齿条变比式循环球动力转向器设计

虞忠潮，邹理炎，张新闻

（1.杭州世宝汽车方向机有限公司，浙江 杭州 310018；2.浙江科技学院，浙江 杭州 310018）

载重汽车转向系统中通常装有循环球动力转向器或者其他类似的动力转向装置，在驾驶时提供转向助力。转向器的输出轴与齿条活塞通过齿轮齿条传动，输出轴又称摇臂轴，其齿数通常只有3个，该齿被称为摇臂轴扇齿。车辆在实际使用时，需要随着摇臂轴转角的增大，速比也逐渐增大的转向传动特性，可以使汽车在转向时有很好的操控性能，解决低速下大转向费力的问题[1-3]。目前循环球转向器普遍采用标准的齿轮齿条进行传动，其速比恒定，该设计虽然能传动扭矩和机械运动，但无法具有传动比随转向角可变的功能。而现有的变比技术，是通过变扇齿的方法获得变比齿形，其缺点是齿条强度较弱，存在行车安全隐患。

本文所述的活塞齿条变比技术和应用该技术的循环球动力转向器，具有传动速比可变，输出力矩随摇臂轴摆角增加而增大的特点，可以在不改变现有产品结构特点的情况下，具有可变的传动比，且保证产品的功能安全性。

1 齿条变比循环球动力转向器的结构

齿条变比式循环球动力转向器的结构如图1所示，转向螺杆安装在上盖内，其齿条活塞与转向螺杆形成螺旋运动副，同时齿条活塞又与摇臂轴齿扇总成形成一对齿轮齿条啮合运动副。当转向螺杆作旋转运动时，带动齿条活塞在壳体上腔内作轴向运动，进一步带动摇臂轴随轴线摆动。当外界作用力在循环球动力转向器输入轴上时，带动转向螺杆按顺时针或逆时针转动，从而分配液压油的流向，转向器开始工作。通过活塞齿条变比技术应用，实现转向器的可变转向传动比功能。

图1 齿条变比式循环球动力转向器结构

2 设计方法

根据转向器的结构可知，循环球动力转向器有二级传动装置。第一级是转向螺杆和齿条活塞的滚珠丝杠副运动，这级要求螺距相等，才能保证丝杆副正常传动，否则无法实现转向器的变传动比运动。而第二级传动是齿轮齿条啮合运动，根据齿轮齿条正常传动的条件得知，相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即齿轮基圆齿距pb1=πm1cosα1和齿条基圆齿距pb2=πm2cosα2必须相等[4-5]。

现采用齿条变比式循环球动力转向器，故可用具有标准模数m1和标准压力角α1的齿轮与一个具有变模数m2和变压力角α2的齿条相啮合，只要保持m1cosα1=m2cosα2时，齿轮齿条就可以正常传动。

针对商用车转向系统要求传动比随着输出摆角的增大而增大的特性，为了实现大角度转向的轻便性和小角度转向的灵敏性，同时防止传动比变化时，驾驶员出现操作感不适的现象。因此本研究的转向器传动比曲线采用如图2的余弦曲线，曲线连续可导[2]，具有速比过渡自然、转向平稳的特点。

图2 转向器传动比曲线

由转向器角传动比的定义得知：

因为

得

式中，i为转向器角传动比；θ为转向器输出摆角（°）；Φ为转向器输入轴转角（°）；p为转向器螺杆螺距（mm）；S为齿条活塞位移（mm）。

已知如图2所示曲线方程为：

代入公式（2）可得：

积分运算后可得：

利用方程（3）可以求出满足图2所示曲线的S和θ的关系，在齿条活塞齿形设计时，将如图3所示具有标准齿轮齿形的齿轮作为切齿工具，按方程（3）中转向器输出摆角θ和齿条活塞位移S的关系走刀，即可利用计算机程序范成得到具有如图4所示的变比式齿条活塞齿形。

图3 标准齿轮齿形

图4 变比式齿条活塞齿形

2.1 齿轮齿条啮合间隙渐变

为满足安装循环球液压助力转向器的商用车具有较好的直线行驶性能，即具有良好的中间感，需要使齿轮齿条啮合间隙随摆角的增大而增大。为此需对齿廓曲线做必要的修正，使齿轮与齿条啮合时，间隙随摇臂轴摆角的逐渐增加而增大。而齿廓曲线的修正需保证修正后的齿廓传动平滑，不发生卡滞，且随着转向器的使用，保证齿面磨损均匀，以免产生点蚀等损坏。

2.2 加工工艺

为满足最终产品符合设计要求，可以根据范成法得到的齿条齿廓来定制相应的铣齿刀和金钢滚轮，分别对齿条活塞进行铣齿和磨齿，并通过标注坐标点的方法，在理论齿条齿廓上标注出坐标值，通过自动比较理论坐标值与实际坐标值的差异来判定零件是否符合设计要求。

3 齿条变比式转向器设计验证

根据上述设计方法和加工工艺，制作了一种传动比为17～20的转向器，并使用如图5所示的转向器试验台架，对转向器传动比进行检测。

图5 转向器试验台架

如图5，将转向器固定在台架上，输入轴与输出轴上分别安装编码器，输入轴均速驱动，输出轴空载，自动检测转向器输入输出轴上的角传动比，当输出轴转到要求角度时停止，检测出该转向器的传动比曲线如图6所示，传动比变化范围约为17.3至20.2，传动比随转角增大而增大，且传动比相对转向角方向具有良好的对称性，满足了转向器的设计需求。

图6 传动比曲线

4 结语

随着汽车市场对转向系统的操控性和舒适性需求日渐增高，变速比转向器产品已经成了一种趋势[6]，本研究从齿条变比式循环球动力转向器的结构、设计原理、工艺难点、台架验证等方面进行分析和验证，得出变比式转向器对改善转向系统的效果显著，对于转向器市场的发展具有良好的推进作用。