基于凸輪設(shè)計提高汽車方向盤位置調(diào)節(jié)鎖止性能研究

吳成偉

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，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(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

中圖分類號：U463? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）22-54-03

Abstract： In order to solve the current problem of steering wheel adjustment lever force poor feeling， and ensure the lever is not open when serious crash accident happen. In this paper， we decompose steering wheel position lock maneuver，? the operation condition of the locking lever keep closing is referring to the 50 km/h 100% overlap rigid wall front crash in C-NCAP management rule. Through the simulation analysis， calculation and test case verification， and also we studied CAM surface， rise angle， and height of the steering wheel position adjustment lock mechanism， the studying result shows that curve of rising Angle and rotation Angle of the compression surface is continuous to the compression surface rise angle， can improve the lock feeling， the compliance of feeling can be beneficial and the reliability of the lock can be increased.

Keywords： Regulate quality; Cam; Passive safety

CLC NO.： U463? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）22-54-03

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(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。

車輛在高速行駛中碰到剛性體時，整車處于從極限減速到靜止為止。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(dá)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(fēng)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(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，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)。

基于力感、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(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)手柄帶動頂桿壓緊力，凸輪位置的調(diào)節(jié)力如式（7）所示。

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(jī)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(jìn)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(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。

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