汽車轉向系統的結構優化設計

李佳佳

（江蘇安全技術職業學院， 江蘇　徐州　221011）

引言

轉向系統的功用是保證車輛按駕駛員意圖而進行轉向行駛，保證各轉向輪之間具有協調的轉角關系，作為人車交互界面的轉向系統，它的特性會影響到車輛的操縱性與穩定性。本文主要基于轉向系統在制動工況下的抖動情況以及目前國內外的相關研究狀況，提出了幾點自己的設計思路[1]。

1　轉向管柱結構設計

轉向管柱主要有兩個基本功能：一是傳遞方向盤傳來的轉矩，保證駕駛員的意圖能正確地傳遞到轉向機及轉向輪；二是在意外碰撞過程中保護駕駛員安全，確保在發生意外碰撞過程中不對駕駛人員造成損害。越野車轉向管柱起著承上啟下的作用，它上接方向盤，下接轉向器，在正常使用中承擔著把方向盤傳來的轉矩傳遞給轉向器的任務，另外管柱上還附帶了常用的組合開關等電子組件[2]。本次設計忽略電子組件對于轉向系統抖動性能的影響，主要針對其機械結構及裝配關系進行設計。

圖1　轉向系統總體結構圖

如圖1所示，轉向管柱總成包括變截面轉向軸、變截面空心轉向外管柱及變截面空心轉向內管柱，其中變截面轉向軸的一端由變截面轉向外管柱前端穿出后與方向盤骨架連接，變截面轉向軸的另一端與變截面轉向內管柱的一端連接。此外，與變截面轉向軸相連接的變截面外管柱外部還布置有轉向電機和電機控制器及其支架，是轉向管柱的控制部分。該部分的結構和質量分布對于轉向管柱的本體模態影響因素不大，因此帶控制器的轉向管柱與不帶有控制器的轉向管柱只要管柱本體結構相同則轉向管柱的模態即大致相同，因此在設計轉向管柱的本體模態時不考慮轉向電機和控制的影響因素。

2　方向盤減振設計

一般情況下用方向盤垂向和橫向抖動來衡量制動過程中抖動的大小，要減小方向盤的抖動就要求方向盤的垂向和橫向振動模態要分別低于或者高于制動4～5 Hz。本設計采用帶動力吸振塊的轉向盤骨架，能夠吸收方向盤垂向及橫向振動，從而使汽車在制動狀態下運轉時最大限度地減少方向盤的抖動[3]。

2.1　理論分析

對于具有有限個自由度的線彈性系統，由達朗貝爾原理可以推得動力平衡方程，將其進行傅里葉變換可得：

引入:{x}=[?]{q}，其中：[?]為模態矩陣；{q}為模態坐標。代入（1）得：

若系統無阻尼自由振動系統，從而求得式（2）特征方程：

式（3）有解的條件是：

由式（4）可求得系統的固有振動頻率，將其代入式（2）即可得到系統的固有振型。通常用子空間迭代法求解式（4）中的特征值，為了求得正則坐標下的主振型，還需將固有振型正則化處理。根據上述過程即可得出安裝有減振塊的越野車方向盤的振動頻率與未安裝減振塊時的方向盤振動頻率，對比分析減振塊的吸振效果。

2.2　結構設計

如圖2減振塊位置布置圖所示，方向盤總成一般由方向盤骨架、方向盤外蒙皮、組合開關、安全氣囊等總成組成。方向盤骨架采用鎂鋁合金結構，在轉向盤的三個腹板上分別設置有吸振塊A、B及C，其中吸振塊B用于吸收轉向盤垂向振動頻率，吸收頻率一般做成77～80 Hz頻率的吸振塊。吸振塊A和吸振塊C用于吸收轉向盤橫向振動。應用組合方式可以根據兩個金屬塊的頻率組成不同的吸收頻率，吸收振動效果更佳。吸振塊結構不應過大，且不影響轉向盤骨架與外蒙皮的裝配，通過帶錐度的細花鍵可以實現轉向盤與轉向軸的連接，通過螺母進行端部軸向壓緊固定。因為轉向系統各傳動件之間難免存在裝配間隙，這些間隙反映到轉向盤上來就變成轉動轉向盤的空轉角度，對于緩和路面的沖擊和避免駕駛員過度緊張來說，轉向盤的自由行程起到了一定的作用。

圖2　減振塊位置布置圖

3　結語

制動抖動是一個復雜的系統問題，至今尚未有統一的解決方法，由于時間精力有限，本文主要針對轉向管柱進行了改進設計。轉向系統作為車輛底盤的重要組成部分，它的制動抖動會嚴重影響車輛的舒適性和安全性，故該問題一直是當前各大車企和高校研究的熱點，也是今后研究的重要方向。

[1]濮良貴，紀名剛.機械設計：第8版[M].北京：高等教育出版社，2006：360-412.

[2]劉振成.中型載貨汽車轉向系統的分析研究與改進設計[D].長春：吉林大學，2011.

[3]張燕，劉世豪.機械優化設計方法及應用[M].北京：化學工業出版社，2015：3.