实验一：可分离式汽车转向操作机构设计.docx

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、旋挪销轴、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吋产生轴向 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制作，对相关的参数进行分析，终 完成木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儿种：① 可分离式机构简图如图2」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，但转向机构木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，它在受到压缩吋能轴向收缩 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 同定在支架上的U形金属板就会产生扭曲变形并吸收冲击能量下刃口 st枇曲tn*纳输晖转ifr*wieia图2.2图2.1图2.3 图2.4(2)设计要求根据汽车驾驶的要求，汽车转向操作机构有如下设计要求：① 操纵轻便，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置② 转向盘转动方向与汽车行驶方向的改变相一致③ 按照《防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定》的试验程序，人体模块 以24.1km/h—25.3km/h的相对速度撞击转向操纵装置吋，转向操纵装置作用在 人体模块上的水平力不得超过11123N。

④ 转向操纵装置面向驾驶员侧能被直径为165mm球体接触的部分应平 滑，尖角或凸起部位的圆角半径不得小于2.5mm⑤ 压缩行程：转向柱及中间轴的可压缩行程150mm以上；⑥ 转向柱系统烦人最小临界压力:1.1—2.5kN；⑦ 转向柱断开联接盒分离力：联接盒每个注塑销的破坏力为5()()N,转向 柱上每个可断裂联接盒一般有2-4个注塑销；⑧ 除了保证规定的轴向压缩力外，还要足够的抗弯强度，以提高轴向吸能 效果；⑨ 压缩吸能部分上下端有一定的强度和刚度差异，保证压缩吸能力的传递根据设计要求，综合考虑其他因素，参考上诉第一种设计方案进行设计把 汽车转向操作机构机构主要分成三部分：一部分机构为方向盘机构，主要由骨架 等组成，通过矩形细花键与转向轴上端相连，并用螺母轴向間定限位；另一部分 的机构为上转向轴，从转向管柱中穿过并通过支撑轴承和上端轴承支撑在转向管 柱中，转向轴上下端用弹性挡圈轴向限位；另一部分为转向柱管，用支架固定在 驾驶室的前围板上，转向柱管上装有组合开关、点火开关等部件木次设计中传动机构使用可分离式缓冲吸能机构，动力机构参照实际汽车的 转向操纵机构为动力部分，简化为传动机构得到汽车转向操作机构完整的机构简 图如图2.5所示：图2.5汽车转向操作机构机构运动简图该机构的参数如下：Dab二385mm, Lcd=836mm, Lef二457mm, Lgh=319mmo 此机构中传动机构处于极位，且同时处于死点锁死位置；动力机构(即方向 盘机构AB)是转向动力机构，且传动过程中无死点。

计算机构的自由度：F=3*6-2*8-l = lo方向盘为主动件时,已知自由度为1, 所以，该机构具有确定的相对运动3、可分离式机构运动学设计与仿真验证将装配好的转向操作机构模型从UG中导出为.xmt格式，之后将其导入到 Adams软件中进行运动学仿真添加好各项运动副，将方向盘分别设置为驱动， 辅以STEP (TIME )时间函数，实现转向操作机构运动方向盘调节动作• *030 ・ ％ 0 - A > /✓ AU Atrn2图3.1导入UG中导出的・xnn文件图3.2加载约束模型13 Informationadams直用 | 父癸 | 子先 | 修改 |l详堀3^tirSi= ~~・2AMS淸除 | 读取文件-13 Gzrxiotolozr 牧 《近彳以 自 白 受) 9 W动SM牛《不但？&矩面)6 Aa voZutzo Jon& a2 XsansXa-exonaX boNnf4 Fxxod JointsX Mo&xons2 Go a xr sBtJ-2O3OO4313S 曰自莹 有13个过妁虫右程.釣思二不必務陡谨OOH.AZ>AMS . JOINT .AZ>AMS • JOINT .AZ>AMS . JOINT .JLOAMS . JOINT .AZ>AMS • JOINT・ AZ5AMS . JOINT・ AOAMS - JOINT .AJDAMS . bOHNT .AOAMS . JOINT・ AZ5AMS • JOINT .AZ>AMS • bOHNT .AOAMS • JOINT .AX>AMS • JOINT2271111< RovoXtit c< Rovolume(RevoXviteJoint) Joint) •Joint)< T2ransXa^onaX 7on^ )(TszansX At^on&l ho in 匕)Sss8a9 •Joint ) Joint) Joint) □"ointi ) •Joint)No七 a^on Ro^ & ^on.at^on *lo^ & ^on *lo^ & ^onA^on at^onBetween Between Bo&wcen Ba t^ween Between Between Bo tiwcserxTzan.sl&^d.on of 工Not d匸丘on Rot^ A^on Ro^ at^on Rot^at^oxx Rot^ At^onBetween Between Be tweerx Be tweerx BetweenZi & Xj Zi & Yj Z & Xj Zi & Yj X & Yj Zi & Xj Zi & Yj Ma jz Jc e xr IVlong Zi & Xj Zi & Yj Zi & Xj Zi & Yj Zi & Yj图3.3模型自由度验证模型4、可分离式机构三维CAD建模设计与分析（1）传动机构的设计起初设计为波纹管式转向操作机构，之后不易对其进行仿真，所以改为可 分离式转向操作机构。

传动机构为上下两轴的连接传动，其中上转向轴长度为 823mm,下转向轴长度为460mm,且满足转向轴条件转向轴主要的尺寸为直 径为35mm,转向管柱最大直径为95mmo图4」为传动机构的结构三维模型图图4.1传动机构三维模型（2）动力机构的设计动力机构为方向盘机构及手柄的调节装置，其中方向盘最大直径为385mm, 方向盘调节装置的滑槽长度为80nmi,可以对方向盘进行伸缩调节，手柄的调节角 度为30 o方向盘与转向轴连接成转动副动力机构的结构如图4.2所示转向 操作机构整体结构图如图4.3和图4.4所示图4.2动力机构三维建模图4.4可分离式转向操作机构三维建模图4.3波纹管式转向机构三维建模5、可分离式机构动力学分析与仿真（1）运动分析将转向操作机构的三维模型导入ADAMS软件中，对各个构件进行约束,图5.1转向操作机构前后调节图5.2转向操作机构前后调节图5.3分离式缓冲吸能然后动画仿真分析，仿真结果分别如图5.2、5.3和5.4所示.该机构的主动件为方向盘，通过给方向盘施加一个与水平面成30角的力, 在动力机构中产牛传递，作用于传动机构，使转向操作机构上下转向轴进行分离 由之前的方案确定知道该转向操作机构的各个参数设计，现在对该转向操作机构 进行运动学仿真分析。

在方向盘与地面之间添加单向力为11000N,设置的仿真吋间为5s,仿真过 程中上转向轴的位移、速度、加速度分别如图5.4、图5.5、图5.6所示图5.4上转向轴位移图5.6上转向轴加速度由图5.4、图5.5和图5.6可知，上转向轴下滑动，位移为H二135mm,且加 速度突变，减少了对人体的刚性冲击从动件下转向轴的速度如图5.8所示PART4 MEA 2图5.8下转向轴速度曲线由图5.7、图5.8可知，从动件下转向轴向下运动，且加速度无突变，为上 转向轴的滑动提供了空间2）静力分析（不计重力）汽车共有1个转向操作机构，查资料知中型汽车对人体的冲击力不能超过 11123N,上下转向轴之间阻力不得超过500N在ADAMS中对各个构件进行修改，将重力设置为0将初始给方向盘的力 为11000N施加在方向盘质心上，运动仿真得传动件上转向轴的动能如图5.9所 示.图5.9传动件上转向轴的动能上下转向轴之间连接螺栓的摩擦曲线如图5.10所示:SSS图5.10连接处的摩擦上下转向轴之间连接处的轴套力如图5.11所示：SSS图5」1连接处的力。