1、轉(zhuǎn)向管柱帶中間軸總成設(shè)計(jì)指南 底盤部 圖1 轉(zhuǎn)向管柱帶中間軸總成示意圖1.概述轉(zhuǎn)向管柱帶中間軸總成是連接轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。它基本上有兩部分組成：一部分是轉(zhuǎn)向管柱總成，另一部分是中間軸總成。它的作用是將作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī)，并將轉(zhuǎn)向輪受到的力和沖擊回傳到轉(zhuǎn)向盤使駕駛員能夠感知路面情況，對(duì)汽車采取正確的操控。轉(zhuǎn)向管柱上一般固定有方向盤、時(shí)鐘彈簧、組合開關(guān)、點(diǎn)火開關(guān)以及組合開關(guān)護(hù)罩等件，所以設(shè)計(jì)時(shí)要做好各件配合部分的尺寸鏈計(jì)算。從結(jié)構(gòu)方面可以分為可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱和不可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱， 可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱一般分角度可調(diào)、高度可調(diào)以及角度和高度均可調(diào)三種。2.轉(zhuǎn)向管柱帶中間軸總成的布置要求2.1空

2、間角度要求整車布置時(shí)考慮到人機(jī)工程以及為了避免與其他件干涉，轉(zhuǎn)向管柱與中間軸總成布置時(shí)存在空間角度，即轉(zhuǎn)向芯軸中心線、中間軸中心線、轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸中心線形成的空間角度，它們形成的夾角影響力矩波動(dòng)和傳動(dòng)效率。轉(zhuǎn)向芯軸中心線與中間軸中心線形成的角度為1 中間軸中心線與轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸中心線形成的角度為2（如圖2所示）對(duì)于多段式空間布置的傳動(dòng)軸形式，我們首先考慮相鄰三段軸的計(jì)算，按照下列公式可求得相鄰三段的等效夾角： （-cos（2（）+sin（2（）輸入軸（轉(zhuǎn)向芯軸）與中間軸夾角中間軸與輸出軸（轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸）夾角輸入軸（轉(zhuǎn)向芯軸）和中間軸所在平面與中間軸和輸出軸（轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸）所在平面的夾角中間軸相位角

3、等效夾角為了達(dá)到最佳的傳動(dòng)性能，等效夾角e應(yīng)盡可能小，從上式可以看出，當(dāng)+0時(shí)，等效夾角e取得最小值(12 - 22 )1/2，也即是說為中間軸下端連接叉的最佳相位角，在把傳動(dòng)軸調(diào)整到最佳相位角的基礎(chǔ)上，三段式的傳動(dòng)軸可以簡化成下式計(jì)算：= (|-|)a.對(duì)傳動(dòng)效率的影響 為了獲得較高的傳動(dòng)效率，要求、銳角小于等于，此角度越小越好。2 圖2 夾角示意圖b.對(duì)力矩波動(dòng)的要求 力矩波動(dòng)影響到駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的感覺，尤其原地打方向，駕駛員對(duì)力矩波動(dòng)比較敏感，力矩波動(dòng)越小越好。主動(dòng)軸、從動(dòng)軸力矩分別為M和M，則M = M / cos（）M= M × cos （）所以，方向盤的力矩波動(dòng)范圍是在

4、最大力矩和最小力矩之間，即 cos （）1 / cos （），為了使方向盤力矩波動(dòng)在盡可能小的范圍內(nèi)，應(yīng)該使輸入軸和中間軸所在平面與中間軸和輸出軸所在平面的夾角和中間軸下端連接叉的相位角大小相等方向相反，而且使和盡可能得小。定義力矩波動(dòng)： = M2/M1。為了達(dá)到一個(gè)較好的方向盤手感，對(duì)的波動(dòng)要求如下：|-1| 0.05 目標(biāo)要求|-1| 0.10 讓步可以接受|-1| 0.10 不可接受c介紹相位角的概念： 相位角：轉(zhuǎn)向柱中心線（Line I）和中間軸中心線（Line II）形成的平面（PlaneI）與轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸中心線（Line ）和中間軸中心線（Line II）形成的平面(Plane )

5、之間的交角。 圖3 相位角示意圖注意點(diǎn)：為了使力矩波動(dòng)達(dá)到最小，要求圖2中的=；相位角要確保正確，相位角的公差越小越好，考慮到工藝實(shí)現(xiàn)，推薦值為?？紤]的整車布置防止干涉等因素，根據(jù)目標(biāo)要求，可以按2.1中的計(jì)算方法計(jì)算力矩波動(dòng)|-1|。 c.對(duì)轉(zhuǎn)向管柱夾角的要求 根據(jù)人機(jī)工程及碰撞的要求，轉(zhuǎn)向芯軸與整車的XY平面的交角，推薦值為，如下圖所示，一般由總布置根據(jù)人機(jī)工程布置要求給定。 圖5 轉(zhuǎn)向管柱布置角度圖2.2 可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱調(diào)節(jié)范圍要求 對(duì)于可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱，在滿足總布置（儀表的可視范圍等）的條件下，方向盤調(diào)節(jié)的范圍越大，越能滿足更多顧客的需要，即調(diào)節(jié)范圍越大越好，推薦值A(chǔ)B（方向盤中心在調(diào)節(jié)過程

6、中的移動(dòng)距離）取35mm45mm，對(duì)于可以伸縮的轉(zhuǎn)向柱，伸縮的行程推薦值為40mm左右（如上圖所示）。 注意點(diǎn)：由于存在制造公差和裝配誤差，避免調(diào)節(jié)過程中的卡死，確?；瑒?dòng)銷能在固定滑道里順利滑動(dòng)，要使 （）；調(diào)節(jié)手柄的調(diào)節(jié)力建議小于等于80N，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)鎖緊后，轉(zhuǎn)向管柱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)保持力不小于690N，3 轉(zhuǎn)向管柱帶中間軸總成接口尺寸要求為了通用化、標(biāo)準(zhǔn)化，使轉(zhuǎn)向管柱帶中間軸總成與轉(zhuǎn)向機(jī)、方向盤連接更穩(wěn)定、更可靠，減少設(shè)計(jì)及校核的工作量，根據(jù)目前已經(jīng)批量生產(chǎn)而且穩(wěn)定車型接口尺寸的數(shù)據(jù)，特制定以下接口尺寸規(guī)范。3.1 轉(zhuǎn)向管柱與方向盤的接口尺寸圖6 轉(zhuǎn)向管柱與方向盤接口尺寸圖 注意點(diǎn)：轉(zhuǎn)向管柱的錐面長

7、度要大于方向盤的錐面長度，且錐面的貼合長度（沿軸線）大于10mm；轉(zhuǎn)向管柱與方向盤的連接螺母采用B11-3404207，鎖緊力矩（35）3.2 中間軸的設(shè)計(jì) 為了便于整車裝配，中間軸與轉(zhuǎn)向管柱常采用滑動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接，裝配后，采用帶彈墊螺栓或者卡箍將兩者鎖緊。 如果用類S21、S22等花鍵結(jié)構(gòu)聯(lián)接，設(shè)計(jì)時(shí)要保證整車裝配后，螺栓處于滑動(dòng)槽的中間位置（此時(shí)中間軸的長度為理論長度），如圖7所示。 圖7 轉(zhuǎn)向管柱與中間軸連接示意圖3.3 中間軸與轉(zhuǎn)向機(jī)的接口尺寸采用兩種連接方式：扁位或花鍵。其接口尺寸如圖8所示。圖8中間軸萬向節(jié)與轉(zhuǎn)向機(jī)接口圖 注意點(diǎn)：中間軸總成與轉(zhuǎn)向機(jī)的連接螺栓采用T11-3404051

8、（強(qiáng)度等級(jí)10.9）或Q150B0830TF2配彈墊Q40308，鎖緊力矩（25）；如果中間軸需要通過單一個(gè)固定叉與轉(zhuǎn)向機(jī)相連，單叉采用T11叉結(jié)構(gòu)，開口尺寸及花鍵參數(shù)采用此規(guī)范。4 轉(zhuǎn)向管柱帶中間軸總成的碰撞安全要求4.1 碰撞潰縮吸能性能為了避免或減輕車輛碰撞時(shí)對(duì)駕駛員的傷害，要求轉(zhuǎn)向管柱帶中間軸總成在設(shè)計(jì)時(shí)有潰縮吸能的結(jié)構(gòu)。國標(biāo)GB11557要求滿足a.處于正常工作狀況下的整備車輛在不搭乘假人的狀況下，以48.353.1km/h的速度進(jìn)行固定障礙壁碰撞試驗(yàn)，沿平行于車輛縱向中心軸線的水平方向所測量的車輛轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向軸頂端相對(duì)車內(nèi)不受碰撞影響的某點(diǎn)的向后移動(dòng)量不得大于127mm；沿垂直方向

9、所測量的車輛轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向軸頂端相對(duì)車內(nèi)不受碰撞影響的某點(diǎn)的向上移動(dòng)量不得大于127mm；b.人體模塊以24.1km/h25.3km/h的相對(duì)速度撞擊轉(zhuǎn)向操縱裝置時(shí)，轉(zhuǎn)向操縱裝置作用在人體模塊上的力不得超過11123N。為滿足以上國標(biāo)要求，轉(zhuǎn)向管柱總成靜壓潰力和壓潰行程的要求：總成靜壓潰力要求（3500±1000）Nm，壓潰距離一般不小于65mm；能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱壓潰的結(jié)構(gòu)有很多種，下面以S21為例，分解一下轉(zhuǎn)向管柱的壓潰結(jié)構(gòu)。 圖9 轉(zhuǎn)向管柱總成壓潰結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示，管柱總成潰縮結(jié)構(gòu)分三部分組成，(1)管柱上安裝支架是通過兩邊各一個(gè)拉脫塊固定在車身上，拉脫塊與上支架采用注塑銷連接，

10、當(dāng)管柱受力時(shí)注塑銷被切斷，上支架與拉脫塊脫離，向下移動(dòng)；(2)上芯軸為實(shí)心軸套在空心管的下芯軸中，通過注塑工藝連接，當(dāng)上芯軸受力時(shí)，注塑銷被切斷，上芯軸向下移動(dòng)；(3）上下柱管采用過盈結(jié)構(gòu)連接，當(dāng)上柱管受力時(shí)，上柱管相對(duì)下柱管向下移動(dòng)，通過摩擦吸能。通過這三個(gè)部分作用，轉(zhuǎn)向管柱達(dá)到潰縮吸能效果，以減輕或避免對(duì)駕駛員的傷害。4.2防盜要求：點(diǎn)火開關(guān)轉(zhuǎn)向管柱 圖10 轉(zhuǎn)向管柱與點(diǎn)火鎖裝配示意圖如圖10所示點(diǎn)火開關(guān)安裝在轉(zhuǎn)向管柱的柱管上，通過凸臺(tái)定位，點(diǎn)火開關(guān)上有一鎖舌可以伸縮，當(dāng)鑰匙拔出時(shí)，鎖舌彈出，轉(zhuǎn)向芯軸上有一鎖止槽，當(dāng)轉(zhuǎn)向芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)到鎖止槽與鎖舌嚙合時(shí)，轉(zhuǎn)向芯軸被鎖止無法起到轉(zhuǎn)向的作用，從而起

11、到防盜的功能。此時(shí)需要將鑰匙插入點(diǎn)火開關(guān)鑰匙孔并轉(zhuǎn)動(dòng)到I檔位置，鎖舌自動(dòng)彈回，轉(zhuǎn)向芯軸可以重新自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)鑰匙在點(diǎn)火開關(guān)上時(shí)，無論在哪個(gè)檔位只要鑰匙不拔出，鎖舌都不會(huì)彈出而發(fā)生鎖止現(xiàn)象。凸臺(tái) 圖11 點(diǎn)火開關(guān)鎖舌與轉(zhuǎn)向管柱鎖止槽嚙合示意圖 圖12點(diǎn)火開關(guān)鎖舌彈回解鎖示意圖根據(jù)國標(biāo)GB 15740-2006要求，滿足在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不發(fā)生危及安全的損壞條件下，防盜裝置應(yīng)能承受靜態(tài)條件下繞轉(zhuǎn)向軸的在兩個(gè)方向上施加的300Nm的扭矩。5.轉(zhuǎn)向管柱帶中間軸總成的傳動(dòng)效率影響轉(zhuǎn)向管柱帶中間軸總成傳動(dòng)效率兩大因素轉(zhuǎn)向萬向節(jié)軸承摩擦（此處只考慮兩對(duì)十字軸式萬向節(jié)結(jié)構(gòu)）管柱上兩個(gè)軸承摩擦十字軸式萬向節(jié)傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效

12、率與兩軸的軸間角、十字軸支承的結(jié)構(gòu)和材料、加工和裝配精度以及潤滑條件等有關(guān)，近似的可以按下式計(jì)算： 圖13 十字軸結(jié)構(gòu)當(dāng)兩軸的軸夾角25°時(shí)12d/R當(dāng)兩軸的軸夾角25°<40°時(shí)1 d（2tan(/2)+tan()）/R以上兩式中：d十字軸軸頸的直徑，按8mm（對(duì)于目前）計(jì)算R十字軸中心至軸頸支承長度中點(diǎn)的距離，按16mm（對(duì)于目前）計(jì)算十字軸軸頸與軸承的摩擦系數(shù)，按0.15計(jì)算上述公式計(jì)算出來的兩對(duì)十字叉萬向節(jié)的傳動(dòng)效率分別為：和轉(zhuǎn)向管柱兩個(gè)軸承處的傳動(dòng)效率按經(jīng)驗(yàn)值為340.98故轉(zhuǎn)向管柱帶中間軸總成的總的傳動(dòng)效率為：對(duì)于此傳動(dòng)效率的取值范圍，經(jīng)驗(yàn)值在90左右，據(jù)初步分析，傳動(dòng)效率影響車輛回正，轉(zhuǎn)向力等。6 舒適性要求6.1固有頻率對(duì)于可調(diào)或者不可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱帶中間軸總成，固有頻率要大于等于40Hz。6.2中間軸聯(lián)軸結(jié) 為了削弱由于底盤的地面凸凹不平通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)傳遞給方向盤旋轉(zhuǎn)方向高頻的振動(dòng)，防止由此引起駕駛員的疲勞，在追求舒適性的車上，建議采用隔離高頻振動(dòng)的中間軸聯(lián)軸結(jié)結(jié)構(gòu)。在市場定位相對(duì)較低或者追求轉(zhuǎn)向靈敏度較高的運(yùn)動(dòng)型車輛上，可以不采用此結(jié)構(gòu)。初步采用以下參數(shù)：橡膠襯套剛度：軸向剛度333N/mm±30N/mm(±0.5mm)；扭轉(zhuǎn)剛度Ti=2.0N.m/deg(