循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器間隙問(wèn)題

1 關(guān)于汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器急待解決的性能問(wèn)題 陳奎元 季學(xué)武 清華大學(xué)汽車工程系 北京 前言 我國(guó)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(lái) 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(wèn)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(wú)間隙傳動(dòng) 另一種則 認(rèn)為受加工誤差的限制 若中間位置無(wú)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(wú)間隙傳動(dòng) 所以 至今我國(guó)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(jiàn) 由此可知 歷 史遺留下來(lái)的爭(zhēng)議仍在繼續(xù) 實(shí)際問(wèn)題尚未 解決 隨著我國(guó)轉(zhuǎn)向器產(chǎn)品銷往國(guó)際市場(chǎng) 此問(wèn)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 1 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器與助力式轉(zhuǎn)向器機(jī)械式轉(zhuǎn)向器與助力式轉(zhuǎn)向器 的性能關(guān)系的性能關(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)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(guò)選擇合適的預(yù)開(kāi)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 0 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器相似的路感和轉(zhuǎn)向準(zhǔn)確性 近年來(lái) 由于車速越來(lái)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(guò)大的 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 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 0 靈敏角 I 電流 2 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(wèn)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?jī)r(jià)值和實(shí)用意義 2 2 轉(zhuǎn)向器的機(jī)械性能轉(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) 0 T n G 及其變化規(guī)律來(lái)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(guò)程中 難 免存在一定的加工誤差 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(guó)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(guó)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(guó)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(wú)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 i d d 曲線 0 T 0 T 曲線 r s Td Td 圖 2 轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)間隙特性 3 n G Ts 表中 d和 輸入軸的轉(zhuǎn)角 微量轉(zhuǎn)角和傳動(dòng)間隙 d 和 輸出軸 的微量轉(zhuǎn)角和傳動(dòng)間隙 空載轉(zhuǎn)動(dòng)力矩 o T 也稱無(wú)載力矩或預(yù)緊力矩 輸入軸轉(zhuǎn)矩 s T 輸出軸轉(zhuǎn)矩或負(fù)載轉(zhuǎn)矩 r T 3 3 中間位置有間隙的不良后果中間位置有間隙的不良后果 3 1 難以確認(rèn)中間位置難以確認(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(pán)安裝的基準(zhǔn) 也是轉(zhuǎn)向器 特別是變速比轉(zhuǎn) 向器 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(pán)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(shuō)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(wú)中間位置 可言 如 此一來(lái) 給上述操作人員 帶來(lái)了相當(dāng)?shù)睦?難和麻煩 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(pán)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(pán)無(wú)準(zhǔn)確的中間位置 則必然影 響控制精度 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 信息被信息被 截流截流 無(wú) 無(wú) 路感路感 在汽車行駛過(guò)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(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)反饋至轉(zhuǎn)向盤(pán) 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(pán)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(pán)無(wú)路感 只 覺(jué)得車輛在 發(fā)飄 行駛不穩(wěn)定 無(wú)安全感 從圖 3 可知 若轉(zhuǎn)向器中間位置無(wú)傳動(dòng) 間隙即 0 則反饋回來(lái)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 圖 3 嚙合間隙特性 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 vr v 車輪角速度 r 車輪半徑 s 側(cè)向附著系數(shù) 縱向附著系數(shù) l 4 3 3 阻尼小 不利于減振阻尼小 不利于減振 在汽車直速行駛過(guò)程中 當(dāng)車輪受到來(lái) 自外界 路面的不平 或內(nèi)部 輪胎或輪輞的不 平衡等 長(zhǎng)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 則將為車輪擺振提供 了一個(gè)幾乎無(wú)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(pán)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(pán)也 隨之抖動(dòng)或振顫 車輪的擺振和轉(zhuǎn)向盤(pán)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(wú)利于節(jié)能減排 為了抑制或消除車輪的擺振和轉(zhuǎn)向盤(pán)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(guó)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) o T 曲線 5 相比之下 我國(guó)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(guò)大也會(huì)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(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)向器在 o T n G 其中間位置 既有間隙 又無(wú)預(yù)緊力矩 和剛度 有轉(zhuǎn)角無(wú)轉(zhuǎn)矩 見(jiàn)表 1 o T n G s T 因而響應(yīng)性低下 國(guó)外轉(zhuǎn)向器的中間位置 既無(wú)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 5 的剛性 特別是微小轉(zhuǎn)角的剛度 切不可 n G 圖 5 預(yù)緊力特性 5 忽視 3 5 無(wú)調(diào)整性 壽命低無(wú)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(zhǎng) 磨損較快 而兩側(cè) 位置工作時(shí)間較短 幾乎無(wú)磨損 當(dāng)中間位 置磨損后 理應(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(shuō) 即便在使用過(guò)程中其中間位置磨損了 間隙再大也不能調(diào)整了 即無(wú)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(pán)間隙 大于時(shí) 就應(yīng)調(diào)整到設(shè)定值 共進(jìn)行兩次 7 5 見(jiàn)圖 7 實(shí)際上在使用過(guò)程中 一旦發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn) 向盤(pán)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(guó)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向器多數(shù) 無(wú)調(diào)整性 其使用壽命必然大打折扣 另外 轉(zhuǎn)向器機(jī)械性能中 還有傳動(dòng)比 因在 0 區(qū)間內(nèi) 僅有輸入無(wú)輸i 出 故無(wú)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(shuō)完全在于中間位置存 在傳動(dòng)間隙 即因 0 所致 德國(guó) 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(méi)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(lái)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(guó)別 游隙效率剛性可調(diào)性 外國(guó) 0 n G 圖 6 剛度特性 圖 7 預(yù)緊力矩與間隙的變化 6 中國(guó) 大部 0 0 0 n G 該書(shū)把轉(zhuǎn)向器中間位置無(wú)游隙放在首位 可見(jiàn)其重要性不一般 恰恰就是在這一點(diǎn)上 大多數(shù)國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)向器與先進(jìn)國(guó)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(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)向器中間位置無(wú)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 4 實(shí)現(xiàn)可變傳動(dòng)間隙的技術(shù)措施實(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(guò)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 即中間螺距小 兩側(cè)逐漸變 為標(biāo)準(zhǔn)值 3 鋼球與螺桿和螺母滾道全行程 過(guò)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(zhǎng) 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(wú)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(wú)齒隙嚙合的調(diào)整問(wèn)題 為了獲得更加著實(shí)和可靠的無(wú)齒隙嚙合 必須對(duì)齒條 齒扇副施加一定的預(yù)緊力矩 見(jiàn) 圖 5 總之 通過(guò)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?較高的剛度和較強(qiáng)的路感 等 真乃一舉數(shù)得 何樂(lè)而不為呢 但是 如前文所述 實(shí)現(xiàn)中間位置無(wú)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(wú)齒隙嚙合又能確保其它位置有齒隙傳動(dòng) 無(wú) 干涉 也就是說(shuō)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齒條修正法與齒扇偏心法 在我國(guó)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(lái)自前蘇聯(lián) 實(shí)際上是德?tīng)?福 20 世紀(jì) 50 年代的技術(shù) 由于齒條修正法 比較簡(jiǎn)單 所以在我國(guó)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(jiǎn)單地說(shuō) 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 因此 即便齒條中間齒 槽與齒扇中間輪齒無(wú)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(wú)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 數(shù)學(xué)模型見(jiàn)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 7 確的 中間位置 來(lái)看 若無(wú)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(jiàn) 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(wú)間隙嚙合區(qū)幾乎不變 而齒 扇偏心法的無(wú)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(wú)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(wú)齒隙區(qū)域相差不大 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(wú)齒隙嚙合區(qū)約在 齒扇轉(zhuǎn)角7 左右 圖 8 如果將其折算成轉(zhuǎn) 向盤(pán)轉(zhuǎn)角 取平均傳動(dòng)比 20 則轉(zhuǎn)向盤(pán)的無(wú) 齒隙區(qū)或預(yù)緊區(qū)為140 左右 即轉(zhuǎn)向盤(pán)約 在 280 的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)均為無(wú)齒隙區(qū)或預(yù)緊區(qū) 如此一來(lái) 轉(zhuǎn)向盤(pán)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(lái)的便是中間 位置也難以實(shí)現(xiàn)無(wú)齒隙嚙合了 因此 無(wú)法 滿足現(xiàn)代高性能汽車的使用要求 這就是目前我國(guó)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 齒扇修正法齒扇修正法 連續(xù)變位齒形修正法 簡(jiǎn)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(guò)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(jiàn)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 是刀具 切制齒扇中間輪齒標(biāo)準(zhǔn)齒形 的位置 虛線 是刀具切削中間輪齒連續(xù)變位齒形 的位 置 所謂連續(xù)變位齒形修正 是指當(dāng)?shù)毒咴?切削中間位置輪齒 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 X m 之后在切削其它位置 如齒頂 c 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 S 圖 n 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 4 2 3 齒形修正法的計(jì)算齒形修正法的計(jì)算 圖 9 齒扇中間輪齒齒形的連續(xù)修正 圖 8 齒條修正與齒扇偏心理論特性比較 s 或 e 1 0 20 2 e 1 00 3 e 0 50 齒扇轉(zhuǎn)角 8 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 sin n B S X m 式中 刀具在固定弦端點(diǎn) B 處的變位 B X 系數(shù) m 模數(shù) 壓力角 法向 n S 增量 取 0 20 0 25mm n S 刀具在切削中間輪齒任意位置的變位系 數(shù) 即 2 1 sin ni i m S X m 式中 刀具切削輪齒任意位置的變位系 i X 數(shù) 齒形修正的最大轉(zhuǎn)角 見(jiàn)圖 10 可 m 取 4 左右 齒形修正的任意轉(zhuǎn)角 m i 0 i m 由式 2 可知 當(dāng)齒扇轉(zhuǎn)角 時(shí) 則 i m 0 刀具回至標(biāo)準(zhǔn)切削位置 其后 切制 i X 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 f 與固定弦端點(diǎn) B 的夾角之差 即兩點(diǎn) f B 之間的相對(duì)夾角 見(jiàn)圖 10 方 ifB 能按式 2 求出點(diǎn) f 的變位系數(shù) X 即 f 3 1 sin fB n f m S X m 其中 4 90 f z Z 齒扇整圓齒數(shù) 由圖 10 可知 5 1 tan B dB dPr 而 1 2 cdBS 2 1 cos 4 m 在 PdB 中 1 tan 2 cdPS 2 1 tan 4 mcoa 1 2 rzm 式中 固定弦齒厚 r 分度圓半徑 cS 將 和代入式 5 求出 dBdPr B 再將和代入式 3 就可求出 f B f X C 齒形修正后的檢測(cè) 為確認(rèn)中間輪齒經(jīng)過(guò)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(zhǎng)度 W 來(lái)判定 S s h 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?lái) 講 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 圖 10 齒形修正法的計(jì)算 9 固定弦齒厚 根據(jù)機(jī)械原理 6 變位齒輪固定弦齒厚 可由下式求出 c S 6 2 cos c SS 7 1 2tan 2 f Smm Xx 式中 大端變位齒輪分度圓齒厚 SX 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 c S 固定弦齒高 8 sin2 4 ca S hh 而 9 aaf hm hxx 式中 大端齒頂高 齒頂高系數(shù) a h a h 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(jiàn) c h 圖 11 所示 大端公法線的計(jì)算 公法線長(zhǎng)度可由下式求出 w cos0 5 2tan f wmnZinv m Xx 跨齒數(shù) 0 5 x nZ 1 cos cos 2 x f Z ZXx 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 若卡尺不需要卡在中間輪齒w 上 如圖 12 實(shí)線所示 則式 10 中的 0 f x 5 5 可變間隙特性的比較可變間隙特性的比較 以上簡(jiǎn)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(wú)施加預(yù)緊力 2 現(xiàn)以下列三個(gè)條件或原 則來(lái)評(píng)價(jià)無(wú)齒隙嚙合特性 1 可變間隙特性曲線的無(wú)齒隙嚙合區(qū)越 小越好 當(dāng)