循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器間隙問題

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 前言 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 包括微動轉(zhuǎn)向 的傳動間隙問題 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 另一種則 認(rèn)為受加工誤差的限制 若中間位置無傳動 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 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 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間隙對轉(zhuǎn) 向器性能的影響 轉(zhuǎn)向器性能對整車操縱性 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 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 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 然 而過大的 不靈敏區(qū) 將會影響快速響應(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 但仍然不影響對其機(jī)械性能 的研究價(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 傳動比 i 傳動間隙 或 轉(zhuǎn)動力矩 傳動效率和傳動剛度等 5 個(gè)參數(shù) 0 T n G 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間 隙或游隙 圖 2 是國產(chǎn)某轉(zhuǎn)向器傳動間隙特 性的實(shí)測曲線 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)向器中間位置存在傳動間隙時(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 i d d 曲線 0 T 0 T 曲線 r s Td Td 圖 2 轉(zhuǎn)向器傳動間隙特性 3 n G Ts 表中 d和 輸入軸的轉(zhuǎn)角 微量轉(zhuǎn)角和傳動間隙 d 和 輸出軸 的微量轉(zhuǎn)角和傳動間隙 空載轉(zhuǎn)動力矩 o T 也稱無載力矩或預(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?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)向盤轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速作為控制信號 如果轉(zhuǎn)向 器或者轉(zhuǎn)向盤無準(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 無 路感路感 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 間隙即 0 則反饋回來的信息就不會被 吃掉 那怕是微弱的信息也不會被流失 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)幾乎無阻尼的振動空間 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 隨之抖動或振顫 車輪的擺振和轉(zhuǎn)向盤的抖動 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 為了抑制或消除車輪的擺振和轉(zhuǎn)向盤的 抖動 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 o T 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 當(dāng)然 預(yù)緊力過大也會出現(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 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) 都會使汽車自動轉(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 國產(chǎn)轉(zhuǎn)向器在 o T n G 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 o T n G s T 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 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 無調(diào)整性 壽命低無調(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 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 5 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 另外 轉(zhuǎn)向器機(jī)械性能中 還有傳動比 因在 0 區(qū)間內(nèi) 僅有輸入無輸i 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 n G 圖 6 剛度特性 圖 7 預(yù)緊力矩與間隙的變化 6 中國 大部 0 0 0 n G 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 僅就傳動間隙而言 因 此實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)轉(zhuǎn)向器中間位置無傳動間隙的技 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)可變傳動間隙的技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)可變傳動間隙的技術(shù)措施 4 1 傳動間隙的構(gòu)成及其調(diào)整性傳動間隙的構(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 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或偏心軸承座的轉(zhuǎn) 動 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?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 無 干涉 也就是說該傳動必須滿足和實(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 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)入傳動時(shí) 也不 會產(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 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 其無齒隙嚙合區(qū)約在 齒扇轉(zhuǎn)角7 左右 圖 8 如果將其折算成轉(zhuǎn) 向盤轉(zhuǎn)角 取平均傳動比 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 齒扇修正法齒扇修正法 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 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 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 之間的相對夾角 見圖 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 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 可以采用檢測固定弦齒厚 和弦齒高 或者公法線長度 W 來判定 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 對于變厚齒扇的成品或?qū)嵨飦?講 受測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)測量 因此 需要把 標(biāo)準(zhǔn)截面上應(yīng)該檢測的項(xiàng)目 轉(zhuǎn)換成變厚齒 扇大端面上相應(yīng)的實(shí)際檢測內(nèi)容 為此 事 先必須對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量 見 c h 圖 11 所示 大端公法線的計(jì)算 公法線長度可由下式求出 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)際測量結(jié)果的比 較 無施加預(yù)緊力 2 現(xiàn)以下列三個(gè)條件或原 則來評價(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)