(見圖5)。 總之,通過調(diào)整施加一定的預(yù)緊力矩,不僅能夠消除螺桿-螺母副、齒條-齒扇副和各支承部位的配合或摩擦間隙,而且又可獲得適當(dāng)?shù)淖枘?/p>

18、,較高的剛度和較強(qiáng)的路感等,真乃一舉數(shù)得,何樂而不為呢? 但是,如前文所述,實(shí)現(xiàn)中間位置無齒隙嚙合,應(yīng)以其它位置進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)不產(chǎn)生干涉為前提條件。因此,既可使中間位置無齒隙嚙合又能確保其它位置有齒隙傳動(dòng)(無干涉),也就是說該傳動(dòng)必須滿足和實(shí)現(xiàn)“可變嚙合間隙”的使用要求。所以,“可變嚙合間隙”的設(shè)計(jì)理念和實(shí)踐成為下文主要研究的重點(diǎn)。 4.2 可變嚙合間隙的設(shè)計(jì)機(jī)理 4.2.1 齒條修正法與齒扇偏心法 在我國轉(zhuǎn)向行業(yè)中,可變嚙合間隙的設(shè)計(jì)普遍采用兩種方法,一種是齒條修正法,源于上世紀(jì)60~70年代日本的技術(shù);另一種為齒扇偏心法,來自前蘇聯(lián),實(shí)際上是德爾福20世紀(jì)50年代的技術(shù)。由于

19、齒條修正法比較簡單,所以在我國被廣泛地采用,也有少數(shù)單位至今仍然沿用齒扇偏心法。 所謂齒條修正法,簡單地說,是把齒條中線或分度線上中間齒槽的齒寬設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)值,其它齒槽的齒寬,在標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上,增加某一間隙量Δ。因此,即便齒條中間齒槽與齒扇中間輪齒無齒隙嚙合,其他齒槽進(jìn)入嚙合時(shí),也不會(huì)出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。 所謂齒扇偏心法,是將齒扇的幾何中心設(shè)定在其旋轉(zhuǎn)中心上方e處,當(dāng)齒扇饒其旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其幾何中心被下拉某一距離,則與其相嚙合的齒條齒槽之間形成了側(cè)向間隙,即便齒扇的中間位置與齒條的中間齒槽為無齒隙嚙合,其它位置進(jìn)入傳動(dòng)時(shí),也不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 圖8是齒條修正法和齒扇偏心法理論間隙特性曲線的比較

20、,數(shù)學(xué)模型見文獻(xiàn)[3]。 由圖8可知,這兩種方法都可以得到“可變間隙”特性,但從轉(zhuǎn)向器必須具有明確的“中間位置”來看,若無齒隙嚙合區(qū)越小,則中間位置越明顯。按此觀點(diǎn)從圖8可見,似乎齒扇偏心法優(yōu)于齒條修正法。然而,當(dāng)對(duì)齒條-齒扇副施加一定的預(yù)緊力矩時(shí),齒條修正法的無間隙嚙合區(qū)幾乎不變,而齒扇偏心法的無齒隙嚙合區(qū),由于特性曲線底部的斜率太小,因此兩者的無齒隙嚙合區(qū)非常接近。特別是當(dāng)齒條-齒扇副磨損后進(jìn)行調(diào)整時(shí),后者往往可能大于前者,所以兩者的無齒隙區(qū)域相差不大。 圖9 齒扇中間輪齒齒形的連續(xù)修正 進(jìn)一步看,以齒條修正法為例,經(jīng)仿真計(jì)算和實(shí)物模型檢測(cè),其無齒隙嚙合區(qū)約在齒扇轉(zhuǎn)角7左右(圖

21、8),如果將其折算成轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角,取平均傳動(dòng)比20,則轉(zhuǎn)向盤的無齒隙區(qū)或預(yù)緊區(qū)為140左右,即轉(zhuǎn)向盤約在280的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)均為無齒隙區(qū)或預(yù)緊區(qū)。如此一來,轉(zhuǎn)向盤在這么大的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi),因其存在著加工誤差,難免在某個(gè)局部產(chǎn)生緊點(diǎn)或澀滯現(xiàn)象。其結(jié)果,不得不放棄施加預(yù)緊力矩而加大間隙。隨之而來的便是中間位置也難以實(shí)現(xiàn)無齒隙嚙合了,因此,無法滿足現(xiàn)代高性能汽車的使用要求。 這就是目前我國大多數(shù)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的現(xiàn)狀和概況。究其原由,均因墨守成規(guī)延誤若干年,故而必須奮起直追,與世界同行。 4.2.2 齒扇修正法 圖8 齒條修正與齒扇偏心理論特性比較 s=Δ或e; 1 Δ=0.20; 2

22、e=1.00; 3 e=0.50; β—齒扇轉(zhuǎn)角 連續(xù)變位齒形修正法,簡稱齒扇修正法或齒形修正法。它是指齒條刀具在插制齒扇毛坯的過程中,利用刀具的連續(xù)變位,僅對(duì)齒扇中間輪齒的齒形進(jìn)行連續(xù)修正的一種方法,見圖9。該圖是變厚齒扇的標(biāo)準(zhǔn)截面,即齒扇變位系數(shù)X=0的截面。虛線Ⅰ是刀具切制齒扇中間輪齒標(biāo)準(zhǔn)齒形Ⅲ的位置,虛線Ⅱ是刀具切削中間輪齒連續(xù)變位齒形Ⅳ的位置。所謂連續(xù)變位齒形修正,是指當(dāng)?shù)毒咴谇邢髦虚g位置輪齒(輪齒與刀具或齒條在固定弦端點(diǎn)A和B處相切)時(shí),刀具有著最大的變位量Xm,之后在切削其它位置(如齒頂或齒根部)時(shí),變位量連續(xù)變小直至為零,即回到標(biāo)準(zhǔn)切削位置,其后再切制兩側(cè)標(biāo)準(zhǔn)齒形。如此,中

23、間輪齒在原固定弦AB處有兩個(gè)沿著嚙合線方向的法向增量ΔS(圖9∠Beg),因而該處的齒厚比標(biāo)準(zhǔn)齒形的齒厚大,所以也有將其稱為鼓形齒或局部變位齒(圖9虛線齒廓Ⅳ)。 4.2.3 齒形修正法的計(jì)算 A.刀具切削中間輪齒任意位置的變位系數(shù) 如圖9所示,齒扇在中間位置時(shí),以其中間輪齒的固定弦AB與刀具或齒條相切。若刀具在B點(diǎn)有最大變位系數(shù),則由∠Beg可知: (1) 式中:-刀具在固定弦端點(diǎn)B處的變位系數(shù);m-模數(shù);-壓力角;-法向增量,取=0.20~0.25mm。 刀具在切削中間輪齒任意位置的變位系數(shù),即: (2) 式中:-刀具切削輪齒任意

24、位置的變位系數(shù);-齒形修正的最大轉(zhuǎn)角(見圖10),可取=±4左右;-齒形修正的任意轉(zhuǎn)角,0≤≤。 由式(2)可知,當(dāng)齒扇轉(zhuǎn)角=時(shí),則=0,刀具回至標(biāo)準(zhǔn)切削位置。其后,切制兩側(cè)輪齒時(shí)不再進(jìn)行齒形修正了。 B.分度圓與齒廓交點(diǎn)處的齒形修正變位系數(shù) 從式(2)可知,欲求分度圓與齒廓交點(diǎn)f處的變位系數(shù)X,必須先求出點(diǎn)f的夾角與固定弦端點(diǎn)B的夾角之差,即兩點(diǎn)之間的相對(duì)夾角(見圖10),方能按式(2)求出點(diǎn)f的變位系數(shù)X。即 (3) 其中 (4) Z-齒扇整圓齒數(shù)。 由圖10可知 (5) 而 圖10 齒

25、形修正法的計(jì)算 在∠PdB中, 式中:-固定弦齒厚;r-分度圓半徑。 將、和代入式(5),求出,再將和代入式(3),就可求出。 C.齒形修正后的檢測(cè) 為確認(rèn)中間輪齒經(jīng)過連續(xù)變位齒形修正后的加工精度,可以采用檢測(cè)固定弦齒厚和弦齒高,或者公法線長度W來判定。然而,上述變位系數(shù)的計(jì)算,都是在標(biāo)準(zhǔn)截面上進(jìn)行的。對(duì)于變厚齒扇的成品或?qū)嵨飦碇v,受測(cè)量工具如卡腳干涉等限制,難以在其標(biāo)準(zhǔn)截面上進(jìn)行參數(shù)測(cè)量。因此,需要把標(biāo)準(zhǔn)截面上應(yīng)該檢測(cè)的項(xiàng)目,轉(zhuǎn)換成變厚齒扇大端面上相應(yīng)的實(shí)際檢測(cè)內(nèi)容。為此,事先必須對(duì)大端面上的固定弦或公法線進(jìn)行理論計(jì)算。 D.大端固定弦的計(jì)算 固定弦齒厚 根據(jù)

26、機(jī)械原理[6],變位齒輪固定弦齒厚可由下式求出: (6) 圖12 W測(cè)量示意圖 (7) 式中:-大端變位齒輪分度圓齒厚;-大端變位系數(shù)。 將式(7)代入式(6),便可求出大端固定弦齒厚。 固定弦齒高 (8) 而 (9) 式中:—大端齒頂高;—齒頂高系數(shù)。 將式(7)和(9)代入式(8),即可求出大端固定弦齒高。固定弦齒高和齒厚的測(cè)量,見圖11所示。 E.大端公法線的計(jì)算 公法線長度可由下式求出: (10) 跨齒數(shù) 不論跨齒數(shù)整數(shù)化取多大,凡卡尺的卡腳卡在中間輪齒上,如圖12虛線所示,則用式(10)計(jì)算

27、,若卡尺不需要卡在中間輪齒上,如圖12實(shí)線所示,則式(10)中的。 5 可變間隙特性的比較 圖13 三種可變間隙特性理論曲線比較 1. D=0.2mm; 2. e=0.5mm; 3. e=1.0mm 圖11 固定弦齒高和齒厚的測(cè)量圖 以上簡要地介紹了三種可變間隙特性的設(shè)計(jì)計(jì)算原理,圖13表示該三種方法間隙特性理論曲線的比較。圖14表明用此三種方法制作的實(shí)物模型間隙特性實(shí)際測(cè)量結(jié)果的比較(無施加預(yù)緊力)[2]?,F(xiàn)以下列三個(gè)條件或原則來評(píng)價(jià)無齒隙嚙合特性。 1) 可變間隙特性曲線的無齒隙嚙合區(qū)越小越好。當(dāng)無齒隙嚙合區(qū)很小,甚至變成一個(gè)嚙合點(diǎn),并且為唯一的緊點(diǎn)時(shí),則轉(zhuǎn)

28、向器的中間位置非常明顯和準(zhǔn)確。如此,為調(diào)整人員提供了一個(gè)在轉(zhuǎn)向器中間位置施加預(yù)緊力矩的基點(diǎn),也為駕駛員判斷轉(zhuǎn)向盤保持汽車直線行 圖14 三種可變間隙特性實(shí)測(cè)曲線比較 駛的操作基準(zhǔn)。 2) 特性曲線的斜率或升程越大越好。若可變間隙特性曲線的斜率很大或陡峭時(shí),即便因其磨損而進(jìn)行調(diào)整,可能使其無齒隙嚙合區(qū)的變化很小。故而可以維持較長時(shí)間較小的無齒隙嚙合區(qū)和良好的使用性能。 3) 曲線第一段越高越好。一般該曲線由兩段或三段構(gòu)成,視工作齒數(shù)而定,并呈波浪形或階梯式上升。若第一段曲線從開始至終點(diǎn)的高度越高,則轉(zhuǎn)向器的可調(diào)性越好,維持高性能和高壽命的使用時(shí)間越長。 按上述三條來評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向器可變間隙

29、特性,由圖13和圖14可知,無需多言,采用連續(xù)變位齒形修正法,是目前最佳的選擇。 6 小結(jié) 1) 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器應(yīng)該具有“可變間隙特性”,即中間位置必須實(shí)現(xiàn)無齒隙嚙合,而兩側(cè)則可保留適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)間隙,借以避免產(chǎn)生干涉現(xiàn)象; 2) 中間位置必須施加一定的預(yù)緊力矩,方能確保獲得較強(qiáng)的路感,較快的響應(yīng)性和較好的減振性; 3) 采用連續(xù)變位齒形修正法,是目前達(dá)到上述兩條的最佳選擇。 總而言之,循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的間隙特性是否符合使用要求,可用幾個(gè)字來概括和判斷,即“中間點(diǎn)緊,兩側(cè)松”或“中間緊,兩側(cè)松”。 參考文獻(xiàn) [1] 轉(zhuǎn)向協(xié)會(huì). 中國汽車轉(zhuǎn)向器行業(yè)史. 行業(yè)史編委會(huì). 2010.9 [2] Bosch. AUTOMOTIVE HANDBOOK. 北京: 理工大學(xué)出版社. 1999.1 [3] 陳奎元等. 汽車整體式轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)間隙特性的研究. 轉(zhuǎn)向行業(yè)信息. 1997.11 [4] 陳奎元. 汽車轉(zhuǎn)向器的性能及其測(cè)定. 清華大學(xué). 1980.9 [5] NSK. 日本NSK循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器. 天津汽車研究所. 1979 [6] 天津大學(xué)等. 機(jī)械原理. 人民教育出版社. 1979.11 [7] KOYO. SBS95C型循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器試驗(yàn)報(bào)告. 天津汽車研究所. 1978

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