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1、凸輪設計提高汽車方向盤性能研究
摘要:為了解決當前方向盤位置的調節(jié)鎖止手柄手感欠佳問題,并確保車輛發(fā)生嚴重意外碰撞時,鎖止手柄不被彈開,文章對方向盤位置調節(jié)的鎖止操作手感進行工程化分解,鎖止手柄不被彈開的工況參考《C-NCAP管理規(guī)則》50Km/h正面100%重疊剛性壁障碰撞。通過仿真分析、計算及案例測試驗證,方向盤位置調節(jié)的鎖凸輪壓緊面、上升角度和高度組合關系進行了研究,研究結果表明壓緊面上升角度與旋轉角度的曲線連續(xù)、平滑,并在鎖止位置設計轉折能提高鎖止感、有利手感平順性,并能提高鎖緊的可靠性。
關鍵詞:調節(jié)性能;凸輪;被動安全
前言
乘用汽車的
2、方向盤位置調節(jié)方式分為機械手動調節(jié)、電動調節(jié)兩種形式。方向盤電動調節(jié)的驅動電機及控制系統(tǒng)成本高昂,并且不利于轉向管柱潰縮吸能結構的布置,機械手動調節(jié)的鎖緊性能決定操作手感的品質、管柱鎖緊的可靠性,當前國內外在車輛的操作手感品質上,對汽車換擋及電器操作鍵有了深度的研究并取得成果。在方向盤位置調節(jié)的鎖止性能上,尚未有深度的研究及公開發(fā)表。因此,提高機械手動調節(jié)鎖止的操作品質,確保鎖止功能有很高的研究價值。
1方向盤位置鎖止及鎖止調節(jié)性能分析
1.1方向盤位置調節(jié)的鎖止性能分析。乘用汽車常規(guī)的管柱調節(jié)鎖止采用凸輪結構。從操作角度性能分析,鎖止結構對手柄操作品質的影響,不僅僅是
3、力的峰值大小,還包括行程感、力感、檔位感及力值大小,隨鎖緊手柄角度變化而表現(xiàn)平順性。單從鎖止手柄力的大小來設計,不能滿足操作的品質要求。從汽車的感官品質來看,管柱調節(jié)凸輪設計開發(fā)具有一定的研究價值。常規(guī)的方向盤位置調節(jié)鎖止形式如圖1所示。止為止。在碰撞前駕駛員與車輛基本處于相同的速度,具有一定的動力。為了降低駕駛員在車輛發(fā)生正面碰撞時造成的傷害,乘用汽車在被動安全結構上的設計有安全帶、安全氣囊及潰縮式轉向管柱等。潰縮式轉向管柱主要在駕駛員對安全氣囊沖擊力達到設置的力值時,管柱潰縮,并且吸收駕駛員的動能,同時產(chǎn)生位移使安全帶繼續(xù)吸能,降低駕駛員的加速,從而降低駕駛員的傷害值。為了防止正常駕駛過程
4、中轉向管柱潰縮的風險,將壓潰力的峰值設計在結構即將潰縮的位置,潰縮過程中保持一定的潰縮力來吸收駕駛員的動能。轉向管柱鎖止結構須在整個潰縮過程中處于鎖緊狀態(tài),潰縮力大小如式(1)。若管柱鎖止結構在碰撞的過程中彈開,凸輪夾緊機構打開,殼體與管柱芯軸的夾緊力迅速減小,管柱直接滑動,吸能結構不能起到作用,滑移力的大小與設置管柱軸向的調節(jié)力大小相等,受力如式(3):
1.2方向盤位置調節(jié)鎖止手感性能分析。轉向管柱的鎖止結構如圖3所示。在凸輪旋轉夾緊的狀態(tài)下實現(xiàn)管柱調節(jié)結構固定,旋轉凸輪松開狀態(tài)時可以實現(xiàn)管柱位置可調?;诹Ω?、行程感、檔位感,研究鎖止手柄的調節(jié)品質。力感是駕駛員調節(jié)手柄過程中
5、,手柄反饋給駕駛員力值變化趨勢的感覺,即反饋力值的大小與手柄角度的變化關系,通過力值的大小及變化趨勢預判鎖止手柄的位置狀態(tài)。行程感是手柄鎖緊或松開的過程中,力值曲線的拐點行程與總成的比值,即行程與力值曲線函數(shù)單調性改變的極限位置行程與總行程的比值。檔位感是手柄鎖緊的過程中,手柄反饋給駕駛員檔位變化的感覺,駕駛員通過手柄反饋的力值變化趨勢及手柄旋轉位置行程,基于力值與轉角變化趨勢,輔助預判手柄所處的位置。采用凸輪機構的鎖緊結構,解鎖力是手柄松開過程中,手柄力值隨手柄松開的角度變化而形成的曲線,如圖4所示。曲線中的峰值是手柄松開的最大力值,如圖4中的Fm力值。
1.3凸輪鎖緊力特性分析
6、。凸輪的受力分布如圖5所示。凸輪結構力來源于殼體剛性張開力在凸輪主軸方向的推力。操作力來源于旋轉手柄的過程中,凸輪外側手柄帶動頂桿壓緊力,凸輪位置的調節(jié)力如式(7)所示。)在鎖止機構殼體剛度不變的情況下,凸輪與頂桿處于某一位置,F(xiàn)殼體的大小及方向是恒定。式(7)F頂桿的大小,變量為tin,其變化曲線如圖6所示。即合理設計凸輪的角,可以實現(xiàn)鎖止手柄操作的品質感,同時防止鎖止手柄在整車碰撞過程中松開。
2案例分析
2.1凸輪參數(shù)分析。通過某車型為案例進行分析,根據(jù)鎖止手柄的設計鎖緊角度,設計凸輪的起始點、鎖止峰值點、鎖止點、限位點等相應的角度位置。參考鎖止機構殼體剛度設計凸輪曲面的上升高度。
2.2試驗驗證。通過某車型的鎖緊凸輪設計方案進行驗證,鎖止扭力及松開扭矩與角度的關系曲線如圖10所示,通過實測結果體現(xiàn)。鎖緊手柄的開啟扭矩值及鎖止扭矩值與手柄旋轉角度的曲線平順、變化趨勢與目標走向一致,符合操作行程感、力感及檔位感,并能有利防止車輛在碰撞過程中手柄彈開。
3結束語
根據(jù)某車型的設計案例分析,結合殼體的剛度及幾何尺寸,合理的設計凸輪的曲面上升角度、能提高鎖止手柄的操作品質及鎖緊的可靠性,在前期設計的過程中能起到方向性的參考作用。