可調(diào)式液力吸能轉向柱設計.docx

可調(diào)式液力吸能轉向柱設計摘要：為了滿足汽車行業(yè)防止汽車轉向機構對駕駛員傷害標準法規(guī)的要求，這里在原有吸能式轉向柱結構基礎上進行綜合，提出了一種改進方案。此種改進后的轉向柱具有防震吸能的特性，極大地降低了轉向機構對駕駛員的傷害。此外，該轉向機構還可以調(diào)整方向盤的位置（通過對轉向柱的長度和角度調(diào)節(jié)來實現(xiàn)）。文章將主要從液力吸能原理及結構兩方面來對該轉向柱總成進行介紹。關鍵詞：可調(diào)式、液力、吸能、轉向柱隨著汽車市場的發(fā)展，汽車的駕駛舒適性和安全性要求日益提高。在車輛碰撞事故中，最多的碰撞形式是正面碰撞。在乘員沒有系安全帶或使用安全氣囊的情況下，汽車轉向盤可能會對乘員造成頭部、頸部、肺部等傷害。為了減輕這些傷害，在設計轉向機構時必須考慮應用吸能式轉向柱，在乘員撞向轉向盤時，轉向盤沿車體縱向阻尼方向收縮，吸收部分撞擊能量，縮短汽車正面碰撞時轉向盤后移尺寸，以減少對乘員的傷害。同時，若轉向管柱可使轉向盤的位置在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)以適應駕駛員的操作習慣，則可提高駕駛舒適性。為此，在原有汽車轉向管柱及其機構的基礎上，開發(fā)設計出可調(diào)節(jié)轉向盤位置并具有防碰撞、吸能性能的轉向管柱，對提高汽車駕駛舒適性和被動安全性。具有非常重要的意義。1. 現(xiàn)有轉向柱的主要方案轉向軸是連接轉向盤和轉向器的傳動件，并傳遞他們之間的轉矩。轉向柱管安裝在車身上，支承著轉向盤。轉向軸從轉向柱管中穿過，支承在柱管內(nèi)的軸承和襯套上。轉向機構的吸能裝置主要靠轉向軸和轉向柱管來實現(xiàn)。吸能裝置的基本原理是，當受到巨大沖擊時，轉向軸產(chǎn)生軸向位移，使支架或某些支承件產(chǎn)生塑性變形，從而吸收沖擊能量。根據(jù)原理不同，轉向柱及柱管的吸能裝置主要有：1. 變形架或變形支架式其均是利用金屬的變形來吸收能量。當變形架或變形支架受到一定大小的沖擊載荷時，變形架或變形支架發(fā)生變形，從而吸收大量能量以及可使方向盤向后移動。2. 球和內(nèi)套套筒式轉向管柱分為上下兩段，下轉向管柱（?。┛仗自谏限D向管柱（大）內(nèi)，其間間隙塞滿鋼球，靠鋼球傳遞轉矩。當受到的軸向沖擊過大時，鋼球相互擠壓變形并與內(nèi)外柱壁摩擦，從而吸收大量能量以及可使方向盤向后移動。3. 拉脫安全鎖式拉脫安全鎖是第二級吸能裝置，主要為一個剪切裝置。該剪切裝置允許當收到的沖擊載荷達到一定值時，拉脫安全鎖脫落或支架上的銷釘斷裂，從而吸收能量并允許方向盤能做較大的軸向移動。4. 網(wǎng)格套筒式該轉向柱柱管（套筒）做成網(wǎng)格狀，當人體撞到轉向盤上的力超過允許值時，網(wǎng)格部分將被壓縮而產(chǎn)生塑性變形，吸收沖擊能量。2. 轉向柱設計方案2.1 設計要求轉向管柱在汽車中主要起支撐、固定轉向盤，傳遞駕駛人員通過轉向盤施加的扭矩，驅動方向機工作，以起到控制汽車行駛方向的作用。結構簡圖見圖1 。可調(diào)節(jié)、吸能式轉向管柱除具備上述基本功能外，還應具有可調(diào)節(jié)轉向盤的位置和防撞擊并吸收部分有害撞擊能量的功能，以起到適應駕駛員的操作習慣，并在微型汽車發(fā)生正面碰撞時，能隨汽車變形區(qū)域沿車體縱向同步阻尼收縮，使轉向盤不向汽車乘員空間發(fā)生位移，避免侵入乘員空間，吸收部分撞擊能量，降低駕乘人員受傷害的程度，使安全氣囊有打開空間的作用。整個總成還應具有一定的剛度，以保證車輛在正常行駛時駕駛人員有和使用原型轉向管柱相同的“路感”。要達到上述要求，可調(diào)節(jié)、吸能式轉向管柱（以下簡稱管柱）設計方案應達到下述性能：l 管柱應能可靠地支撐、固定轉向盤，有效傳遞駕駛人員通過轉向盤施加的扭矩驅動方向機工作，以起到控制微型汽車行駛方向的作用。管柱自身摩擦扭矩值應在汽車行業(yè)規(guī)定的范圍內(nèi)。l 管柱轉向盤端的位置，沿車體縱向應能輕松地在一定范圍內(nèi)上下調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)結束后，應能方便、快速、有效地鎖定管柱，使其不得有絲毫松動。l 車體發(fā)生正面碰撞時，管柱前部和轉向軸前部處于微型汽車變形區(qū)，要隨變形收縮的車體同步變形收縮，因此要適度降低管柱剛度，以增加變形收縮量來適應微型汽車前部的變形。l 管柱后部和轉向軸后部轉向盤處位于車體非變形區(qū)，為保證駕乘人員的安全，不能隨變形的車體向后位移。為使管柱和轉向軸滿足前部可變形收縮，后部不可變形收縮的性能要求，管柱前部和后部、轉向軸前部和后部應為分體式。在車體非碰撞情況下，前、后部可靠連接，連接剛度應適度，以保證微型汽車在正常行駛的情況下，駕駛人員的“路感”和使用整體式管柱一致。l 管柱后部安裝位置處于車體變形區(qū)，當車體變形，安裝位置產(chǎn)生位移時，為使管柱后部不隨變形車體發(fā)生位移，應有脫開裝置使管柱和車體分離。l 在管柱和轉向軸變形收縮過程中，增大其變形阻力，以消耗有害的撞擊能量，達到吸能的目的。2.2 方案原型l 現(xiàn)有汽車可調(diào)式管柱總成設計及其工作原理其基本結構如圖2所示：現(xiàn)有的可調(diào)節(jié)、吸能式轉向管柱總成設計方案主要由轉向軸、管柱、中支架、下支架、調(diào)節(jié)鎖定機構、解脫裝置、手柄等組成。其調(diào)節(jié)原理如下：當轉向盤的位置需要調(diào)整時，逆時針旋轉手柄9 0 ，松開鎖定裝置，再用手沿車體縱向L 區(qū)域內(nèi)上下推拉轉向盤至合適位置，反向旋轉手柄9 0 ，鎖緊鎖定裝置，完成方向盤位置的調(diào)整。由于手柄位于中支架處，駕駛人員在正常駕駛汽車時，手、腳和身體其他部位不會接觸到手柄，因此在汽車行駛過程中，駕駛人員不會發(fā)生誤操作松開鎖定機構。調(diào)節(jié)鎖定機構（局部圖見圖3）通過螺紋的自鎖性能實現(xiàn)自鎖，以螺紋預緊方式進行螺紋防松，鎖定可靠，解鎖方便。大部分零件結構簡單，精度要求低，采用沖壓和焊接方式生產(chǎn)，制作方便，成本低廉，適于大批量生產(chǎn)。l 新型吸能轉向柱結構液壓吸能轉向柱這是一種新型的吸能轉向柱結構形式，目前尚處于理論及研發(fā)階段，市場還不成熟。其吸能原理來源于廣泛應用于汽車上的液力轉向減震器。液壓吸能轉向柱的結構簡圖如圖4所示。液力轉向柱采用了液力減振器, 可以分為上下兩部分:上端轉向軸為可移動的長六角花鍵, 可以沿轉向柱軸線方向上下移動, 上端轉向柱相當于液力減振器的活塞推桿, 活塞推桿的橫截面為六角花鍵, 以保證可以正常轉向, 并使上端轉向柱只能軸向位移, 防止其他方向的移動。因此, 儲油鋼筒和工作鋼筒要與活塞推桿相互配合。該液力減振器有 2 個鋼筒套在一起, 在內(nèi)工作鋼筒與活塞之 間有壓縮彈簧(彈性較小),以保證活塞處在工作鋼筒的最上端, 同時有利于活塞能夠自動回位。下端轉向柱的上端直接與儲油筒固定連接在一起, 使其可以隨鋼筒和上端轉向柱一同旋轉。為了滿足能應用在轉向柱上, 同時達到使用的效果, 保證正常轉向，應對其原型減震器的一些參數(shù)進行改進：( 1) 壓縮行程, 一般壓縮行程應在 150 mm 以上, 可以根據(jù)不同類型的車而定。( 2) 最小臨界壓縮力, 一般臨界壓縮力在 1.1 kN 2.5 kN。F=F1+F2式中: F: 臨界壓縮力; F1: 彈簧彈力; F2: 壓縮液力阻尼力。F1=KL式中: K: 彈性系數(shù); L: 壓縮行程。( 3) 伸張行程與壓縮行程關系。在該減振器中, 壓縮行程起主要作用, 用來直接吸收沖擊的能量。伸張行程主要由彈簧使其回復到原位, 即伸張行程阻尼力略小于彈簧的彈力, 從而保證能夠 緩 慢 回 復到原位,因,彈簧的彈力較小,但是必須能夠克服伸張行程的阻尼力。2.3設計方案根據(jù)上述原型學習及性能要求分析，可調(diào)節(jié)、液力吸能轉向管柱設計方案如圖5 所示，主要由液壓工作缸、彈簧、活塞、軸承等組成。結構簡介：活塞推桿直接連接方向盤；儲油鋼筒外壁由軸承固定，軸承座即支架可相對車體轉動，由扳手擰緊或松開固定螺母；儲油鋼筒末端焊接內(nèi)管柱（上有螺釘槽），內(nèi)管柱通過適度的過盈連接外管柱，并用緊定螺釘固定，共同傳遞轉矩，同時也能承受一定的軸向力；外管柱末端與一般轉向機構一樣通過萬向節(jié)連于位于車身內(nèi)部的轉向器。工作原理：當汽車發(fā)生碰撞時，若乘員以一定速度撞向方向盤，則同前面介紹的液壓減震器原理，由彈簧彈力和液壓力共同吸收能量，從而在一定程度上保證成員的生命安全。通過圖中I部分結構可知，液壓缸支架可相對于固定車體在一定范圍內(nèi)旋轉。同圖3所示調(diào)節(jié)鎖定機構的扳手結構一樣，扳手同樣位于方向盤下方，可以外置于駕駛室內(nèi)（通常人手不會碰到的地方），只要逆時針旋轉9 0 松開螺母后可調(diào)節(jié)方向盤繞萬向節(jié)節(jié)點旋轉適當角度，以適應個人的駕駛習慣，提高駕駛舒適性。當通過調(diào)整方向盤角度不能達到個人合適的方向盤高度時，可以通過圖中II部分結構調(diào)節(jié)方向盤高度。只要用扳手擰開緊定螺釘，加上內(nèi)外管柱配合過盈量不大，駕駛員并能在人力范圍內(nèi)調(diào)節(jié)內(nèi)管柱插入外管柱部分的長度，從而起到調(diào)節(jié)方向盤高度的作用。此種情況較少發(fā)生，考慮到轉向柱結構，該調(diào)節(jié)部位位于機構下端，在實車中可位于車身底部，同時此種情況也較少發(fā)生，必要時可由駕駛員或維修人員臥于車底擰開螺釘，因此該調(diào)節(jié)部位的位置也合理。2.4 機構特點(1) 總體結構簡單，該轉向柱采用整體式結構，即可以專門做成一個整體，整體上比較簡單，同時方便布置其他附件。(2) 滿足轉向要求，液力式轉向柱具備了足夠張度和剛度，保證了正常轉向力的傳遞。(3) 具備了緩沖吸能的要求。由于轉向柱可以被壓縮, 液體的阻尼力具 備緩沖、吸能的效果, 可以結合安全氣囊同時使用, 在沒有發(fā)生碰撞的條件下, 可以緩和不平路面的沖擊, 防止了轉向盤“打手”的現(xiàn)象。(4) 優(yōu)點： 它和傳統(tǒng)吸能裝置有很大差異，即采用了液壓，同時具有碰撞后可以重復使用，不像傳統(tǒng)機械結構在碰撞后，銷釘被切斷，整個轉向柱被損壞；同時可以量化生產(chǎn)，且維修方便，使用壽命大幅度提高。(5) 缺點：液力吸能裝置的引入時必提高轉向機構的成本，同時液力吸能裝置尚未在轉向吸能應用中推廣（技術已成熟）。(5) 創(chuàng)新點：在原有可調(diào)式（調(diào)節(jié)方向盤角度）轉向柱基礎上，綜合應用了新型液力吸能裝置；同時設計了方向盤高度調(diào)節(jié)裝置，可輔助方向盤角度調(diào)節(jié)，進一步提高了駕駛舒適性。3. 結語可調(diào)節(jié)、液力吸能式轉向管柱集可調(diào)節(jié)轉向盤的位置和防震吸能兩大功能于一體，順應了微型汽車市場的駕駛舒適性和安全性要求。它既可使駕駛人員處于更合理的操作位置，提高駕駛舒適性，又能在微型汽車發(fā)生正面碰撞時及時收縮，并能吸收部分有害撞擊能量，降低了駕乘人員受傷害的程度，提高了微型汽車被動安全性能?？烧{(diào)節(jié)、液力吸能式轉向管柱采用較多的成熟技術，性能可靠，功能齊備，結構簡單，有較好的市場前景，滿足未來微型汽車越來越嚴格的要求。參考文獻1 劉長軍. 可調(diào)節(jié)、吸能式轉向管柱設計. MC研發(fā)_現(xiàn)代零部件，2006年第10期：7273.2 李巖和. 淺談汽車吸能轉向管柱形式. 現(xiàn)代汽車_設計與試驗研究，1997年第11期：1214.3 劉長軍，蔣化垠. 微型客車新型吸能轉向管柱總成設計. 設計計算研究，2004年第