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凸轮设计提高汽车方向盘性能研究

2020-12-07 11:36 来源:汽车设计论文 人参与在线咨询

摘要:为了解决当前方向盘位置的调节锁止手柄手感欠佳问题,并确保车辆发生严重意外碰撞时,锁止手柄不被弹开,文章对方向盘位置调节的锁止操作手感进行工程化分解,锁止手柄不被弹开的工况参考《C-NCAP管理规则》50Km/h正面100%重叠刚性壁障碰撞。通过仿真分析、计算及案例测试验证,方向盘位置调节的锁凸轮压紧面、上升角度和高度组合关系进行了研究,研究结果表明压紧面上升角度与旋转角度的曲线连续、平滑,并在锁止位置设计转折能提高锁止感、有利手感平顺性,并能提高锁紧的可靠性。

关键词:调节性能;凸轮;被动安全

前言

乘用汽车的方向盘位置调节方式分为机械手动调节、电动调节两种形式。方向盘电动调节的驱动电机及控制系统成本高昂,并且不利于转向管柱溃缩吸能结构的布置,机械手动调节的锁紧性能决定操作手感的品质、管柱锁紧的可靠性,当前国内外在车辆的操作手感品质上,对汽车换挡及电器操作键有了深度的研究并取得成果。在方向盘位置调节的锁止性能上,尚未有深度的研究及公开发表。因此,提高机械手动调节锁止的操作品质,确保锁止功能有很高的研究价值。

1方向盘位置锁止及锁止调节性能分析

1.1方向盘位置调节的锁止性能分析。乘用汽车常规的管柱调节锁止采用凸轮结构。从操作角度性能分析,锁止结构对手柄操作品质的影响,不仅仅是力的峰值大小,还包括行程感、力感、档位感及力值大小,随锁紧手柄角度变化而表现平顺性。单从锁止手柄力的大小来设计,不能满足操作的品质要求。从汽车的感官品质来看,管柱调节凸轮设计开发具有一定的研究价值。常规的方向盘位置调节锁止形式如图1所示。止为止。在碰撞前驾驶员与车辆基本处于相同的速度,具有一定的动力。为了降低驾驶员在车辆发生正面碰撞时造成的伤害,乘用汽车在被动安全结构上的设计有安全带、安全气囊及溃缩式转向管柱等。溃缩式转向管柱主要在驾驶员对安全气囊冲击力达到设置的力值时,管柱溃缩,并且吸收驾驶员的动能,同时产生位移使安全带继续吸能,降低驾驶员的加速,从而降低驾驶员的伤害值。为了防止正常驾驶过程中转向管柱溃缩的风险,将压溃力的峰值设计在结构即将溃缩的位置,溃缩过程中保持一定的溃缩力来吸收驾驶员的动能。转向管柱锁止结构须在整个溃缩过程中处于锁紧状态,溃缩力大小如式(1)。若管柱锁止结构在碰撞的过程中弹开,凸轮夹紧机构打开,壳体与管柱芯轴的夹紧力迅速减小,管柱直接滑动,吸能结构不能起到作用,滑移力的大小与设置管柱轴向的调节力大小相等,受力如式(3):

1.2方向盘位置调节锁止手感性能分析。转向管柱的锁止结构如图3所示。在凸轮旋转夹紧的状态下实现管柱调节结构固定,旋转凸轮松开状态时可以实现管柱位置可调。基于力感、行程感、档位感,研究锁止手柄的调节品质。力感是驾驶员调节手柄过程中,手柄反馈给驾驶员力值变化趋势的感觉,即反馈力值的大小与手柄角度的变化关系 ,通过力值的大小及变化趋势预判锁止手柄的位置状态。行程感是手柄锁紧或松开的过程中,力值曲线的拐点行程与总成的比值,即行程与力值曲线函数单调性改变的极限位置行程与总行程的比值。档位感是手柄锁紧的过程中,手柄反馈给驾驶员档位变化的感觉,驾驶员通过手柄反馈的力值变化趋势及手柄旋转位置行程,基于力值与转角变化趋势,辅助预判手柄所处的位置。采用凸轮机构的锁紧结构,解锁力是手柄松开过程中,手柄力值随手柄松开的角度变化而形成的曲线,如图4所示。曲线中的峰值是手柄松开的最大力值,如图4中的Fm力值。

1.3凸轮锁紧力特性分析。凸轮的受力分布如图5所示。凸轮结构力来源于壳体刚性张开力在凸轮主轴方向的推力。操作力来源于旋转手柄的过程中,凸轮外侧手柄带动顶杆压紧力,凸轮位置的调节力如式(7)所示。)在锁止机构壳体刚度不变的情况下,凸轮与顶杆处于某一位置,F壳体的大小及方向是恒定。式(7)F顶杆的大小,变量为tin,其变化曲线如图6所示。即合理设计凸轮的角,可以实现锁止手柄操作的品质感,同时防止锁止手柄在整车碰撞过程中松开。

2案例分析

2.1凸轮参数分析。通过某车型为案例进行分析,根据锁止手柄的设计锁紧角度,设计凸轮的起始点、锁止峰值点、锁止点、限位点等相应的角度位置。参考锁止机构壳体刚度设计凸轮曲面的上升高度。

2.2试验验证。通过某车型的锁紧凸轮设计方案进行验证,锁止扭力及松开扭矩与角度的关系曲线如图10所示,通过实测结果体现。锁紧手柄的开启扭矩值及锁止扭矩值与手柄旋转角度的曲线平顺、变化趋势与目标走向一致,符合操作行程感、力感及档位感,并能有利防止车辆在碰撞过程中手柄弹开。

3结束语

根据某车型的设计案例分析,结合壳体的刚度及几何尺寸,合理的设计凸轮的曲面上升角度、能提高锁止手柄的操作品质及锁紧的可靠性,在前期设计的过程中能起到方向性的参考作用。

作者:吴成伟 单位:吉利汽车研究院(宁波)有限公司

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