CN115140154B - 一种转向中间轴及其力矩波动计算方法 - Google Patents

一种转向中间轴及其力矩波动计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于车辆转向系统控制技术领域，公开了一种转向中间轴及其力矩波动计算方法，转向中间轴包括顺次连接在转向柱和转向器之间的第一万向节、花键管、花键轴、第二万向节、刚性轴和第三万向节，第一万向节为转向力输入端，与转向柱的主轴末端花键连接；花键轴与花键管花键连接；第二万向节的两端分别连接花键轴和刚性轴，第三万向节为转向力输出端，与转向器的输入轴花键连接。本发明在花键轴的输出端通过第二万向节连接刚性轴，解决了转向中间轴受限于周边零件的布置情况，可同时满足间隙和力矩波动小于5％的双重需求。

Description

一种转向中间轴及其力矩波动计算方法
技术领域
本发明涉及车辆转向系统控制技术领域，尤其涉及一种转向中间轴及其力矩波动计算方法。
背景技术
车辆转向系统是控制车辆行驶方向的重要组成部分，转向中间轴作为连接转向操纵系统和转向器的重要部件。在设计过程中，既要保证传递的转向力的波动满足设计要求，又要保证中间轴自身与周边零部件的间隙要求。普通的中间轴难以兼顾布置最优、手感平顺的要求而牺牲了一定的力矩波动性能。
汽车上常使用转向中间轴连接转向操纵系统和转向器，如图1所示，通过第一万向节1、花键管2、花键轴3和第二万向节4将转向柱与转向器连接起来。常用的万向节是刚性万向节，可分为不等速万向节、准等速万向节以及等速万向节三种。顾名思义，将万向节两端连接的输入轴与输出轴的瞬时角速度相同的万向节称为等速万向节，在设计状态下输入轴与输出轴的瞬时角速度相同，其他状态下输入轴与输出轴的瞬时角速度不同的万向节称为准等速万向节，输入轴与输出轴的瞬时角速度都不同的称为不等速万向节。等速万向节需要的布置空间较大，转向中间轴无法使用。因此，第一万向节1和第二万向节4通常采用不等速万向节，在理想状态下若第一万向节1处输入轴与输出轴的夹角和第二万向节4处输入轴与输出轴的夹角相等，且第一万向节1的从动节叉与第二万向节4的主动节叉处于同一个平面内，即可达成不等速万向节的等速条件，此种状态下中间轴的力矩波动为0，驾驶员转动方向盘手感最平顺。但受限于中间轴周边零件的布置情况，无法实现中间轴力矩波动为0的条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转向中间轴及其力矩波动计算方法，以解决转向中间轴的布置空间和力矩波动之间的矛盾问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明首先提供一种转向中间轴，包括顺次连接在转向柱和转向器之间的第一万向节、花键管、花键轴和第二万向节，还包括：
刚性轴，所述刚性轴的一端连接所述第二万向节的输出端；
第三万向节，所述第三万向节为转向力输出端，所述第三万向节的输入端连接所述刚性轴的另一端，所述第三万向节的输出端与所述转向器的输入轴花键连接。
可选地，所述第一万向节、所述第二万向节和所述第三万向节均采用十字轴万向节。
可选地，所述花键轴与所述花键管的长度不小于250mm。
本发明还提供一种转向中间轴的力矩波动计算方法，包括如下步骤：
S1，根据本发明提供的所述转向中间轴搭建三段式中间轴的运动模型；
S2，模拟三段式中间轴的运动轨迹，得到角度值-位置曲线；
S3，计算相邻位置的角度变化值；
S4，计算所有角度变化值的平均值；
S5，计算力矩波动W：
W＝(角度变化值-平均值)/平均值×100％。
可选地，步骤S1中所述三段式中间轴的运动模型在CATIA软件中搭建。
可选地，步骤S1具体包括：
S11，确定硬点位置：所述硬点位置包括五个点，分别为：A点是转向柱与方向盘上端面的交点，B点是第一万向节的十字轴中心点，C点是第二万向节的十字轴中心点，D点是第三万向节的十字轴中心点，E点是转向器的压块与输入轴交点；
S12，将占位数据装配到所述硬点位置，使用占位数据校核三段式中间轴与周边零件间隙；
S13，在所述CATIA软件中的DMU模块建立所述三段式中间轴的运动模型。
可选地，运用所述DMU运动模块中的运动结合点命令，首先固定所述硬点位置，在所述硬点位置的两端添加旋转接合命令，直到所述三段式中间轴的自由度为三；在所述旋转接合命令中添加三个驱动，使得所述三段式中间轴的自由度为零，得到所述三段式中间轴的运动模型。
可选地，所述周边零件包括周边运动零件和周边固定零件，所述三段式中间轴与所述周边运动零件的间隙大于20mm，所述三段式中间轴与所述周边固定零件的间隙大于10mm。
可选地，所述周边运动零件包括发动机、发动机悬置、左前驱动轴、空调压缩机和空调管路。
可选地，所述周边固定零件包括车身左前纵梁和副车架。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种转向中间轴，通过在花键轴的输出端通过第二万向节连接刚性轴，解决了转向中间轴受限于周边零件的布置情况，可同时满足间隙和力矩波动小于5％的双重需求。
本发明提供的一种转向中间轴的力矩波动计算方法，将三段式中间轴两端的力矩关系转化为角度关系，模拟三段式中间轴在方向盘每个位置对应的转向器输入轴的角度变化，计算力矩波动，解决了力矩波动计算复杂和困难的问题，同时解决了转向中间轴间隙布置和力矩波动小于5％的双重需求。
附图说明
图1是现有技术中常用转向中间轴的结构示意图；
图2是本发明的一种转向中间轴的结构示意图；
图3是本发明的一种转向中间轴的三段式中间轴运动模型示意图；
图4是本发明的一种转向中间轴的力矩波动计算方法流程图。
图中：
1、第一万向节；2、花键管；3、花键轴；4、第二万向节；5、刚性轴；6、第三万向节。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
如图1所示的现有技术的转向中间轴，包括顺次连接在转向柱和转向器之间的第一万向节1、花键管2、花键轴3和第二万向节4，第一万向节1为转向输入端，与转向柱的主轴末端花键连接，花键轴3与花键管2之间花键连接，提供溃缩吸能作用，第二万向节4连接转向器，该种转向中间轴需要较大的布置空间，并受限于周边零件的布置情况，力矩波动很难满足要求。为了解决布置空间和力矩波动之间的矛盾，本发明在现有的转向中间轴的基础上，增加了刚性轴5和第三万向节6，如图2所示，刚性轴5的一端连接第二万向节4的输出端，另一端连接第三万向节6，第三万向节6为转向力输出端，第三万向节6的输出端与转向器的输入轴花键连接。
本发明提供的一种转向中间轴，通过在花键轴3的输出端通过第二万向节4连接刚性轴5，通过刚性轴5末端的第三万向节6连接转向器的输入轴，解决了转向中间轴受限于周边零件的布置情况的问题，可同时满足布置间隙和力矩波动小于5％的双重需求。
与现有的转向中间轴相比，本发明的转向中间轴增加了一段刚性轴5，硬点布置范围更大，但力矩波动计算更加困难，不能采用现有的力矩波动计算方法。因此，本发明还提供一种转向中间轴的力矩波动计算方法，如图3和图4所示，本发明提供的转向中间轴的力矩波动计算方法，包括如下步骤：
S1，根据本发明提供的转向中间轴搭建三段式中间轴的运动模型；
具体地，包括如下子步骤：
S11，在CATIA软件中确定硬点位置。
作为前提条件，本实施例中，第一万向节1、第二万向节4和第三万向节6均采用十字轴万向节，并将转向中间轴抽象为三段式中间轴，包括五个节点A、B、C、D、E。如图3所示，五个节点即硬点分别为：A点是转向柱与方向盘上端面的交点，B点是第一万向节1的十字轴中心点，C点是第二万向节4的十字轴中心点，D点是第三万向节6的十字轴中心点，E点是转向器的压块与输入轴交点；其中，AB长度根据所选转向柱长度确定，BC长度是三段式中间轴滑动部件(花键管2和花键轴3)的长度，为满足整车碰撞要求，BC长度不得小于250mm，CD长度是三段式中间轴中刚性轴5的长度，在满足力矩波动的前提下，长度没有具体要求，DE长度是转向器输入轴长度，需满足输入轴模态要求。
S12，将占位数据装配到硬点位置，使用占位数据校核三段式中间轴与周边零件间隙；
其中，周边零件包括周边运动零件和周边固定零件，三段式中间轴的运动包络与周边运动零件的间隙大于20mm，三段式中间轴的运动包络与周边固定零件的间隙大于10mm。
可选地，周边运动零件包括发动机、发动机悬置、左前驱动轴、空调压缩机和空调管路等。周边固定零件包括车身左前纵梁和副车架等。
S13，在DMU模块建立三段式中间轴的运动模型。
可选地，运用CATIA软件中的DMU运动模块中的运动结合点命令，首先固定硬点位置，在各零件之间的即硬点位置的两端添加旋转接合命令，直到三段式中间轴的自由度为三；在旋转接合命令中添加三个驱动，添加三个驱动后，使得三段式中间轴的自由度为零，显示可以模拟机械装置，得到三段式中间轴的运动模型。
S2，模拟三段式中间轴的运动轨迹，得到角度值-位置曲线；曲线越趋近直线，力矩波动越小，驾驶员转向时手感越平稳。
S3，计算相邻位置的角度变化值；
具体地，如将第二位置的角度值减去第一位置的角度得到两个相邻位置的角度变化值，也成差值，如此得到任意相邻两个位置的角度变化值。
S4，计算所有角度变化值的平均值；
根据角度值-位置曲线，对所有相邻位置的角度变化值计算平均值。
S5，计算力矩波动W：
W＝(角度变化值-平均值)/平均值×100％。
需要解释说明的是，根据功能关系，W＝Tθ，在车辆转弯时，转向中间轴两端的功相等，即W1＝W2,也就是T1θ1＝T2θ2，其中T1是转向器输入轴处的扭矩，T2是方向盘处的扭矩，θ1是转向器的输入轴的角度值，θ2是方向盘的输出角度值。通过此公式可以看出，转向中间轴两端力矩的关系可以转化为角度的关系，即T1/T2＝θ2/θ1。本发明通过模拟转向中间轴旋转过程每个位置方向盘处与转向器输入轴处的角度值变化，计算力矩波动的数值。
可以理解,本发明提供的一种转向中间轴的力矩波动计算方法，将三段式中间轴两端的力矩关系转化为角度关系，模拟三段式中间轴在方向盘每个位置对应的转向器输入轴的角度变化，计算力矩波动，解决了力矩波动计算复杂和困难的问题，同时解决了转向中间轴间隙布置和力矩波动小于5％的双重需求。应用本发明提供的转向中间轴的力矩波动的计算方法，具有刚性轴5的转向中间轴的力矩波动可以控制在5％以内。因此很好的解决了转向中间轴的布置空间与力矩波动之间的矛盾问题。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种转向中间轴的力矩波动计算方法，其特征在于，所述转向中间轴包括顺次连接在转向柱和转向器之间的第一万向节(1)、花键管(2)、花键轴(3)和第二万向节(4)，还包括：
刚性轴(5)，所述刚性轴(5)的一端连接所述第二万向节(4)的输出端；
第三万向节(6)，所述第三万向节(6)为转向力输出端，所述第三万向节(6)的输入端连接所述刚性轴(5)的另一端，所述第三万向节(6)的输出端与所述转向器的输入轴花键连接；
所述转向中间轴的力矩波动计算方法包括如下步骤：
S1，根据所述转向中间轴搭建三段式中间轴的运动模型；
S2，模拟三段式中间轴的运动轨迹，得到角度值-位置曲线；
S3，计算相邻位置的角度变化值；
S4，计算所有角度变化值的平均值；
S5，计算力矩波动W：
W＝(角度变化值-平均值)/平均值×100％；
步骤S1中所述三段式中间轴的运动模型在CATIA软件中搭建；
步骤S1具体包括：
S11，确定硬点位置：所述硬点位置包括五个点，分别为：A点是转向柱与方向盘上端面的交点，B点是第一万向节(1)的十字轴中心点，C点是第二万向节(4)的十字轴中心点，D点是第三万向节(6)的十字轴中心点，E点是转向器的压块与输入轴交点；
S12，将占位数据装配到所述硬点位置，使用占位数据校核三段式中间轴与周边零件间隙；
S13，在所述CATIA软件中的DMU模块建立所述三段式中间轴运动模型。
2.根据权利要求1所述的转向中间轴的力矩波动计算方法，其特征在于，运用所述DMU运动模块中的运动结合点命令，首先固定所述硬点位置，在所述硬点位置的两端添加旋转接合命令，直到所述三段式中间轴的自由度为三；在所述旋转接合命令中添加三个驱动，使得所述三段式中间轴的自由度为零，得到所述三段式中间轴运动模型。
3.根据权利要求1所述的转向中间轴的力矩波动计算方法，其特征在于，所述周边零件包括周边运动零件和周边固定零件，所述三段式中间轴与所述周边运动零件的间隙大于20mm，所述三段式中间轴与所述周边固定零件的间隙大于10mm。
4.根据权利要求3所述的转向中间轴的力矩波动计算方法，其特征在于，所述周边运动零件包括发动机、发动机悬置、左前驱动轴、空调压缩机和空调管路。
5.根据权利要求3所述的转向中间轴的力矩波动计算方法，其特征在于，所述周边固定零件包括车身左前纵梁和副车架。
6.根据权利要求1所述的转向中间轴的力矩波动计算方法，其特征在于，所述第一万向节(1)、所述第二万向节(4)和所述第三万向节(6)均采用十字轴万向节。
7.根据权利要求1所述的转向中间轴的力矩波动计算方法，其特征在于，所述花键轴(3)与所述花键管(2)的长度不小于250mm。
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