可調(diào)式液力吸能轉(zhuǎn)向柱設(shè)計(jì).docx

可調(diào)式液力吸能轉(zhuǎn)向柱設(shè)計(jì)摘要：為了滿足汽車行業(yè)防止汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員傷害標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的要求，這里在原有吸能式轉(zhuǎn)向柱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合，提出了一種改進(jìn)方案。此種改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向柱具有防震吸能的特性，極大地降低了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員的傷害。此外，該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)還可以調(diào)整方向盤的位置（通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向柱的長(zhǎng)度和角度調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)）。文章將主要從液力吸能原理及結(jié)構(gòu)兩方面來(lái)對(duì)該轉(zhuǎn)向柱總成進(jìn)行介紹。關(guān)鍵詞：可調(diào)式、液力、吸能、轉(zhuǎn)向柱隨著汽車市場(chǎng)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(méi)有系安全帶或使用安全氣囊的情況下，汽車轉(zhuǎn)向盤可能會(huì)對(duì)乘員造成頭部、頸部、肺部等傷害。為了減輕這些傷害，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)時(shí)必須考慮應(yīng)用吸能式轉(zhuǎn)向柱，在乘員撞向轉(zhuǎn)向盤時(shí)，轉(zhuǎn)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(shí)轉(zhuǎn)向盤后移尺寸，以減少對(duì)乘員的傷害。同時(shí)，若轉(zhuǎn)向管柱可使轉(zhuǎn)向盤的位置在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)以適應(yīng)駕駛員的操作習(xí)慣，則可提高駕駛舒適性。為此，在原有汽車轉(zhuǎn)向管柱及其機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向盤位置并具有防碰撞、吸能性能的轉(zhuǎn)向管柱，對(duì)提高汽車駕駛舒適性和被動(dòng)安全性。具有非常重要的意義。1. 現(xiàn)有轉(zhuǎn)向柱的主要方案轉(zhuǎn)向軸是連接轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)件，并傳遞他們之間的轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)向柱管安裝在車身上，支承著轉(zhuǎn)向盤。轉(zhuǎn)向軸從轉(zhuǎn)向柱管中穿過(guò)，支承在柱管內(nèi)的軸承和襯套上。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的吸能裝置主要靠轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向柱管來(lái)實(shí)現(xiàn)。吸能裝置的基本原理是，當(dāng)受到巨大沖擊時(shí)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lái)吸收能量。當(dāng)變形架或變形支架受到一定大小的沖擊載荷時(shí)，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(dòng)。2. 球和內(nèi)套套筒式轉(zhuǎn)向管柱分為上下兩段，下轉(zhuǎn)向管柱（?。┛仗自谏限D(zhuǎn)向管柱（大）內(nèi)，其間間隙塞滿鋼球，靠鋼球傳遞轉(zhuǎn)矩。當(dāng)受到的軸向沖擊過(guò)大時(shí)，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(dòng)。3. 拉脫安全鎖式拉脫安全鎖是第二級(jí)吸能裝置，主要為一個(gè)剪切裝置。該剪切裝置允許當(dāng)收到的沖擊載荷達(dá)到一定值時(shí)，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(dòng)。4. 網(wǎng)格套筒式該轉(zhuǎn)向柱柱管（套筒）做成網(wǎng)格狀，當(dāng)人體撞到轉(zhuǎn)向盤上的力超過(guò)允許值時(shí)，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(zhuǎn)向柱設(shè)計(jì)方案2.1 設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)向管柱在汽車中主要起支撐、固定轉(zhuǎn)向盤，傳遞駕駛?cè)藛T通過(guò)轉(zhuǎn)向盤施加的扭矩，驅(qū)動(dòng)方向機(jī)工作，以起到控制汽車行駛方向的作用。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1 ?？烧{(diào)節(jié)、吸能式轉(zhuǎn)向管柱除具備上述基本功能外，還應(yīng)具有可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(yīng)駕駛員的操作習(xí)慣，并在微型汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，能隨汽車變形區(qū)域沿車體縱向同步阻尼收縮，使轉(zhuǎn)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(kāi)空間的作用。整個(gè)總成還應(yīng)具有一定的剛度，以保證車輛在正常行駛時(shí)駕駛?cè)藛T有和使用原型轉(zhuǎn)向管柱相同的“路感”。要達(dá)到上述要求，可調(diào)節(jié)、吸能式轉(zhuǎn)向管柱（以下簡(jiǎn)稱管柱）設(shè)計(jì)方案應(yīng)達(dá)到下述性能：l 管柱應(yīng)能可靠地支撐、固定轉(zhuǎn)向盤，有效傳遞駕駛?cè)藛T通過(guò)轉(zhuǎn)向盤施加的扭矩驅(qū)動(dòng)方向機(jī)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(yīng)在汽車行業(yè)規(guī)定的范圍內(nèi)。l 管柱轉(zhuǎn)向盤端的位置，沿車體縱向應(yīng)能輕松地在一定范圍內(nèi)上下調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)結(jié)束后，應(yīng)能方便、快速、有效地鎖定管柱，使其不得有絲毫松動(dòng)。l 車體發(fā)生正面碰撞時(shí)，管柱前部和轉(zhuǎn)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(lái)適應(yīng)微型汽車前部的變形。l 管柱后部和轉(zhuǎn)向軸后部轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向軸前部和后部應(yīng)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(yīng)適度，以保證微型汽車在正常行駛的情況下，駕駛?cè)藛T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(dāng)車體變形，安裝位置產(chǎn)生位移時(shí)，為使管柱后部不隨變形車體發(fā)生位移，應(yīng)有脫開(kāi)裝置使管柱和車體分離。l 在管柱和轉(zhuǎn)向軸變形收縮過(guò)程中，增大其變形阻力，以消耗有害的撞擊能量，達(dá)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(shè)計(jì)及其工作原理其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示：現(xiàn)有的可調(diào)節(jié)、吸能式轉(zhuǎn)向管柱總成設(shè)計(jì)方案主要由轉(zhuǎn)向軸、管柱、中支架、下支架、調(diào)節(jié)鎖定機(jī)構(gòu)、解脫裝置、手柄等組成。其調(diào)節(jié)原理如下：當(dāng)轉(zhuǎn)向盤的位置需要調(diào)整時(shí)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手柄9 0 ，松開(kāi)鎖定裝置，再用手沿車體縱向L 區(qū)域內(nèi)上下推拉轉(zhuǎn)向盤至合適位置，反向旋轉(zhuǎn)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?cè)藛T在正常駕駛汽車時(shí)，手、腳和身體其他部位不會(huì)接觸到手柄，因此在汽車行駛過(guò)程中，駕駛?cè)藛T不會(huì)發(fā)生誤操作松開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)。調(diào)節(jié)鎖定機(jī)構(gòu)（局部圖見(jiàn)圖3）通過(guò)螺紋的自鎖性能實(shí)現(xiàn)自鎖，以螺紋預(yù)緊方式進(jìn)行螺紋防松，鎖定可靠，解鎖方便。大部分零件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhuǎn)向柱結(jié)構(gòu)液壓吸能轉(zhuǎn)向柱這是一種新型的吸能轉(zhuǎn)向柱結(jié)構(gòu)形式，目前尚處于理論及研發(fā)階段，市場(chǎng)還不成熟。其吸能原理來(lái)源于廣泛應(yīng)用于汽車上的液力轉(zhuǎn)向減震器。液壓吸能轉(zhuǎn)向柱的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。液力轉(zhuǎn)向柱采用了液力減振器, 可以分為上下兩部分:上端轉(zhuǎn)向軸為可移動(dòng)的長(zhǎng)六角花鍵, 可以沿轉(zhuǎn)向柱軸線方向上下移動(dòng), 上端轉(zhuǎn)向柱相當(dāng)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(zhuǎn)向, 并使上端轉(zhuǎn)向柱只能軸向位移, 防止其他方向的移動(dòng)。因此, 儲(chǔ)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(gè)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(shí)有利于活塞能夠自動(dòng)回位。下端轉(zhuǎn)向柱的上端直接與儲(chǔ)油筒固定連接在一起, 使其可以隨鋼筒和上端轉(zhuǎn)向柱一同旋轉(zhuǎn)。為了滿足能應(yīng)用在轉(zhuǎn)向柱上, 同時(shí)達(dá)到使用的效果, 保證正常轉(zhuǎn)向，應(yīng)對(duì)其原型減震器的一些參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)：( 1) 壓縮行程, 一般壓縮行程應(yīng)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(guān)系。在該減振器中, 壓縮行程起主要作用, 用來(lái)直接吸收沖擊的能量。伸張行程主要由彈簧使其回復(fù)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(fù)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(shè)計(jì)方案根據(jù)上述原型學(xué)習(xí)及性能要求分析，可調(diào)節(jié)、液力吸能轉(zhuǎn)向管柱設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介：活塞推桿直接連接方向盤；儲(chǔ)油鋼筒外壁由軸承固定，軸承座即支架可相對(duì)車體轉(zhuǎn)動(dòng)，由扳手?jǐn)Q緊或松開(kāi)固定螺母；儲(chǔ)油鋼筒末端焊接內(nèi)管柱（上有螺釘槽），內(nèi)管柱通過(guò)適度的過(guò)盈連接外管柱，并用緊定螺釘固定，共同傳遞轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也能承受一定的軸向力；外管柱末端與一般轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)一樣通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連于位于車身內(nèi)部的轉(zhuǎn)向器。工作原理：當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)，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(guò)圖中I部分結(jié)構(gòu)可知，液壓缸支架可相對(duì)于固定車體在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。同圖3所示調(diào)節(jié)鎖定機(jī)構(gòu)的扳手結(jié)構(gòu)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(huì)碰到的地方），只要逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)9 0 松開(kāi)螺母后可調(diào)節(jié)方向盤繞萬(wàn)向節(jié)節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)適當(dāng)角度，以適應(yīng)個(gè)人的駕駛習(xí)慣，提高駕駛舒適性。當(dāng)通過(guò)調(diào)整方向盤角度不能達(dá)到個(gè)人合適的方向盤高度時(shí)，可以通過(guò)圖中II部分結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)方向盤高度。只要用扳手?jǐn)Q開(kāi)緊定螺釘，加上內(nèi)外管柱配合過(guò)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(zhǎng)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(zhuǎn)向柱結(jié)構(gòu)，該調(diào)節(jié)部位位于機(jī)構(gòu)下端，在實(shí)車中可位于車身底部，同時(shí)此種情況也較少發(fā)生，必要時(shí)可由駕駛員或維修人員臥于車底擰開(kāi)螺釘，因此該調(diào)節(jié)部位的位置也合理。2.4 機(jī)構(gòu)特點(diǎn)(1) 總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，該轉(zhuǎn)向柱采用整體式結(jié)構(gòu)，即可以專門做成一個(gè)整體，整體上比較簡(jiǎn)單，同時(shí)方便布置其他附件。(2) 滿足轉(zhuǎn)向要求，液力式轉(zhuǎn)向柱具備了足夠張度和剛度，保證了正常轉(zhuǎn)向力的傳遞。(3) 具備了緩沖吸能的要求。由于轉(zhuǎn)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(jié)合安全氣囊同時(shí)使用, 在沒(méi)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(zhuǎn)向盤“打手”的現(xiàn)象。(4) 優(yōu)點(diǎn)： 它和傳統(tǒng)吸能裝置有很大差異，即采用了液壓，同時(shí)具有碰撞后可以重復(fù)使用，不像傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)在碰撞后，銷釘被切斷，整個(gè)轉(zhuǎn)向柱被損壞；同時(shí)可以量化生產(chǎn)，且維修方便，使用壽命大幅度提高。(5) 缺點(diǎn)：液力吸能裝置的引入時(shí)必提高轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的成本，同時(shí)液力吸能裝置尚未在轉(zhuǎn)向吸能應(yīng)用中推廣（技術(shù)已成熟）。(5) 創(chuàng)新點(diǎn)：在原有可調(diào)式（調(diào)節(jié)方向盤角度）轉(zhuǎn)向柱基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用了新型液力吸能裝置；同時(shí)設(shè)計(jì)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(jìn)一步提高了駕駛舒適性。3. 結(jié)語(yǔ)可調(diào)節(jié)、液力吸能式轉(zhuǎn)向管柱集可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向盤的位置和防震吸能兩大功能于一體，順應(yīng)了微型汽車市場(chǎng)的駕駛舒適性和安全性要求。它既可使駕駛?cè)藛T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(shí)及時(shí)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(dòng)安全性能。可調(diào)節(jié)、液力吸能式轉(zhuǎn)向管柱采用較多的成熟技術(shù)，性能可靠，功能齊備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有較好的市場(chǎng)前景，滿足未來(lái)微型汽車越來(lái)越嚴(yán)格的要求。參考文獻(xiàn)1 劉長(zhǎng)軍. 可調(diào)節(jié)、吸能式轉(zhuǎn)向管柱設(shè)計(jì). 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