转向操纵机构设计报告

实验一：可分离式汽车转向操作机构设计

与三维CAD建模分析实验报告

一、实验过程说明

1、引言

随着社会经济和汽车工业的发展，汽车变得越来越普及。汽车转向管柱作为驾驶员操控汽车的重要部件，其安全性和可靠性显得尤为重要。在汽车行驶的过程中，任何来自转向管柱的异响、卡滞和变形过大都会给驾驶员造成很大的心理压力，影响行车安全。转向管柱主要包括转向轴总成、上柱管、管柱支架、紧定螺栓、拉脱锁、下柱管、下支架、旋铆销轴、锁定手柄等。转向轴总成通常是上端加工有连接花键，用来安装方向盘；下端焊接有万向节总成，与转向器连接，实现转向扭矩的传递。上、下柱管装配在一起，通过管柱支架和下支架安装在车架上。拉脱锁与管柱支架通过注塑装配在一起。

它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。同时装有转向柱管安全装置和方向盘位置调节装置，分别是用于当转向轴受到巨大的冲击时产生轴向位移，使支架或支撑塑性变形来吸收冲击能量，防止驾驶人员因转向机构原因而受伤；以及因驾驶员身高不同，把握方向盘时要调整方向盘的高度来达到安全舒适的状态。转向操作机构是汽车上不可或缺的一部分，其工作可靠性直接影响行驶安全。

本实验是根据机械原理，参考大众新桑塔纳转向操作机构参数，设计了转向操作机构的传动机构和动力机构。并运用本课程所学的知识，基于UG建模软件对转向操作机构的机构零件进行结构设计和优化，然后运用ADAMS运动学仿真软件对转向操作机构进行仿真分析以及动画制作，对相关的参数进行分析，终完成本转向操作机构的简易设计。

2、可分离式机构设计方案与参数计算

（1）设计方案

根据网上查找的资料，转向吸能装置的设计方案一般有如下几种：

①可分离式

机构简图如图所示。此类转向操纵机构的转向管柱分为上下两段，当发生撞车时，上下两段相互分离或相互滑动，从而有效地防止转向盘对驾驶员的伤害，但转向机构本身并不包含吸能装置。

②网格管、波纹管变形吸能式

机构简图如图所示。其转向操纵机构的转向轴和转向管柱都分成两段，上转向轴和下转向轴之间通过细花键结合并传递转向力矩，同时它们二者之间可以作轴向伸缩滑动。在下转向轴的外边装有波纹管，它在受到压缩时能轴向收缩变形并消耗冲击能量。它的下转向管柱的上端套在上转向管柱里面，但二者不直接连接，而是通过管柱压圈和限位块分别对它们进行定位。当汽车撞车时，下转向管柱向上移动，在第一次冲击力的作用下限位块首先被剪断并消耗能量，与此同时转向管柱和转向轴都作轴向收缩。当受到第二次冲击时，上转向轴下移，压缩波纹管使之收缩变形并消耗冲击能量。

③钢球滚压变形式

机构简图如图所示。其结构分为转向管柱上下两段，上转向管柱比下转向管柱稍细，可套在下转向管柱的内孔里，二者之间压入带有塑料隔圈的钢球。隔圈圈起钢球保持架的作用，钢球与上下转向管柱压紧并使之结合在一起。在撞车时，上下管柱在轴向相对移动，这时钢球边转动边在上下转向管柱的壁上压出沟槽，从而消耗了冲击能量。

④支架变形缓冲式

机构简图如图所示。发生碰撞时，转向器向后移动，下转向传动轴插入上转向传动轴的孔中，上转向传动轴被压扁，吸收了冲击能量。此外，转向管柱通过支架和U形金属板固定在仪表板上。当驾驶员身体撞击转向盘后，转向管柱和支

架将从仪表板上脱离下来向前移动。这时，一端固定在仪表板上而另一端固定在支架上的U形金属板就会产生扭曲变形并吸收冲击能量。

图图

图图

（2）设计要求

根据汽车驾驶的要求，汽车转向操作机构有如下设计要求：

①操纵轻便，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。

②转向盘转动方向与汽车行驶方向的改变相一致。

③按照《防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定》的试验程序，人体模块以h—h的相对速度撞击转向操纵装置时，转向操纵装置作用在人体模块上的水平力不得超过11123N。

④转向操纵装置面向驾驶员侧能被直径为165mm球体接触的部分应平滑，尖角或凸起部位的圆角半径不得小于。

⑤压缩行程：转向柱及中间轴的可压缩行程150mm以上；

⑥转向柱系统烦人最小临界压力：—；

⑦转向柱断开联接盒分离力：联接盒每个注塑销的破坏力为500N，转向柱上每个可断裂联接盒一般有2—4个注塑销；

⑧除了保证规定的轴向压缩力外，还要足够的抗弯强度，以提高轴向吸能效果；

⑨压缩吸能部分上下端有一定的强度和刚度差异，保证压缩吸能力的传递

根据设计要求，综合考虑其他因素，参考上诉第一种设计方案进行设计。把汽车转向操作机构机构主要分成三部分：一部分机构为方向盘机构，主要由骨架

等组成，通过矩形细花键与转向轴上端相连，并用螺母轴向固定限位；另一部分的机构为上转向轴，从转向管柱中穿过并通过支撑轴承和上端轴承支撑在转向管柱中，转向轴上下端用弹性挡圈轴向限位；另一部分为转向柱管，用支架固定在驾驶室的前围板上，转向柱管上装有组合开关、点火开关等部件。

本次设计中传动机构使用可分离式缓冲吸能机构，动力机构参照实际汽车的转向操纵机构为动力部分，简化为传动机构得到汽车转向操作机构完整的机构简图如图所示：

图汽车转向操作机构机构运动简图

该机构的参数如下：Dab=385mm，Lcd=836mm，Lef=457mm，Lgh=319mm。

此机构中传动机构处于极位，且同时处于死点锁死位置；动力机构（即方向盘机构AB）是转向动力机构，且传动过程中无死点。

计算机构的自由度：F=3*6-2*8-1=1。方向盘为主动件时，已知自由度为1，所以，该机构具有确定的相对运动。

3、可分离式机构运动学设计与仿真验证

将装配好的转向操作机构模型从UG中导出为.xmt格式，之后将其导入到Adams软件中进行运动学仿真。添加好各项运动副，将方向盘分别设置为驱动，

辅以STEP(TIME......)时间函数，实现转向操作机构运动方向盘调节动作。

图导入UG中导出的.xmt文件图加载约束模型

图模型自由度验证模型

4、可分离式机构三维CAD建模设计与分析

（1）传动机构的设计

起初设计为波纹管式转向操作机构，之后不易对其进行仿真，所以改为可分离式转向操作机构。传动机构为上下两轴的连接传动，其中上转向轴长度为823mm，下转向轴长度为460mm，且满足转向轴条件。转向轴主要的尺寸为直径为35mm，转向管柱最大直径为95mm。图为传动机构的结构三维模型图。