转向管柱的碰撞安全设计
背景简介
转向管柱（steering column）是汽车驾驶员与车轮之间的一根装置，它是汽车转向的媒介。转向管柱的质量和安全设计，对汽车驾驶员的
行车安全有着至关重要的作用。在汽车行驶过程中，一个较高速度的
碰撞，往往会引起转向管柱断裂，给驾驶员造成严重的伤害甚至致命。因此，安全可靠的转向管柱设计变得格外重要。
碰撞安全设计的要素
转向管柱材料的选择
转向管柱通常使用钢材或铝材制作，其中钢材转向管柱具有更高的
强度和耐腐蚀性，因此在大多数情况下，钢材转向管柱被视为更好的
选择。在材料选择时，还要考虑如何减轻转向管柱的重量，以便减少
驾驶员在碰撞中的伤害，同时增加汽车的燃油效率。
转向管柱吸能设备的使用
在汽车碰撞时，转向管柱承受的力量相当大，需要通过吸能装置来
消耗碰撞能量，并将驾驶员的撞击力减少到最低水平。吸能设备通常
使用可压缩的材料，如泡沫碎片和聚乙烯塑料来实现吸能工作。在设
计吸能装置时，需要考虑吸能装置的大小和形状，以及吸能装置与转
向管柱的连接方式。
转向管柱的强度和刚度
转向管柱的强度和刚度对汽车驾驶员的安全至关重要。强度是指转向管柱抵抗断裂的能力，刚度是指转向管柱抵抗弯曲和扭曲的能力。在设计转向管柱时，需要考虑转向管柱的跨度、壁厚和直径，以确保其具有足够的强度和刚度。
转向管柱的位置和安装
在汽车设计中，转向管柱的位置和安装必须考虑到驾驶员的人体工程学因素和空间因素。为了最大限度保护驾驶员的安全，需要将转向管柱放置在驾驶员身体的中心线上，并确保转向管柱不会造成额外的伤害。在安装转向管柱时，还需要确保其正确的固定和调整。
碰撞测试的模拟与验证
在设计和制造新的转向管柱时，必须对其进行碰撞测试，以模拟不同碰撞情况下的驾驶员安全性能。这些测试可以帮助设计人员优化转向管柱的材料、结构和安装，以确保其满足国家和行业标准的要求，并减少驾驶员受伤的风险。
结论
转向管柱的碰撞安全设计是汽车行业中的一个重要领域，也是一项具有挑战性的设计任务。在设计转向管柱时，设计人员需要考虑到材料、吸能设备、强度和刚度、位置和安装等多个因素，并对转向管柱进行碰撞测试和验证，以确保其安全可靠。在未来，随着汽车技术的
不断发展和人们对行车安全性能的要求不断提高，碰撞安全设计方面的研究和创新将变得更加重要和紧迫。
汽车转向管柱设计概述 转向系统是汽车底盘的重要系统之一，其中转向管柱是转向系统的重要部件，使驾驶员作用在转向盘上的力矩通过管柱、转向机、转向横拉杆等部件转化为车轮的运动，实现车辆转向的目的。目前转向管柱的主要形式有液压助力、电动助力。文章主要介绍转向系统中的转向管柱开发策略，根据不同车型特点，提出在开发过程中应注意的事项。 标签：转向系统；转向管柱；液压助力；电动助力 前言 转向管柱是车辆转向系统中的重要部件。它的主要作用是通过驾驶员作用在方向盘上的扭矩，使方向盘的转动通过转向管柱及转向机、横拉杆、万向节等部件转化为车轮转动，实现车辆转向。随着安全性的要求逐步提升，转向管柱还要承担二次碰撞中溃缩和能量吸收作用，以保护乘员的安全。文章主要介绍转向系统中的转向管柱开发策略，提出了转向管柱特点及应注意的事项。 1 转向管柱开发的方向 现代转向管柱集功能与节能环保为一体。随着技术的不断发展，电动助力转向EPS日趋成熟，分为转向管柱式电动助力、齿轮轴式电动助力及齿条轴式电动助力。其中带有助力电机的转向管柱式电动转向模式己经被逐步应用，该种方式是将助力电机安装在转向管柱上，电机的助力和驾驶员操纵力矩通过中间轴作用在转向机小齿上。其最大优点是电机、ECU、减速机构等都安装在驾驶舱内，部件的工作环境较好。但由于所有助力都将通过转向管柱传递到转向小齿轮和齿条上，转向管柱自身的受力较大，导致其助力的大小受到限制。 2 转向管柱的功能特征 在确定开发方向采用机械式转向管柱后，需要确定管柱需实现的功能。逆向设计不但可以减短开发周期，而且可以借鉴一些成熟的经验。所以根据车型转向管柱布置硬点，通过借鉴市场上己有的成熟的结构进行开发。在管柱开发中，针对多款竞争车型的产品进行样件分析，给出了分析报告，以全面了解转向管柱所应具有的功能（如表1所示）。 对标杆车型管柱对比分析，调节方式有手动调节和电动调节。电动调节开发周期长，费用高。轴向调节范围多在±25mm范围，角度调节在±30mm范围。中间轴多采用可滑动式，部分中间轴增加缓冲联轴节等阻尼元件以提升NVH性能。通过分析结果，整车布置要求以及整车竞争策略，制定出转向管柱产品的结构特征表（如表2所示）。 另外，针对SUV车型，由于其车身结构分承载式和非承载式两种，对转向
转向管柱吸能结构介绍 【摘要】简要介绍ZG373A转向管柱在整车发生碰撞时，为保护驾驶员生命安全的三级吸能功能。 【关键词】转向管柱；三级吸能功能 可变倾角转向管柱，它是连接方向盘和转向器的传动元件，并传递它们之间的转矩，转向管柱安装在车身上，支撑着方向盘。汽车在行驶过程中经常需要改变行驶方向，它将司机转动方向盘的动作转变为车轮的偏移动作，同时通过组合开关和点火开关满足了驾驶员对灯光及汽车点火电器系统的控制要求。 1.管柱的三级吸能功能 当汽车发生正撞时，碰撞能量使汽车的前部发生塑性变形，位于汽车前部的转向管柱在碰撞力的作用下要向后即驾驶员胸部方向运动。这种运动的能量应通过转向管柱以机械的方式予以吸收，防止或减少其直接作用于驾驶员身上，造成人身伤害。另一方面，在汽车发生正碰时，驾驶员受惯性的影响有冲向方向盘的运动。驾驶员本身的运动能量一部分由约束装置如安全带、气囊等加以吸收，另一部分传递给方向盘和转向管柱系统。这部分能量也要通过方向盘及转向管柱系统予以吸收，以防止超出人体承受能力的碰撞力伤害驾驶员。除了能满足转向管柱常规的功能外，在汽车发生正面碰撞时，能够有效地吸收碰撞能量，防止或减少碰撞能量伤害驾驶员的转向管柱称为吸能式转向管柱。 发生碰撞时，碰撞能量使汽车前部发生塑性变形，安装在汽车前部与转向器输入端相联的转向中间轴在碰撞力的作用下向后运动。隔绝首次碰撞的影响可由转向中间轴来完成。碰撞继续发展，碰撞力作用在转向管柱的下端，使转向管柱向后移动；同时驾驶员在本身的惯性作用下冲向方向盘。尽管驾驶员本身有约束装置如安全带、气囊的约束，仍有一部分能量要传递给转向管柱系统。吸收二次碰撞能量和驾驶员的部分惯性能量是吸能式转向管柱设计的目的。 套管吸能式转向管柱的工作原理：当汽车以一定速度的发生正面碰撞时，碰撞力首先使与车身联接的固定支架上的注塑尼龙销剪断，使吸能式转向管柱从车身上脱落下来。大约在3-5ms后，接着转向轴组成注塑尼龙销被剪断（根据尼龙销直径的大小，确定剪切力的数值），转向轴组成发生溃缩；同时，转向管柱的内、外套管被压缩，内、外套管的配合方式是点接触的挤压变形，起到吸收碰撞能量的作用。而在整个过程注塑尼龙销被剪断后以及套管在溃缩过程中，都与配合面有摩擦接触，此时的摩擦力起缓冲作用，减少对驾驶员的伤害。 ZG373A转向管柱总成发生碰装时，吸能结构的工作原理： （1）车辆发生碰撞时，由于惯性的作用使驾驶员向前倾，通过方向盘传递给转向管柱上支架向下运动的力，当力达到一定程度时塞座与支架间连接用塑料
汽车与交通学院 课程大作业说明书 课程名称: 车辆工程专业工程技能实践 课程代码: 106010429 题目:汽车溃缩式转向柱的改进方案计划年级/专业/班: 2012 级/车辆工程/汽设3班 学生姓名: 张明银 学号: 312012********* 开始时间: 2015 年 04 月 13 日 完成时间: 2015 年 06 月 19 日 学习态度及平时成绩（30）技术水平与实际 能力（20） 创新（5） 说明书（计算书、图纸、分 析报告）撰写质量（45） 总分 （100） 指导教师签名：年月日
目录 摘要 ···············································································错误!未定义书签。 1. 引言 ···········································································错误!未定义书签。 2. 转向柱安全相关法规 ······················································错误!未定义书签。 3. 工作原理····· ································································错误!未定义书签。 3.1 溃缩式转向柱 ····························································错误!未定义书签。 3.2 能量吸收式转向柱·················· ····································错误!未定义书签。 3.3 改进结构--吸能溃缩式转向柱 ········································错误!未定义书签。 4. 转向柱安装角度的影响 ···················································错误!未定义书签。 5. 结束语 ········································································错误!未定义书签。致谢 ············································································错误!未定义书签。参考文献 ·········································································错误!未定义书签。
转向管柱的碰撞安全设计 背景简介 转向管柱（steering column）是汽车驾驶员与车轮之间的一根装置，它是汽车转向的媒介。转向管柱的质量和安全设计，对汽车驾驶员的 行车安全有着至关重要的作用。在汽车行驶过程中，一个较高速度的 碰撞，往往会引起转向管柱断裂，给驾驶员造成严重的伤害甚至致命。因此，安全可靠的转向管柱设计变得格外重要。 碰撞安全设计的要素 转向管柱材料的选择 转向管柱通常使用钢材或铝材制作，其中钢材转向管柱具有更高的 强度和耐腐蚀性，因此在大多数情况下，钢材转向管柱被视为更好的 选择。在材料选择时，还要考虑如何减轻转向管柱的重量，以便减少 驾驶员在碰撞中的伤害，同时增加汽车的燃油效率。 转向管柱吸能设备的使用 在汽车碰撞时，转向管柱承受的力量相当大，需要通过吸能装置来 消耗碰撞能量，并将驾驶员的撞击力减少到最低水平。吸能设备通常 使用可压缩的材料，如泡沫碎片和聚乙烯塑料来实现吸能工作。在设 计吸能装置时，需要考虑吸能装置的大小和形状，以及吸能装置与转 向管柱的连接方式。
转向管柱的强度和刚度 转向管柱的强度和刚度对汽车驾驶员的安全至关重要。强度是指转向管柱抵抗断裂的能力，刚度是指转向管柱抵抗弯曲和扭曲的能力。在设计转向管柱时，需要考虑转向管柱的跨度、壁厚和直径，以确保其具有足够的强度和刚度。 转向管柱的位置和安装 在汽车设计中，转向管柱的位置和安装必须考虑到驾驶员的人体工程学因素和空间因素。为了最大限度保护驾驶员的安全，需要将转向管柱放置在驾驶员身体的中心线上，并确保转向管柱不会造成额外的伤害。在安装转向管柱时，还需要确保其正确的固定和调整。 碰撞测试的模拟与验证 在设计和制造新的转向管柱时，必须对其进行碰撞测试，以模拟不同碰撞情况下的驾驶员安全性能。这些测试可以帮助设计人员优化转向管柱的材料、结构和安装，以确保其满足国家和行业标准的要求，并减少驾驶员受伤的风险。 结论 转向管柱的碰撞安全设计是汽车行业中的一个重要领域，也是一项具有挑战性的设计任务。在设计转向管柱时，设计人员需要考虑到材料、吸能设备、强度和刚度、位置和安装等多个因素，并对转向管柱进行碰撞测试和验证，以确保其安全可靠。在未来，随着汽车技术的
汽车转向管柱设计概述 汽车是我们日常生活中必不可少的交通工具，它的转向系统是整个车辆的重要组成部分。其中，转向管柱是汽车转向系统中至关重要的组件之一。本文将深入探讨汽车转向管柱的设计原理及其作用。 一、汽车转向管柱的概述 汽车转向管柱是连接方向盘和转向齿轮箱的重要部件。它位于车辆的前部机舱内，translate出来的意思是“转向管柱”， 这是汽车转向系统的中心部分。下面，我们将针对它的工作原理和重要构成部分进行详细讲解。 二、汽车转向管柱的工作原理 在汽车中，转向管柱的作用是用来传递驾驶员的方向盘输入，将其变成精确的车轮转向，控制汽车行驶方向。当驾驶员转动方向盘时，方向盘杆就会发生移动，在管柱中进行传输，最终到达转向齿轮箱。转向齿轮箱会转动前轮的方向并给发动机启动器供电，进而启动车辆。 三、汽车转向管柱的重要构成部分 汽车转向管柱由多个构成部分组成，这些部分因车型而异。这里，我们将为大家介绍汽车转向管柱的重要部分。 1.方向盘
方向盘是驾驶员控制汽车方向的主要部件，它位于驾驶员的前方。方向盘可以左右旋转，通过转向管柱的传动，将驾驶员的输入信号转化为车轮转向。方向盘可以根据驾驶员的需要进行调整，以达到最舒适和最安全的驾驶状态。 2.转向管柱轴 转向管柱轴是转向系统中最重要的部件之一。它连接方向盘和转向齿轮箱，并传输驾驶员的方向盘输入信号。转向管柱轴还需要具备一定的强度和硬度，以承受高速行驶产生的剧烈冲击和扭力。 3.转向管柱支架 转向管柱支架是固定转向管柱轴的主要部分。这个部件必须具备足够强度和稳定性，因为它需要承受车轮方向的巨大压力和扭力，同时还要保证驾驶员方向盘输入信号的精确传输。 四、汽车转向管柱的设计原则 汽车转向管柱的设计必须符合一定的原则，以确保其可靠性和稳定性。下面，我们将为大家介绍汽车转向管柱设计的主要原则。 1.强度要求 转向管柱需要具备较高的强度和刚度，以推动车轮的转向。在设计转向管柱时，制造商会考虑固定支架的尺寸和材质、管柱的截面形状和材质等因素，以满足强度要求。 2.灵活性和精度要求
机械转向管柱技术条件 一、结构与设计 机械转向管柱是汽车转向系统中的重要部件，其主要功能是传递驾驶员的转向动作，使车辆按照驾驶员的意愿进行转向。其结构通常包括转向轴、管柱壳体、转向盘、转向轴衬套、锁紧螺母等。 设计时应考虑转向管柱的强度、刚度、耐久性、安全性等因素，确保其在各种工况下都能正常工作。同时，应考虑转向盘的转动范围、转向力矩等因素，以确保驾驶员能够轻松、准确地控制车辆的转向。 二、材料与制造 转向管柱的材料通常为金属材料，如铝合金、钢等。制造过程中应保证材料的质量和性能符合相关标准，同时确保制造过程的精度和质量。例如，铝合金材料需要进行热处理、表面处理等工艺，以保证其强度和耐腐蚀性。 三、性能要求 1.转向管柱应具有足够的强度和刚度，以承受车辆行驶过程中的各种载荷和 应力。 2.转向管柱应具有较高的耐磨性和耐腐蚀性，以适应车辆在不同环境下的行 驶。 3.转向管柱的转动应灵活、平稳，无卡滞现象，以确保驾驶员能够准确控制 车辆的转向。 4.转向管柱的结构应紧凑、合理，便于安装和维护。 四、试验方法 1.强度试验：通过模拟实际工况下的载荷和应力，对转向管柱进行加载试验， 以检验其强度和刚度是否符合要求。 2.耐久性试验：通过长时间或高频率的转动试验，检验转向管柱的耐磨性和 耐腐蚀性。
3.转动性能试验：通过模拟驾驶员的实际操作，检验转向管柱的转动是否灵 活、平稳。 4.安装与调试试验：在实际车辆上进行安装和调试，检验转向管柱的安装是 否方便、调试是否准确。 五、检验规则 1.转向管柱出厂前应进行全面检验，包括外观、尺寸、性能等方面。 2.每批产品应进行抽样检验，抽样比例根据产品的重要性和生产数量确定。 3.如有质量问题，应立即停止生产并进行整改，整改合格后方可继续生产。 4.定期对生产线进行质量检查和评估，确保生产过程的稳定性和质量的一致 性。 六、标志、包装、运输、贮存 1.转向管柱上应有明显的标识，包括产品名称、规格型号、生产日期等信息。 2.包装应采用防震、防潮、防尘等措施，确保产品在运输过程中不受损坏。 3.运输过程中应避免剧烈振动和冲击，确保产品安全到达目的地。 4.贮存环境应干燥、通风良好，避免阳光直射和高温环境。 七、安装与调试 1.安装前应对转向管柱进行检查，确保其外观完好、无损伤。 2.根据车辆的具体情况选择合适的安装位置和固定方式，确保转向管柱的稳 定性和安全性。 3.安装完成后应对转向管柱进行调整和测试，确保其转动性能良好且无卡滞 现象。
转向管柱总成百科 汽车转向管柱总成，包括上柱管、下柱管、上转向轴、下转向轴、上安装支架和下安装支架，下柱管的上端部套接在上柱管的下端部内，上转向轴设置在上柱管内，下转向轴设置在下柱管内，上转向轴和下转向轴通过花键连接，上安装支架与上柱管的中部焊接在一起，下安装支架与下柱管焊接在一起，下转向轴为两端直径大，中部直径小的柱状结构，在下转向轴中部直径小的轴端沿轴向和周向焊接若干金属弹片，弹片的周向高出下转向轴两端大直径部分，下转向轴两端大直径部分均设置有花键槽。不仅转向管柱吸能效果好，而且溃缩后还能继续转向，安装支架还能在碰撞后够吸收部分能量。 目录• 1. 转向管柱总成分类• 2. 汽车转向管柱总成组成• 3. 转向管柱总成异响 1 转向管柱总成分类 汽车转向管柱及传动轴总成是安装在方向盘与转向器之间的连接部件。主要用于控制汽车行进方向、传递扭矩、吸收汽车撞击时的能量。为满足驾驶者舒适度要求，转向管柱上下及前后方向可以调节，与点火锁安装连接后，可以实现汽车的防盗锁车功能。 根据产品工作原理可分为：机械式和电动助力式转向管柱两种。 按照结构型式可分为：普通式、溃缩吸能式、机械可调倾角式及电动可调升降式。 2 汽车转向管柱总成组成 汽车转向系统分为两大类：机械转向系统和动力转向系统。 其中基本的机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。 机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组
成。 3 转向管柱总成异响 转向泵异响主要原因可能是由于整个转向系统内部清洁度差及泵在过度疲劳的情况下运转及系统之间的匹配等问题。在排除故障前，应首先检查整个转向系统的清洁度。 故障原因分析： （1）油杯油面过低，系统有漏油或动力转向系统中有空气。 （2）油杯内的滤芯脏造成转向泵吸油不良。 （3）转向系统内部清洁度差，造成内部零件过度磨损。 （4）油管在有堵塞、弯折或产生共振及进出油不畅现象。 （5）转向系统因过度负荷运转，造成转向泵内部的定、转子过度磨损，从而造成泵内的油液不规则运动从而产生异响声。 （6）转向器、转向泵安装出现松动，转向器内部磨损及齿轮、齿条调整不当。 （7）若系统间各部件间的匹配不合理，易造成管路振动，泵异响，转向失效等故障现象。例：若管路减振效果不好，易造成转向高压油管强烈振动，泵异响，转向失效等故障。
汽车碰撞安全性设计及措施 汽车结构缓冲与吸能措施 尽管“二次碰撞”是造成人体损伤的直接原因，但是“一次碰撞”在很大程度上决定了“二次碰撞”的剧烈程度，因此“一次碰撞”对人体损害有很大影响。控制好“一次碰撞”，对减少人体损伤有重要意义，合理设计汽车结构的缓冲与吸能特性是控制好“一次碰撞”的关键。汽车可分为两类区域，即乘员安全区（A区）和缓冲吸能区（B区）。 很显然，仅从乘员不被汽车碰撞变形后产生挤压受伤的角度看，乘员安全区在碰撞中的变形越小越好。要使A区变形小，就要求缓冲吸能区（B区）有较大的总体刚度，但B区的刚度过大又会影响汽车的缓冲吸能性能。从缓冲吸能角度看，B区的刚性应足够小，变形应足够大，这就导致了A区变形小与B区变形大的矛盾。 为解决这一矛盾，B区必须设计成“外柔内刚”式的结构，即B区与A区交界处设计成具有较大刚性的结构，而在B区外围设计成具有较小刚性和较好缓冲吸能的结构。由于汽车的结构特点所限，B区抗侧向和上方的碰撞能力较差，而抗前撞和尾撞的能力相对较好。 如前所述，由于汽车轮胎的作用和受汽车底部结构刚性较大的保护，所有汽车抗击来自下方的冲击能力很强，而且，除非汽车坠崖，来自下方的碰撞冲击力一般也较小，所以一般不考虑针对下方冲击载荷的缓冲和吸能。 针对汽车前撞和尾撞的缓冲吸能机构，一般多采用不同截面形状的金属薄壁吸能管，如：矩形截面点焊式，矩形截面缝焊式，三角形截面缝焊式。这类薄壁吸能管在经受一定的轴向载荷后便会产生折叠式的塑性变形，从而消耗大量碰撞动能，达到缓冲目的。通过改变吸能管的截面形状、尺寸、壁厚和材料特性等参数，就能使其具有不同的缓冲吸能特性，从而满足不同汽车结构和性能的要求。尽管薄壁吸能管已成为国内外前撞和尾撞缓冲吸能的主要结构措施，但汽车其他结构的缓冲吸能性能也不容忽视，如车身骨架和覆盖见等在前撞和尾撞中都有重要的缓冲和吸能作用。 对于侧撞而言，缓冲吸能结构的设计相对麻烦，其中最大的问题在于即使有足够好的材料来制作缓冲吸能结构，但能用于缓冲和吸能的区间却十分有限。从理论上讲，现有的大多数汽车结构设计都难以提供能与前撞和尾撞耐撞性能相比的耐侧撞性能。现在常用的改进抗侧撞性能的方法主要包括两个方面，即增加B区两侧的厚度和加大B区两侧的内部刚度。值得提出的是，如果突破传统的汽车底盘设计思路，有可能从本质上改善汽车的抗侧撞性能。如车轮按菱形布置的汽车就因为车轮能抗击侧撞变形具有特别优良的抗侧撞特性。 如果汽车在碰撞中发生翻滚，就可能受到车顶方向的冲击载荷。由于车顶方向的刚度很低，这种载荷很容易造成乘员安全区的大变形。要改善这一方向的刚度特性主要靠加强车辆A 柱、B柱和C柱的刚度以及顶棚的刚度，但由于顶棚的结构厚度受到汽车总体尺寸和总质量的限制，车顶棚的刚度增加是非常有限的。但是，即使发生翻车，作用在车顶棚上的冲击载荷一般也比正撞和侧撞时作用在汽车上的冲击载荷小的多，因而车顶棚的刚度可以比其他部位的刚度小很多。 合理设计汽车的结构，以使乘员安全区在变形尽可能小的情况下获得优良的缓冲与吸能性能，是汽车碰撞安全性设计与改进的基本目标。 车内乘员保护措施 为减轻“二次碰撞”给人体造成的伤害，车内乘员碰撞保护措施越来越被重视，且其性能也在不断提高。车内乘员碰撞保护措施主要包括安全带、安全气囊、安全转向系统、安全座椅和仪表板等。 安全带的作用是使乘员在汽车碰撞时不飞离座椅与汽车内饰件发生剧烈碰撞。。当汽车受到碰撞载荷后，人体作用在安全带上的力使安全带的运动速率超过一定的阀值后，安全带系统的锁紧机构发生锁止，限制安全带继续抽出，从而达到约束乘员运动的目的。由于汽车
转向管柱的碰撞安全设计 依据GB 11557《防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定》3.1及3.2要求：不装人体模块的整备车辆以48.3～53.1 km/h之间的车速正面撞击障碍壁时，转向柱管和转向轴的上端同意沿着平行于汽车纵向中心线的水平方向向后窜动，但其窜动量不得大于127 mm〔在动态下测量〕；人体模块以24.1+12 km/h的速度水平撞击转向盘时，作用在转向盘上的水平力不得大于11123N，因此，对转向盘及转向管柱提出了安全方面的要求。 图1所示为某车型转向管柱总成结构，转向管柱的安全制定体现在吸能和溃缩两个方面，最终目的是减少对驾驶员的伤害，正面碰撞时方向盘、转向管柱和转向器组成的转向系统对驾驶员造成的损伤占到驾驶员损伤的46%。关于转向系统对人的伤害来自于方向盘和转向管柱。造成人员伤害的部位集中在头部、胸部及腿部。所以，采用措施是碰撞时转向系零部件的塑性变形、弹性变形以及某些零部件互相分开不能传递运动和力或者利用零部件之间的摩擦来汲取冲击能量。因此，如何使管柱实现溃缩吸能要求，以保护乘员安全，对管柱的制定提出了要求，同时，为了满足相应的要求，管柱各部分的结构制定和选型是关键。
对转向管柱一般制定参数要求如下： 〔1〕压缩行程：转向柱及中间轴的可压缩行程150mm以上； 〔2〕转向柱系统的最小临界压缩力：1.1～2.5kN； 〔3〕转向柱断开联接盒分开力：联接盒每个注塑销的破坏力为500N，转向柱上每个可断开联接盒一般有2～4个注塑销； 〔4〕除了确保规定的轴向压缩力外，还要有足够的抗弯强度，以提升轴向吸能效果； 〔5〕压缩吸能部分上、下端有一定的强度和刚度差异，确保压缩吸能力的传递； 典型的缓冲吸能转向系统结构上包括方向盘、转向轴套管、转向轴、转向器以及当方向盘受到撞击时能够汲取冲击能量的其他元件等〔如图3所示〕。变形及溃缩部位分上节和下节〔中间传动轴及下传动轴〕两部分，一般以驾驶室前围为界限，可汲取来自于车前一次碰撞和来自于驾驶员的二次碰撞能。 〔a〕可压缩变形的转向柱 〔b〕可变形支架 转向管柱的上节溃缩结构繁多，但大都利用摩擦力、剪断力和变形力来汲取能量，轴向变形常用到的机构有花键轴及花键套式、尼龙销式、钢珠滚压式和套管挤压吸能式等，中间传动轴及下传动轴的结构常用的有花键式、波纹管式、胶盘式或多种结构配合。 由于转向管柱溃缩及吸能主要在轴向方向，而关于部分车型由
转向管柱在整车碰撞中的分析与改进 作者：郑宇王迪 来源：《科学导报·学术》2020年第40期 摘;要：转向管柱作为汽车转向系统的重要部分，其独特的性能与设计对整车的操纵性造成了很大的影响，在整个控制过程中发挥了巨大作用。在汽车碰撞的测试之后，转向管柱出现了性能不足等问题，其运动速度以及相关的性能，需要在实际操作中进行进一步的分析与优化，以提升转向管柱的利用性，发挥其在整车操纵中的作用。 关键词：转向管柱;整车碰撞;转向系统;设计优化 汽车底盘的系统构成有多个要素，其中最重要的便是转向系统，转向系统对车辆转向以及整车的实际操作都具有重要影响。在整车操纵的过程中，良好的转向系统能够发挥其自身的性能优越性，保证汽车行驶的安全，同时系统的灵活性以及特有的转向管柱，也能够在汽车整车碰撞过程中起到一定的安全防护作用。 一、转向管柱在汽车碰撞中的作用 1.1转向管柱的工作原理 转向系统是汽车系统的重要组成部分，也是汽车的重要工作系统，转向系统的良好运行能够让汽车的优越性得到充分的发挥，让汽车的速度以及方向转变都更加灵活，也更加符合人员需求。在具体的转向系统构成中，转向管柱是非常重要的，在转向行驶的关键环节中，便是转向管柱在发挥作用。这一构成要素，对汽车的操纵性以及稳定性都会造成重要的影响这一构成要素，对汽车的操纵性以及稳定性都会造成重要的影响，也是影响转向轮之间的协调关系，进行人车互动的关键。 转向管柱的工作原理便是将方向盘和转向器之间进行有效的连接，发挥各个系统之间的转向作用，同时将这些作用传递到驾驶员手中，是人车之间能够进行有效的配合，将方向盘的输入转矩，也在转向系统中进行合理的优化，从而促使齿轮的移动，进而对整车的运动进行良好的控制，进行方向和速度上的把握。 1.2转向管柱在汽车碰撞中的性能发挥 1.2.1控制整车方向，实现及时转向
基于HyperMesh驾驶室碰撞结构优化 作者：文/ 陈崇山邱宗金路云飞 来源：《时代汽车》 2020年第23期 陈崇山邱宗金路云飞 东风柳州汽车有限公司广西柳州市 545000 摘要：本文利用HyperWorks对某商用车驾驶室本体进行结构优化，提升驾驶室结构强度，优化其传递路径，降低驾驶室在各种碰撞工况下入侵量，以保证驾驶室有足够的生存空间；最 终实现驾驶室满足ECE R29-03碰撞法规要求。 关键词：商用车驾驶室碰撞 HyperWorks ECE R29-03 Optimization of Cab Collision Structure based on HyperMesh Chen Chongshan，Qiu Zongjin，Lu Yunfei Abstract： This paper uses HyperWorks to optimize the structure of a commercial vehicle cab body, enhance the strength of the cab structure, optimize its transmission path, and reduce the amount of cab intrusion under various collision conditions to ensure that the cab has enough living space, so that the cab meets the requirements of ECE R29-03 collision regulations. Key words： commercial vehicle, cab, collision, HyperWorks, ECE R29-03 1 引言 随着GB 26512-2011《商用车驾驶室乘员保护》强制法规的实施，法规中关于驾驶室碰撞 要求完全与欧洲ECE R29-03版碰撞法规要求一致，对国内现有市场上在售的商用车驾驶室是个极大的挑战。目前国内市面上在售的商用车基本上都是十年前的产品，虽然期间历经改款改型，但大都是未改动驾驶室的本体的结构，仅仅是内外饰的一些改头换面，因为驾驶室碰撞安全性 能还停留在十几年前的水平，要满足新的升级法规要求，必然需对驾驶室关键受力件及其连接 部分进行适应性结构优化[1]。 2 优化前驾驶室碰撞试验 2.1 碰撞法规升级说明 根据最新ECE R29-03碰撞法规要求，针对总质量7.5吨以上的N2类和N3类卡车，其正面摆锤试验打击能量由原来的44.1KJ增加到55KJ，增幅24.7%，顶部压溃试验前增加了斜面冲压，冲压能量为176.KJ。同时增加了双A柱摆锤试验，打击能量为29.4KJ。图1为ECE R29碰撞法规升级前面的简明对比[2]。
转向管柱带中间轴总成 设计指南 底盘部
图1 转向管柱带中间轴总成示意图 1.概述 转向管柱带中间轴总成是连接转向盘与转向机的传动机构。 它基本上有两部分组成：一部分是转向管柱总成，另一部分是中间轴总成。它的作用是将作用在转向盘上的手力传递给转向机，并将转向轮受到的力和冲击回传到转向盘使驾驶员能够感知路面情况，对汽车采取正确的操控。 转向管柱上一般固定有方向盘、时钟弹簧、组合开关、点火开关以及组合开关护罩等件，所以设计时要做好各件配合部分的尺寸链计算。 从结构方面可以分为可调转向管柱和不可调转向管柱，可调转向管柱一般分角度可调、高度可调以及角度和高度均可调三种。 2.转向管柱带中间轴总成的布置要求 2.1空间角度要求 整车布置时考虑到人机工程以及为了避免与其他件干涉，转向管柱与中间轴总成布置时存在空间角度，即转向芯轴中心线、中间轴中心线、转向机输入轴中心线形成的空间角度，它们形成的夹角影响力矩波动和传动效率。 转向芯轴中心线与中间轴中心线形成的角度为β1 中间轴中心线与转向机输入轴中心线形成的角度为β2（如图2所示） 对于多段式空间布置的传动轴形式，我们首先考虑相邻三段轴的计算，按照下列公式可求得相邻三段的等效夹角：
β e 2 ＝（（β 1 2 -β2 2⨯cos 2（2（ψα+）））2+β2 4⨯sin 4（2（ψα+）））21 1β―――输入轴（转向芯轴）与中间轴夹角 2β―――中间轴与输出轴（转向机输入轴）夹角 α―――输入轴（转向芯轴）和中间轴所在平面与中间轴和输出轴（转向机输入轴）所 在平面的夹角 ψ―――中间轴相位角 e β―――等效夹角 为了达到最佳的传动性能，等效夹角βe 应尽可能小，从上式可以看出，当α+ψ＝0时，等效夹角βe 取得最小值(β12 - β22 )1/2，也即是说ψ＝－α为中间轴下端连接叉的最佳相位角，在把传动轴调整到最佳相位角的基础上，三段式的传动轴可以简化成下式计算： e β= (|β 1 2-β 2 2|)21 a.对传动效率的影响 为了获得较高的传动效率，要求1β、2β锐角小于等于0 30，此角度越小越好。 图2 夹角示意图 b.对力矩波动的要求 力矩波动影响到驾驶员对转向系统的感觉，尤其原地打方向，驾驶员对力矩波动比较敏感，力矩波动越小越好。 主动轴、从动轴力矩分别为M 1和M 2，则 M m ax 2 = M 1 / cos （m in e β）
实验一：可分离式汽车转向操作机构设计 与三维CAD建模分析实验报告 一、实验过程说明 1、引言 随着社会经济和汽车工业的发展，汽车变得越来越普及。汽车转向管柱作为驾驶员操控汽车的重要部件，其安全性和可靠性显得尤为重要。在汽车行驶的过程中，任何来自转向管柱的异响、卡滞和变形过大都会给驾驶员造成很大的心理压力，影响行车安全。转向管柱主要包括转向轴总成、上柱管、管柱支架、紧定螺栓、拉脱锁、下柱管、下支架、旋铆销轴、锁定手柄等。转向轴总成通常是上端加工有连接花键，用来安装方向盘；下端焊接有万向节总成，与转向器连接，实现转向扭矩的传递。上、下柱管装配在一起，通过管柱支架和下支架安装在车架上。拉脱锁与管柱支架通过注塑装配在一起。 它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。同时装有转向柱管安全装置和方向盘位置调节装置，分别是用于当转向轴受到巨大的冲击时产生轴向位移，使支架或支撑塑性变形来吸收冲击能量，防止驾驶人员因转向机构原因而受伤；以及因驾驶员身高不同，把握方向盘时要调整方向盘的高度来达到安全舒适的状态。转向操作机构是汽车上不可或缺的一部分，其工作可靠性直接影响行驶安全。 本实验是根据机械原理，参考大众新桑塔纳转向操作机构参数，设计了转向操作机构的传动机构和动力机构。并运用本课程所学的知识，基于UG建模软件对转向操作机构的机构零件进行结构设计和优化，然后运用ADAMS运动学仿真软件对转向操作机构进行仿真分析以及动画整理，对相关的参数进行分析，终完成本转向操作机构的简易设计。
2、可分离式机构设计方案与参数计算 （1）设计方案 根据网上查找的资料，转向吸能装置的设计方案一般有如下几种： ①可分离式 机构简图如图2.1所示。此类转向操纵机构的转向管柱分为上下两段，当发生撞车时，上下两段相互分离或相互滑动，从而有效地防止转向盘对驾驶员的伤害，但转向机构本身并不包含吸能装置。 ②网格管、波纹管变形吸能式 机构简图如图2.2所示。其转向操纵机构的转向轴和转向管柱都分成两段，上转向轴和下转向轴之间通过细花键结合并传递转向力矩，同时它们二者之间可以作轴向伸缩滑动。在下转向轴的外边装有波纹管，它在受到压缩时能轴向收缩变形并消耗冲击能量。它的下转向管柱的上端套在上转向管柱里面，但二者不直接连接，而是通过管柱压圈和限位块分别对它们进行定位。当汽车撞车时，下转向管柱向上移动，在第一次冲击力的作用下限位块首先被剪断并消耗能量，与此同时转向管柱和转向轴都作轴向收缩。当受到第二次冲击时，上转向轴下移，压缩波纹管使之收缩变形并消耗冲击能量。 ③钢球滚压变形式 机构简图如图2.3所示。其结构分为转向管柱上下两段，上转向管柱比下转向管柱稍细，可套在下转向管柱的内孔里，二者之间压入带有塑料隔圈的钢球。隔圈圈起钢球保持架的作用，钢球与上下转向管柱压紧并使之结合在一起。在撞车时，上下管柱在轴向相对移动，这时钢球边转动边在上下转向管柱的壁上压出沟槽，从而消耗了冲击能量。 ④支架变形缓冲式 机构简图如图2.4所示。发生碰撞时，转向器向后移动，下转向传动轴插入上转向传动轴的孔中，上转向传动轴被压扁，吸收了冲击能量。此外，转向管柱通过支架和U形金属板固定在仪表板上。当驾驶员身体撞击转向盘后，转向管柱和支架将从仪表板上脱离下来向前移动。这时，一端固定在仪表板上而另一端固定在支架上的U形金属板就会产生扭曲变形并吸收冲击能量。
总布置篇 第×章底盘布置 底盘布置是下车身布置的重要环节，也是平台选择的首要任务。在项目策划初期就要进行底盘的布置，为底盘设计提供输入。 1.1 悬架结构型式和特点 汽车悬架按导向机构形式可分为独立悬架和非独立悬架两大类。独立悬架的车轮通过各自的悬架和车架（或车身）相连，非独立悬架的左、右车辆装在一根整体轴上，再通过其悬架与车架（或车身）相连。 图1 非独立悬架与独立悬架示意图 1.1.1 独立悬架 主要用于轿车上，在部分轻型客、货车和越野车，以及一些高档大客车上也有采用。独立悬架与非独立悬架相比有以下优点：由于采用断开式车轴，可以降低发动机及整车底板高度；独立悬架孕育车轮有较大跳动空间，而且弹簧可以设计得比较软，平顺性好；独立悬架能提供保证汽车行驶性能的多种设计方案；簧载质量小，轮胎接地性好。但结构复杂、成本高。独立悬架有以下几种型式： 1.1.1.1 纵臂扭力梁式 是左、右车轮通过单纵臂与车架（车身）铰接，并用一根扭转梁连接起来的悬架型式（如图2所示）。
图2 扭力梁式独立悬架 根据扭转梁配置位置又可分为（如图所示）三种型式。 图3 扭力梁式独立悬架的三种布置形式 汽车侧倾时，除扭转梁外，有的纵臂也会产生扭转变形，起到横向稳定杆作用。若还需更大的悬架侧倾叫刚度，仍可布置横向稳定杆。这种悬架主要优点是：车轮运动特性比较好，左、右车轮在等幅正向或反向跳动时，车轮外倾角、前束及轮距无变化，汽车具有良好的操纵稳定性。但这种悬架在侧向力作用时，呈过多转向趋势。另外，扭转梁因强度关系，允许承受的载荷受到限制，扭转梁式结构简单、成本低，在一些前置前驱汽车的后悬架上应用得比较多。 1.1.1.2 双横臂式 是用上、下横臂分别将左、右车轮与车架（或车身）连接起来的悬架型式（图4）。上、下横臂一般作成A字型或类似A字型结构。这种悬架实质上是一种在横向平面内运动，上、下臂不等长的四连杆机构。这种悬架主要优点是设定前轮定位参数的变化及侧倾中心位置的自由度大，若很好的设定汽车顺从转向特性，可以得到最佳的操纵性和平顺性；发动机罩高度低、干摩擦小。但其结构复杂、造价高。 双横臂式悬架的弹性元件一般都是螺旋弹簧，但是在一些驾驶员座椅布置在上横臂上方的轻型客、货汽车上，为了降低悬架空间尺寸，采用了横置钢板弹簧或扭杆弹簧结构（图5） 图5 双横臂式独立悬架 1.1.1.3 多连杆式
整车技术部设计指南16 第2章转向系统布置 2.1 简述 汽车转向系是用来保持或者改变汽车行使方向的机构，在汽车转向行使时，还要保 证各转向轮之间有协调的转角关系。驾驶员通过操纵转向系统，使汽车保持在直线或转 弯运动状态，或者使上述两种运动状态相互转换。 2.2 汽车转向系统的基本形式和特征 2.2.1 转向系的基本形式 可根据转向轮、转向器、转向杆系布置以及动力转向能源进行分类。 表 2.1 2.2.2 电动转向系统 电动转向系统直接利用电动机完成转向助力功能，它由转矩传感器、车速传感器、 控制器、电动机、电磁离合器和减速机构等组成。
整车技术部设计指南17 根据电动机布置的位置分为转向轴助力式、齿轮助力式、单独助力式及齿条助力式 四种形式。 a)转向轴助力式 该电动转向系统的电动机固定在转向轴一侧，由离合器与转向轴相连接，直接驱动 转向轴助力转向。如下图中所示。 b)齿轮助力式 该电动转向系统的电动机和离合器与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向。
整车技术部设计指南18 c)单独助力式 该电动转向系统的电动机和离合器固定在齿轮齿条转向器的小齿轮相对另一侧，单 独驱动齿条助力实现转向动作。 d)齿条助力式 该电动转向系统的电动机和与齿条为一体，电动机转动带动循环球螺母转动，使齿 条螺杆产生轴向位移，直接起助力转向作用。
整车技术部设计指南19 2.2.3 液压式助力转向系统的结构组成 液压式助力转向系统由：转向机、转向管柱、动力转向储液罐、转向泵、以及转向 管路等几部分组成。 储液罐转向泵 转向管柱 转向机 转向管路 图 2.1 2.3、布置设计应满足的基本要求 1）应满足整车最小转弯半径要求。 2）传动效率高，力矩波动小。 3）在发生碰撞的过程中能尽量保护乘员安全。 2.4、布置设计过程 2.4.1 转向梯形的确定 一般而言，在平台沿用的基础上，转向机构转向直拉杆内点B、C的位置，直拉杆 外点A、D的位置，优先考虑的是沿用原有平台车型的相关数据。如下图 2.2中所示。
汽车转向系统4796218624 在驾驶员看来，转向系统看起来是一种专门简单的系统。简单地向所期望方向转动方向盘，车辆那么做出与之相应的反应。现在的转向系统远非那么简单。转向系统涉及到许多部件，这些部件分布于扶握方向盘的手与支撑在路面上的前轮之间。所有这些部件共同构成转向系统。 一、系统操作说明 在驾驶员和前轮之间的部件系列中，方向盘处于第一位。方向盘连接到转向柱上端，经由中间轴或联轴节，转向柱接到位于下端的转向机上。当驾驶员转动方向盘，通过转向柱和中间轴将旋转运动传递到转向机上。 转向机今后自方向盘的旋转运动转换成所要求的横向(左右)运动，从而转动前轮使之转向适当的方向。在驾驶员完成转向后，轮胎和路面间的作用力有助于使车辆轮胎复原到正前方。 齿轮齿条转向机系统
二、转向系统组成 转向系统由下面零部件构成： ✧方向盘: 进行转向操纵 ✧转向管柱: 联接方向盘和转向机 ✧转向机: 变换来自方向盘的转向扭矩， 把它们通过转向传动机构传 给车轮并使车辆转向。 ✧转向传动机构: 转向传动机构是一种杆和臂 的组合件，通过这些杆和臂把 转向机的运动传送给左右前 车轮。 转向系统组成 三、转向系统类型 现在车辆上采纳两种类型的转向机： ➢整体式转向机 ➢齿轮齿条转向机 两种设计均能够装备手动转向机或动力辅助转向机，手动和动力辅助转向机的机械操作
原理类似。然而，动力辅助转向机利用液体压力来减轻驾驶员对方向盘施加的作用力。 1. 整体式转向机系统 多数后轮驱动车辆和绝大多数卡车连续采纳整体式转向机。在这些系统上，假如预备采纳动力辅助装置，那么转向机和阀总成将安装在整体装置中。 整体式转向机系统示意图 2. 齿轮齿条转向机系统 现在所有前轮驱动车型和某些后轮驱动车型均采纳了齿轮齿条系统。 齿轮、齿条是将方向盘旋转运动转换成横向运动的两个部件。转向轴连接到转向机的主动齿轮上，而主动齿轮和方向盘一起旋转。主动齿轮轮齿与齿条轮齿啮合，旋转的主动齿轮使得齿条左右移动。齿条横向作用力推拉转向横拉杆以改变车辆前轮的方向。 齿轮齿条系统具有以下优点： ➢ 重量较轻，改善了燃油经济性。 ➢ 空间利用率好，便于紧凑的设计。 ➢ 具有适应大量车辆技术规格设计的灵活性。 转向横拉杆 转向臂 随动转向臂 转向机总成 中间轴 中部拉杆 转向横拉杆