可调式液力吸能转向柱设计.docx

可调式液力吸能转向柱设计摘要：为了满足汽车行业防止汽车转向机构对驾驶员伤害标准法规的要求，这里在原有吸能式转向柱结构基础上进行综合，提出了一种改进方案。此种改进后的转向柱具有防震吸能的特性，极大地降低了转向机构对驾驶员的伤害。此外，该转向机构还可以调整方向盘的位置（通过对转向柱的长度和角度调节来实现）。文章将主要从液力吸能原理及结构两方面来对该转向柱总成进行介绍。关键词：可调式、液力、吸能、转向柱随着汽车市场的发展，汽车的驾驶舒适性和安全性要求日益提高。在车辆碰撞事故中，最多的碰撞形式是正面碰撞。在乘员没有系安全带或使用安全气囊的情况下，汽车转向盘可能会对乘员造成头部、颈部、肺部等伤害。为了减轻这些伤害，在设计转向机构时必须考虑应用吸能式转向柱，在乘员撞向转向盘时，转向盘沿车体纵向阻尼方向收缩，吸收部分撞击能量，缩短汽车正面碰撞时转向盘后移尺寸，以减少对乘员的伤害。同时，若转向管柱可使转向盘的位置在一定范围内调节以适应驾驶员的操作习惯，则可提高驾驶舒适性。为此，在原有汽车转向管柱及其机构的基础上，开发设计出可调节转向盘位置并具有防碰撞、吸能性能的转向管柱，对提高汽车驾驶舒适性和被动安全性。具有非常重要的意义。1. 现有转向柱的主要方案转向轴是连接转向盘和转向器的传动件，并传递他们之间的转矩。转向柱管安装在车身上，支承着转向盘。转向轴从转向柱管中穿过，支承在柱管内的轴承和衬套上。转向机构的吸能装置主要靠转向轴和转向柱管来实现。吸能装置的基本原理是，当受到巨大冲击时，转向轴产生轴向位移，使支架或某些支承件产生塑性变形，从而吸收冲击能量。根据原理不同，转向柱及柱管的吸能装置主要有：1. 变形架或变形支架式其均是利用金属的变形来吸收能量。当变形架或变形支架受到一定大小的冲击载荷时，变形架或变形支架发生变形，从而吸收大量能量以及可使方向盘向后移动。2. 球和内套套筒式转向管柱分为上下两段，下转向管柱（小）空套在上转向管柱（大）内，其间间隙塞满钢球，靠钢球传递转矩。当受到的轴向冲击过大时，钢球相互挤压变形并与内外柱壁摩擦，从而吸收大量能量以及可使方向盘向后移动。3. 拉脱安全锁式拉脱安全锁是第二级吸能装置，主要为一个剪切装置。该剪切装置允许当收到的冲击载荷达到一定值时，拉脱安全锁脱落或支架上的销钉断裂，从而吸收能量并允许方向盘能做较大的轴向移动。4. 网格套筒式该转向柱柱管（套筒）做成网格状，当人体撞到转向盘上的力超过允许值时，网格部分将被压缩而产生塑性变形，吸收冲击能量。2. 转向柱设计方案2.1 设计要求转向管柱在汽车中主要起支撑、固定转向盘，传递驾驶人员通过转向盘施加的扭矩，驱动方向机工作，以起到控制汽车行驶方向的作用。结构简图见图1 。可调节、吸能式转向管柱除具备上述基本功能外，还应具有可调节转向盘的位置和防撞击并吸收部分有害撞击能量的功能，以起到适应驾驶员的操作习惯，并在微型汽车发生正面碰撞时，能随汽车变形区域沿车体纵向同步阻尼收缩，使转向盘不向汽车乘员空间发生位移，避免侵入乘员空间，吸收部分撞击能量，降低驾乘人员受伤害的程度，使安全气囊有打开空间的作用。整个总成还应具有一定的刚度，以保证车辆在正常行驶时驾驶人员有和使用原型转向管柱相同的“路感”。要达到上述要求，可调节、吸能式转向管柱（以下简称管柱）设计方案应达到下述性能：l 管柱应能可靠地支撑、固定转向盘，有效传递驾驶人员通过转向盘施加的扭矩驱动方向机工作，以起到控制微型汽车行驶方向的作用。管柱自身摩擦扭矩值应在汽车行业规定的范围内。l 管柱转向盘端的位置，沿车体纵向应能轻松地在一定范围内上下调节，调节结束后，应能方便、快速、有效地锁定管柱，使其不得有丝毫松动。l 车体发生正面碰撞时，管柱前部和转向轴前部处于微型汽车变形区，要随变形收缩的车体同步变形收缩，因此要适度降低管柱刚度，以增加变形收缩量来适应微型汽车前部的变形。l 管柱后部和转向轴后部转向盘处位于车体非变形区，为保证驾乘人员的安全，不能随变形的车体向后位移。为使管柱和转向轴满足前部可变形收缩，后部不可变形收缩的性能要求，管柱前部和后部、转向轴前部和后部应为分体式。在车体非碰撞情况下，前、后部可靠连接，连接刚度应适度，以保证微型汽车在正常行驶的情况下，驾驶人员的“路感”和使用整体式管柱一致。l 管柱后部安装位置处于车体变形区，当车体变形，安装位置产生位移时，为使管柱后部不随变形车体发生位移，应有脱开装置使管柱和车体分离。l 在管柱和转向轴变形收缩过程中，增大其变形阻力，以消耗有害的撞击能量，达到吸能的目的。2.2 方案原型l 现有汽车可调式管柱总成设计及其工作原理其基本结构如图2所示：现有的可调节、吸能式转向管柱总成设计方案主要由转向轴、管柱、中支架、下支架、调节锁定机构、解脱装置、手柄等组成。其调节原理如下：当转向盘的位置需要调整时，逆时针旋转手柄9 0 ，松开锁定装置，再用手沿车体纵向L 区域内上下推拉转向盘至合适位置，反向旋转手柄9 0 ，锁紧锁定装置，完成方向盘位置的调整。由于手柄位于中支架处，驾驶人员在正常驾驶汽车时，手、脚和身体其他部位不会接触到手柄，因此在汽车行驶过程中，驾驶人员不会发生误操作松开锁定机构。调节锁定机构（局部图见图3）通过螺纹的自锁性能实现自锁，以螺纹预紧方式进行螺纹防松，锁定可靠，解锁方便。大部分零件结构简单，精度要求低，采用冲压和焊接方式生产，制作方便，成本低廉，适于大批量生产。l 新型吸能转向柱结构液压吸能转向柱这是一种新型的吸能转向柱结构形式，目前尚处于理论及研发阶段，市场还不成熟。其吸能原理来源于广泛应用于汽车上的液力转向减震器。液压吸能转向柱的结构简图如图4所示。液力转向柱采用了液力减振器, 可以分为上下两部分:上端转向轴为可移动的长六角花键, 可以沿转向柱轴线方向上下移动, 上端转向柱相当于液力减振器的活塞推杆, 活塞推杆的横截面为六角花键, 以保证可以正常转向, 并使上端转向柱只能轴向位移, 防止其他方向的移动。因此, 储油钢筒和工作钢筒要与活塞推杆相互配合。该液力减振器有 2 个钢筒套在一起, 在内工作钢筒与活塞之 间有压缩弹簧(弹性较小),以保证活塞处在工作钢筒的最上端, 同时有利于活塞能够自动回位。下端转向柱的上端直接与储油筒固定连接在一起, 使其可以随钢筒和上端转向柱一同旋转。为了满足能应用在转向柱上, 同时达到使用的效果, 保证正常转向，应对其原型减震器的一些参数进行改进：( 1) 压缩行程, 一般压缩行程应在 150 mm 以上, 可以根据不同类型的车而定。( 2) 最小临界压缩力, 一般临界压缩力在 1.1 kN 2.5 kN。F=F1+F2式中: F: 临界压缩力; F1: 弹簧弹力; F2: 压缩液力阻尼力。F1=KL式中: K: 弹性系数; L: 压缩行程。( 3) 伸张行程与压缩行程关系。在该减振器中, 压缩行程起主要作用, 用来直接吸收冲击的能量。伸张行程主要由弹簧使其回复到原位, 即伸张行程阻尼力略小于弹簧的弹力, 从而保证能够 缓 慢 回 复到原位,因,弹簧的弹力较小,但是必须能够克服伸张行程的阻尼力。2.3设计方案根据上述原型学习及性能要求分析，可调节、液力吸能转向管柱设计方案如图5 所示，主要由液压工作缸、弹簧、活塞、轴承等组成。结构简介：活塞推杆直接连接方向盘；储油钢筒外壁由轴承固定，轴承座即支架可相对车体转动，由扳手拧紧或松开固定螺母；储油钢筒末端焊接内管柱（上有螺钉槽），内管柱通过适度的过盈连接外管柱，并用紧定螺钉固定，共同传递转矩，同时也能承受一定的轴向力；外管柱末端与一般转向机构一样通过万向节连于位于车身内部的转向器。工作原理：当汽车发生碰撞时，若乘员以一定速度撞向方向盘，则同前面介绍的液压减震器原理，由弹簧弹力和液压力共同吸收能量，从而在一定程度上保证成员的生命安全。通过图中I部分结构可知，液压缸支架可相对于固定车体在一定范围内旋转。同图3所示调节锁定机构的扳手结构一样，扳手同样位于方向盘下方，可以外置于驾驶室内（通常人手不会碰到的地方），只要逆时针旋转9 0 松开螺母后可调节方向盘绕万向节节点旋转适当角度，以适应个人的驾驶习惯，提高驾驶舒适性。当通过调整方向盘角度不能达到个人合适的方向盘高度时，可以通过图中II部分结构调节方向盘高度。只要用扳手拧开紧定螺钉，加上内外管柱配合过盈量不大，驾驶员并能在人力范围内调节内管柱插入外管柱部分的长度，从而起到调节方向盘高度的作用。此种情况较少发生，考虑到转向柱结构，该调节部位位于机构下端，在实车中可位于车身底部，同时此种情况也较少发生，必要时可由驾驶员或维修人员卧于车底拧开螺钉，因此该调节部位的位置也合理。2.4 机构特点(1) 总体结构简单，该转向柱采用整体式结构，即可以专门做成一个整体，整体上比较简单，同时方便布置其他附件。(2) 满足转向要求，液力式转向柱具备了足够张度和刚度，保证了正常转向力的传递。(3) 具备了缓冲吸能的要求。由于转向柱可以被压缩, 液体的阻尼力具 备缓冲、吸能的效果, 可以结合安全气囊同时使用, 在没有发生碰撞的条件下, 可以缓和不平路面的冲击, 防止了转向盘“打手”的现象。(4) 优点： 它和传统吸能装置有很大差异，即采用了液压，同时具有碰撞后可以重复使用，不像传统机械结构在碰撞后，销钉被切断，整个转向柱被损坏；同时可以量化生产，且维修方便，使用寿命大幅度提高。(5) 缺点：液力吸能装置的引入时必提高转向机构的成本，同时液力吸能装置尚未在转向吸能应用中推广（技术已成熟）。(5) 创新点：在原有可调式（调节方向盘角度）转向柱基础上，综合应用了新型液力吸能装置；同时设计了方向盘高度调节装置，可辅助方向盘角度调节，进一步提高了驾驶舒适性。3. 结语可调节、液力吸能式转向管柱集可调节转向盘的位置和防震吸能两大功能于一体，顺应了微型汽车市场的驾驶舒适性和安全性要求。它既可使驾驶人员处于更合理的操作位置，提高驾驶舒适性，又能在微型汽车发生正面碰撞时及时收缩，并能吸收部分有害撞击能量，降低了驾乘人员受伤害的程度，提高了微型汽车被动安全性能。可调节、液力吸能式转向管柱采用较多的成熟技术，性能可靠，功能齐备，结构简单，有较好的市场前景，满足未来微型汽车越来越严格的要求。参考文献1 刘长军. 可调节、吸能式转向管柱设计. MC研发_现代零部件，2006年第10期：7273.2 李岩和. 浅谈汽车吸能转向管柱形式. 现代汽车_设计与试验研究，1997年第11期：1214.3 刘长军，蒋化垠. 微型客车新型吸能转向管柱总成设计. 设计计算研究，2004年第