凸輪設(shè)計提高汽車方向盤性能研究

凸輪設(shè)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(diào)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(diào)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(diào)節(jié)的鎖凸輪壓緊面、上升角度和高度組合關(guān)系進行了研究，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；被動安全前言乘用汽車的方向盤位置調(diào)節(jié)方式分為機械手動調(diào)節(jié)、電動調(diào)節(jié)兩種形式。方向盤電動調(diào)節(jié)的驅(qū)動電機及控制系統(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，機械手動調(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，提高機械手動調(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，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)計開發(fā)具有一定的研究價值。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(jié)構(gòu)上的設(shè)計有安全帶、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到設(shè)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中轉(zhuǎn)向管柱潰縮的風險，將壓潰力的峰值設(shè)計在結(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能。轉(zhuǎn)向管柱鎖止結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在碰撞的過程中彈開，凸輪夾緊機構(gòu)打開，殼體與管柱芯軸的夾緊力迅速減小，管柱直接滑動，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)時可以實現(xiàn)管柱位置可調(diào)?；诹Ω?、行程感、檔位感，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(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，輔助預判手柄所處的位置。采用凸輪機構(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)手柄帶動頂桿壓緊力，凸輪位置的調(diào)節(jié)力如式（7）所示。）在鎖止機構(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)計凸輪的角，可以實現(xiàn)鎖止手柄操作的品質(zhì)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(shè)計鎖緊角度，設(shè)計凸輪的起始點、鎖止峰值點、鎖止點、限位點等相應(yīng)的角度位置。參考鎖止機構(gòu)殼體剛度設(shè)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(shè)計方案進行驗證，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)計案例分析，結(jié)合殼體的剛度及幾何尺寸，合理的設(shè)計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)計的過程中能起到方向性的參考作用。