凸輪設(shè)計(jì)提高汽車方向盤性能研究

凸輪設(shè)計(jì)提高汽車方向盤性能研究 摘要：為了解決當(dāng)前方向盤位置的調(diào)節(jié)鎖止手柄手感欠佳問題，并確保車輛發(fā)生嚴(yán)重意外碰撞時(shí)，鎖止手柄不被彈開，文章對方向盤位置調(diào)節(jié)的鎖止操作手感進(jìn)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(jì)算及案例測試驗(yàn)證，方向盤位置調(diào)節(jié)的鎖凸輪壓緊面、上升角度和高度組合關(guān)系進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明壓緊面上升角度與旋轉(zhuǎn)角度的曲線連續(xù)、平滑，并在鎖止位置設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)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(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)性能；凸輪；被動(dòng)安全 前言 乘用汽車的方向盤位置調(diào)節(jié)方式分為機(jī)械手動(dòng)調(diào)節(jié)、電動(dòng)調(diào)節(jié)兩種形式。方向盤電動(dòng)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)成本高昂，并且不利于轉(zhuǎn)向管柱潰縮吸能結(jié)構(gòu)的布置，機(jī)械手動(dòng)調(diào)節(jié)的鎖緊性能決定操作手感的品質(zhì)、管柱鎖緊的可靠性，當(dāng)前國內(nèi)外在車輛的操作手感品質(zhì)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(diào)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(jī)械手動(dòng)調(diào)節(jié)鎖止的操作品質(zhì)，確保鎖止功能有很高的研究價(jià)值。 1方向盤位置鎖止及鎖止調(diào)節(jié)性能分析 1.1方向盤位置調(diào)節(jié)的鎖止性能分析。乘用汽車常規(guī)的管柱調(diào)節(jié)鎖止采用凸輪結(jié)構(gòu)。從操作角度性能分析，鎖止結(jié)構(gòu)對手柄操作品質(zhì)的影響，不僅僅是力的峰值大小，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(shè)計(jì)，不能滿足操作的品質(zhì)要求。從汽車的感官品質(zhì)來看，管柱調(diào)節(jié)凸輪設(shè)計(jì)開發(fā)具有一定的研究價(jià)值。常規(guī)的方向盤位置調(diào)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(dòng)力。為了降低駕駛員在車輛發(fā)生正面碰撞時(shí)造成的傷害，乘用汽車在被動(dòng)安全結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)有安全帶、安全氣囊及潰縮式轉(zhuǎn)向管柱等。潰縮式轉(zhuǎn)向管柱主要在駕駛員對安全氣囊沖擊力達(dá)到設(shè)置的力值時(shí)，管柱潰縮，并且吸收駕駛員的動(dòng)能，同時(shí)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中轉(zhuǎn)向管柱潰縮的風(fēng)險(xiǎn)，將壓潰力的峰值設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)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(dòng)能。轉(zhuǎn)向管柱鎖止結(jié)構(gòu)須在整個(gè)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(jié)構(gòu)在碰撞的過程中彈開，凸輪夾緊機(jī)構(gòu)打開，殼體與管柱芯軸的夾緊力迅速減小，管柱直接滑動(dòng)，吸能結(jié)構(gòu)不能起到作用，滑移力的大小與設(shè)置管柱軸向的調(diào)節(jié)力大小相等，受力如式（3）： 1.2方向盤位置調(diào)節(jié)鎖止手感性能分析。轉(zhuǎn)向管柱的鎖止結(jié)構(gòu)如圖3所示。在凸輪旋轉(zhuǎn)夾緊的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)管柱調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)固定，旋轉(zhuǎn)凸輪松開狀態(tài)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)管柱位置可調(diào)?；诹Ω小⑿谐谈小n位感，研究鎖止手柄的調(diào)節(jié)品質(zhì)。力感是駕駛員調(diào)節(jié)手柄過程中，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(guān)系，通過力值的大小及變化趨勢預(yù)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(diǎn)行程與總成的比值，即行程與力值曲線函數(shù)單調(diào)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(zhuǎn)位置行程，基于力值與轉(zhuǎn)角變化趨勢，輔助預(yù)判手柄所處的位置。采用凸輪機(jī)構(gòu)的鎖緊結(jié)構(gòu)，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。凸輪的受力分布如圖5所示。凸輪結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)手柄的過程中，凸輪外側(cè)手柄帶動(dòng)頂桿壓緊力，凸輪位置的調(diào)節(jié)力如式（7）所示。）在鎖止機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)凸輪的角，可以實(shí)現(xiàn)鎖止手柄操作的品質(zhì)感，同時(shí)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(jìn)行分析，根據(jù)鎖止手柄的設(shè)計(jì)鎖緊角度，設(shè)計(jì)凸輪的起始點(diǎn)、鎖止峰值點(diǎn)、鎖止點(diǎn)、限位點(diǎn)等相應(yīng)的角度位置。參考鎖止機(jī)構(gòu)殼體剛度設(shè)計(jì)凸輪曲面的上升高度。 2.2試驗(yàn)驗(yàn)證。通過某車型的鎖緊凸輪設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，鎖止扭力及松開扭矩與角度的關(guān)系曲線如圖10所示，通過實(shí)測結(jié)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(zhuǎn)角度的曲線平順、變化趨勢與目標(biāo)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(jié)束語 根據(jù)某車型的設(shè)計(jì)案例分析，結(jié)合殼體的剛度及幾何尺寸，合理的設(shè)計(jì)凸輪的曲面上升角度、能提高鎖止手柄的操作品質(zhì)及鎖緊的可靠性，在前期設(shè)計(jì)的過程中能起到方向性的參考作用。