轻卡转向系统结构设计与优化

轻卡转向系统结构设计与优化

段绪勇

安徽江淮汽车集团股份有限公司  安徽合肥  231200

摘要：转向系统是汽车底盘四大系统的关键总成之一，是影响汽车操纵稳定性和行驶安全性最直接的因素。目前，大载荷轻卡汽车普遍采用的液压助力齿轮齿条式或循环球式转向系统不能满足大输出扭矩的需求，而且系统结构比较复杂，承载能力不强，零件强度刚度不足，重量大及液压助力装置自身存在缺陷等问题，使系统的寿命降低，无法保证汽车行驶的安全性与稳定性，不能满足大载荷轻卡汽车的转向需求。基于此，本文针对轻卡转向系统结构设计与优化进行了分析。

关键词：轻卡转向系统；结构设计；优化

引言

目前，国内外轻卡汽车采用的转向系统普遍是HPS，其执行机构为齿轮齿条式或循环球式转向器，随轻卡汽车装配质量及装载质量的提高，车辆转向系统所承受的载荷越来越大，对转向系统的输出扭矩要求越来越高，在不改变转向系统体积的情况下，提高转向器的输入扭矩，输入转矩一旦提高，对转向器零件的强度、刚度提出更加苛刻的要求，而且HPS结构复杂、承载能力不足、可靠性低及不能满足大载荷轻卡的转向需求。因此对能够满足结构紧凑，轻量化生产，可靠性高，动力足的B-EPS的研究变得尤为重要。

1.纯机械转向系统原理及特点

纯机械转向系统中传动部件都是机械的，无其他助力装置，完全依靠驾驶员施加的扭转力矩。MS系统可以大致分为三部分：转向操纵机构、转向器及转向传动机构。转向操纵机构包括从转向盘到转向器输入端的零部件，它是将驾驶员施加在转向盘的扭转力矩传递到转向器的输入轴。转向传动机构包括从转向摇臂到转向车轮的零部件，它是把转向器输出的扭矩传递给转向车轮的机构。转向器是把输入的转速和转矩按一定传动比进行减速和增扭，最早出现的转向器是蜗轮蜗杆式，然后陆续出现了齿轮齿条式、循环球式等。随着车速的增加和车辆装载质量的提高，车辆的转向操纵变得更加困难，转向也越来越费力。

2.轻卡转向系统结构设计与优化分析

2.1螺杆螺母滚道截面设计

目前，市场上常见的螺杆螺母螺旋滚道型面主要有单圆弧式和双圆弧式。单圆弧式滚道型面通过砂轮磨削螺纹滚道形成，加工相对比较容易。但由于钢球与螺母螺杆的接触点只有两个，螺杆与螺母之间存在轴向间隙，当受到轴向载荷冲击时，接触角会产生变化导致传动性能不稳定，从而影响传动效率。而双圆弧式滚道型面，由两条圆弧组成，钢球与螺杆螺母滚道之间产生四点接触点，轴向间隙比较小，接触角不发生改变，而且在螺纹槽底部设有小凹槽，可用来储存润滑油及磨损杂质，可以减小滚道的磨损。这种双圆弧式滚道型面可以有效的提高转向器的传动平稳性及传动效率。但双圆弧式滚道型面还是存在传动承载能力不足、摩擦特性差、轴向刚度及轴隙调整难度大等问题，而且市场的投诉不断，还需对滚道型面进行改进。

因此本文在双圆弧式滚道型面的基础上对其进行改进。采用五圆弧式滚道型面，即螺杆螺母的滚道型面分别采用五段圆弧，第一圆弧和第四圆弧的弧长和弧度相同，第二圆弧和第五圆弧的弧长和弧度相同，第三圆弧设置在滚道的底部正中间位置，五段圆弧中只有第三圆弧与钢球不接触，其余四段圆弧与钢球分别产生四个接触点，即螺杆螺母与钢球共产生八个接触点，通过将以前的两点或四点接触改为八点接触，结构的刚度增强，传动更加平稳，实现了零轴隙配合，避免轴向间隙调整难问题，减去间隙调整机构，同时传动可逆性更可靠和及时，降低了转向系统的噪音，能合理的增加转向扭矩和转向速度，提高车辆驾驶的舒服性和安全性。在工艺上，对螺杆螺母的内外螺旋凹槽进行淬火处理和磨削加工，使其保证有足够的强度和耐磨性。

2.2齿条扇齿副结构设计

转向器的可变传动比特性对轻卡的操纵稳定性、转向轻便灵活性有很大影响。当汽车高速直线行驶时，为实现轻卡操纵稳定性，希望转向器传动比尽可能小，当汽车在低速行驶或原地转向时，转向阻力随角度增大而增大，为了获得良好的轻便性，希望转向器传动比逐渐增大，以减小转向力矩。显然，等速比转向器是不能同时满足上述两种要求的，为了解决这一矛盾，一般可以通过提高转向器的传动效率和选择合适的传动比来实现，采用循环球式转向器是提高转向器效率的一个有效措施，同时采用变传动比循环球式转向器可以更好的兼顾这两方面的要求。

为了使循环球式转向器的传动比发生变化，可以使齿条扇齿副啮合半径随摇臂轴转角的变化而发生变化，可以采用改变中心距的方法，但该方法会增加转向器的空间结构，故一般不采用此方法，其次可以通过改变齿条扇齿的啮合方式，即改变齿面的渐开线齿廓。改变齿条扇齿副的啮合方式，理论上可以采用以下三种共轭方法：定比齿条-变比齿轮、变比齿条-定比齿轮及变比齿条-变比齿轮。其中，定比齿条-变比齿轮共轭方式是设计制造相对较容易，而且研究和应用也较多，因此本文采用定比齿条-变比齿轮进行变传动设计。

其原理是扇齿的渐开线是变化的，即变厚齿轮。在不同的齿形端截面上，其变位系数是不同的，它是沿着齿轮轴线方向呈线性变化，从而使各个端截面的齿厚尺寸逐渐变化，形成大端和小端，大端截面的变位系数最大，相反，小端是最小的。由于汽车直线行驶工况较多，此时转向器的摇臂轴常处于中间位置工作，因此摇臂轴扇齿的中间齿是磨损最严重的，会导致齿侧间隙变大，而且容易在两端出现啮合卡住现象，因此应将每个齿的齿厚做成不一样，形成不一样的齿侧间隙。由中间齿向两端齿厚逐渐减小，来控制摇臂轴上齿与齿间隙的大小。

变厚扇齿与齿条啮合处于长期大载荷使用后，会出现磨损形成一定的啮合间隙，导致汽车转向不安全，需引入间隙补偿机构。在摇臂轴的短头端面设置T形的切槽，调整螺钉插入切槽中，在螺钉和切槽端面设置橡胶垫以及调整螺塞等。转向器使用一段时间后，齿条扇齿啮合间隙变大，导致调整螺钉的头部台阶和调整螺塞的右端面出现一定程度的间隙，此时受压的橡胶垫会自动将摇臂轴向左移动，从而可以灵活地对齿条扇齿的啮合间隙进行自动补偿，同时也可通过调节调整螺钉的旋进程度来实现齿条与扇齿之间啮合间隙的控制。

通过对齿条扇齿副变传动比设计及摇臂轴增加柔性自动补偿机构，可以使转向器的整体强度、承受冲击能力、传动效率提高，保证了可靠性，提高了汽车在直线行驶的稳定性、安全性及转向时的灵活性；增加柔性自动补偿机构，可以方便间隙的调整，获得良好的路感。

2.3转向壳体结构设计

采用包络的方法完成转向壳体的基本外形设计，壳体内壁与转向螺杆固定支承端的端面、转向螺母侧面、摇臂轴扇齿最大外径间距均为5mm，通过壳体的设计经验，壳体的壁厚初步确定为8mm，摇臂轴长头端的位置是壳体承受力最大的部位，因此要考虑此处轴承座的设计以及加强筋的设计，初步取轴承座壁厚为8mm，加强筋等间距分布，初步取6个。由于摇臂轴的截面是一个扇形，考虑到安装等因素，壳体的反面轴承座设置为扇形，方便摇臂轴的安装和维修。因为转向器是变传动比传动，摇臂轴和螺母之间存在不等间隙，故需在转向器反面轴承座上安装侧盖板及可调螺钉等装置。考虑到转向器的安装空间和壳体的强度、刚度，连接部位设计为对称分布，四个安装孔面都在一个基准面上，保证结合面之间有足够摩擦力。壳体的一些细节设计，如注油口，小螺栓孔，倒角，圆角等不加以陈述，因为在有限元分析时，细节小特征会影响网格的质量，降低了结果的准确性。

结语

通过本文的研究，转向器设计更加科学合理，提高了转向器的传递扭矩、整体强度、承受冲击能力等，保证了系统的助力特性、使用寿命、可靠性及安全性，满足了目标车辆的转向需求，大大缩短新产品的研发周期。

参考文献：

[1]聂建军．汽车机械式转向系统传动比分析[J]．今日制造与升级，2021(09)：44-45．

[2]孙经瑞，张翼，史小航等．汽车动力转向技术发展综述[J]．重型汽车，2011(02)：13-14．