工程实践-汽车溃缩式转向柱的改进方案计划

..汽车与交通学院课程大作业说明书课程名称:车辆工程专业工程技能实践课程代码:106010429题目:汽车溃缩式转向柱的改进方案计划年级/专业/班:2012级/车辆工程/汽设3班学生姓名:张明银学号:开始时间:2015年04月13日完成时间:2015年06月19日课程大作业成绩：学习态度及平时成绩〔30技术水平与实际能力〔20创新〔5说明书〔计算书、图纸、分析报告撰写质量〔45总分〔100指导教师签名：年月日目录TOC\o"1-3"\f\t"课程论文一级标题,1,课程论文二级标题,2,课程论文三级标题,3,致谢,1,参考文献,1,摘要,1"摘要-2-1.引言-3-2.转向柱安全相关法规-4-3.工作原理·····-4-3.1溃缩式转向柱-5-3.2能量吸收式转向柱··················-5-3.3改进结构--吸能溃缩式转向柱-6-4.转向柱安装角度的影响-7-5.结束语-8-致谢-9-参考文献-10-摘要当汽车发生正撞时,碰撞能量使汽车的前部发生塑性变形。位于汽车前部的转向柱及转向轴在碰撞力的作用下要向后即驾驶员胸部方向运动。这种运动的能量应通过转向柱以机械的方式予以吸收,防止或减少其直接作用于驾驶员身上,造成人身伤害。另—方面,在汽车发生正碰时,驾驶员受惯性的影响有冲向转向盘的运动。驾驶员本身的运动能量一部分由约束装置如安全带、气囊等加以吸收,另一部分传递给转向盘和转向柱系统。这部分能量也要通过转向盘及转向柱系统予以吸收,以防止超出人体承受能力的碰撞力伤害驾驶员。溃缩式转向柱除了能满足转向柱常规的功能外,在汽车发生正面碰撞时,能够有效地吸收碰撞能量,防止或减少碰撞能量伤害驾驶员[1]。关键词：溃缩式转向柱、能量吸收式转向柱、碰撞驾驶员安全、转向柱优化1,引言当车辆发生事故尤其是前面碰撞时,人的胸部及头部由於离方向盘较近,因此很容易就会撞到方向盘,甚至车身撞击溃缩之后方向盘向后挤压,亦是很容易伤及驾驶者,因此法规上对於转向系统都有安全上的规范,以美国联邦安全法规FMVSS为例,对於方向盘及方向机柱所组成的转向系统,有底下两项规定：一为当以假人以15mph〔约25km/h的相对速度撞击方向盘时,於假人的胸部产生的冲击力,不得大於2500磅〔约1134公斤的规定,且当以30mph〔约48km/h实车正面撞击时,此时方向盘的后移量不得超过5英寸〔约12.7cm[2],由此可见转向系统乃是一项非常重要的安全系统,为达到此项法规,方向机柱必须设计成当承受撞击后吸收能量的方式,才能在车辆承受前面撞击时,驾驶人往前撞击到方向盘时能产生溃缩作用来吸收撞击的能量,将人的碰撞伤害降至最低的安全保护。常见的吸收碰撞能量的措施主要有采用能量吸收式转向柱和采用溃缩式转向柱。而将两者结合不但能达到同等安全保障性能,还能节约碰撞后修复成本。2,转向柱安全相关法规国际上汽车发达国家对防止转向柱对驾驶员的伤害都有法规要求。这些法规中规定了汽车发生正面碰撞时,转向柱的向后水平位移量和碰撞力的要求。如,美国的安全法规FMVSS203,204、我国的安全法规GB11557-89、联合国欧洲经济委员会的安全法规ECER12,74297、日本保安基准11-4-1、澳大利亚的安全法规ADR10A,ADR10B都对转向柱提出了安全要求[3]。表1即为这些法规的对比情况。3,工作原理3.1溃缩式转向柱〔图1当汽车发生正面碰撞时,汽车与障碍物的碰撞称为首次碰撞。汽车与障碍物碰撞后,由于惯性,乘员与转向盘、乘员与挡风玻璃等车内物体的碰撞称为二次碰撞[4]。采用溃缩式转向柱可以吸收部分碰撞能量减少首次碰撞及二次碰撞对驾驶人员的伤害。溃缩式转向柱轴是由下轴总成、上轴总成和转向支架总成三大部件组成[5],与传统的不同,当汽车发生正面碰撞时,碰撞力达到一定值F碰1时,可溃缩式转向管柱的三大部件将瞬间折断,自动按照预先设计进行溃缩变形,为驾驶员预留足够的缓冲空间,避免对驾驶员的腰部、腹部、下肢、头部产生直接冲撞,从而确保驾驶员的生命安全。这种结构的转向柱碰撞时能产生较大的缓冲距离,但是在碰后维修时比较麻烦,费用较高。碰撞后碰撞前碰撞后碰撞前图〔13.2能量吸收式转向柱〔图2其工作原理出发点与上者溃缩式转向柱相似,只是在结构方面有所区别,较上者更为简单,溃缩式转向柱在碰撞时发生的是结构上面的溃缩,而能量吸收式在碰撞时只是在溃缩轴溃缩区发生材料上面的溃缩[6]。当汽车发生碰撞时,碰撞力达到一定值F碰2时,转向柱的溃缩部位发生不可复原式溃缩,从而为驾驶员提供更大的缓冲空间,减少对驾驶人员身体的伤害[7]。这种结构转向柱在碰撞时产生的缓冲距离有限,但是在碰后维修时比较简单,费用较低。碰撞前碰撞后碰撞前碰撞后图〔23.3改进结构—吸能溃缩式转向柱〔图3在结构上将上面两种不同的能量吸收保护措施相结合,第一种溃缩式转向柱在碰撞后较第二种能量吸收式转向柱能有更大的溃缩距离,能够更大程度的缩短转向柱的长度,从而在碰撞后能够为驾驶人员提供一个比较大一点的缓冲空间,更大程度的减少碰撞可能带来的伤害,但是这一种转向柱成本相比于第二种能量吸收式转向柱要高出很多,而且一般在碰撞后转向柱结构将被破坏,撞后必须进行修复,而修复过程就是更换转向柱,造成了维修费用的增加。第二种能量吸收式转向柱在碰撞后较第一种的溃缩距离小,为驾驶员提供的缓冲距离有限,在严重碰撞中所起作用不足,但是其造价成本较低,在碰后维修过程只需更换一段损坏的溃缩区的轴段,维修方便,维修价格较低。将能量吸收式转向柱的能量吸收部分的结构经过改进装配在溃缩式转向柱的第二段溃缩轴上,通过材料和结构的保障,可以使改进后的转向柱发生二段溃缩。当改进后的第二段溃缩轴在碰撞后碰撞力达到一定的值F碰1的时候首先发生材料溃缩,产生第一段缓冲距离S1,如果第一段缓冲距离已经足够起到保护作用,则第二段溃缩不会发生,这样既起到了保护作用,而且在事后进行汽车转向柱维修的时候只需将发生溃缩损坏的那段轴更换,而对于溃缩式转向柱的大体结构并没有破坏。如果在碰撞后第一段溃缩产生的缓冲距离无法达到足够保护作用,及碰撞时转向柱上的力达到F碰2时,转向柱将发生第二段溃缩S2,也就是结构上的溃缩,进一步加大缓冲空间,这样发生二段溃缩后,虽然维修时需要更大的费用。不过若是在碰撞过程中能产生使得改进后的转向柱发生二段溃缩S1+S2的力,必定是重大安全事故,这样的力早已足够使得整个车身及发动机舱内的各类零部件摧毁,而这种情况下对于驾驶人员的保护性已经超过转向柱所能产生的保护性能了。事故后基本不存在维修过程,因为经过这样的冲撞后汽车基本可以报废。图〔34,转向柱安装角度的影响如图4所示为转向柱-驾驶员系统的受力关系图。当汽车发生正面碰撞时,驾驶员胸部对转向柱系统的碰撞力,即伤害驾驶员的碰撞力F可分解为沿转向柱轴线的使转向柱压缩吸能的分力F1,和使转向柱向上弯曲的分力F2[8]。F1=FcosθF2=Fsinθ其中,θ为转向柱安装角。当碰撞力F不变而θ变大时,沿转向柱轴向的吸能力F1略有下降,而使转向柱向上弯曲的分力F2却大幅度上升。F2的增大对于降低碰撞力有两个不利的影响:当F2较大时会影响转向柱从车身上脱离;F2增大使驾驶员胸部所受的碰撞分力加大,使吸能缓冲效果下降。一般来讲转向柱的安装角度在21°--23°时吸能缓冲效果最佳[9]。5,结束语汽车发生碰撞时,碰撞能量使汽车前部发生塑性变形,安装在汽车前部与转向器输入端相联的转向中间轴在碰撞力的作用下向后运动。隔绝首次碰撞的影响可由转向中间轴来完成。碰撞继续发展,碰撞力作用在转向柱的下端,使转向柱向后移动；同时驾驶员在本身的惯性作用下冲向转向盘[10]。尽管驾驶员本身有约束装置如安全带、气囊的约束,仍有一部分能量要传递给转向桂系统。吸收二次碰撞能量和驾驶员的部分惯性能量是吸能溃缩式转向柱的重要任务之一。在原有的能量吸收式和溃缩式转向柱的基础上改进的这款吸能溃缩式转向柱虽然综合上面二者优点,能更好更经济的发挥作用,但是转向柱对驾驶员的保护作用始终是有限的,还需要在汽车的其他结构上进行创新改进,从而更好的提高汽车安全性能。致谢感谢本次车辆工程专业工程技能实践的指导老师徐沿海教授,在整个实践过程中,从方案题目的选择到方案思想路线的提出以及改进设计过程,徐教授始终秉持一种严谨认真的态度,耐心解答了我在本次实践中遇到的各类难题,并为我的改进方案提出了极为重要的建议,补充了我在实践过程中所缺乏的一些基本知识和技能。在这最后再次感谢徐教授的悉心照顾指导。参考文献[1]李立,张成宝等．B级轿车转向管柱的开发策略．七海汽车,20XX11期：18—20．[2]刘志新,张晓龙等．C-NCAP试验中乘员胸部伤害特征分析．1NFATSProceedingstheSixthIntemationalForumofAutomotiveTrafficSafety。20XX：292—295．[3]GB11557-1998防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定［S］[4]赵江洪.人机工程学[M].北京：高等教育出版社,2006.[5］张桂荣,宋新华.能量吸收式转向柱碰撞试验方法的研究.XX交通科技[J].20XX03期[6]宋晓华