转向管柱的碰撞安全设计

作者:安全管理网 来源:安全管理网 点击:  评论: 更新日期:2017年01月05日
根据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允许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,转向管柱的安全设计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%。对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,采取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相互分开不能传递运动和力或者利用零部件之间的摩擦来吸收冲击能量。因此,如何使管柱实现溃缩吸能要求,以保护乘员安全,对管柱的设计提出了要求,同时,为了满足相应的要求,管柱各部分的结构设计和选型是关键。
对转向管柱一般设计参数要求如下:
(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离力: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)除了保证规定的轴向压缩力外,还要有足够的抗弯强度,以提高轴向吸能效果;
(5)压缩吸能部分上、下端有一定的强度和刚度差异,保证压缩吸能力的传递;
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吸收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,可吸收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、剪断力和变形力来吸收能量,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,而对于部分车型由于涉及原因导致碰撞过程中管柱受力方向并不都是轴向,从而导致轴向溃缩不能完全发挥作用,所以在设计中应考虑管柱的弯曲受力,减小弯矩同样可以达到碰撞对管柱的要求,防止碰撞过程中管柱轴向窜动过大波纹管在满足转矩要求的同时,还可同时满足碰撞轴向溃缩要求或弯曲溃缩功能。因此,带波纹管形式的转向传动轴得到了广泛的应用。
结束语
通过扭转校核方法满足管柱的转向要求,通过结构设计满足管柱的碰撞方面要求,保证驾驶员安全。在设计中转矩的功能实现及校核、安全设计及校核,都要经过大量的试验及分析才能确定。当然,一个成功的管柱设计不仅仅是以上两种功能上的实现,还有诸如角度调节和轴向调节等方面,还要经过强度、疲劳、固有频率、噪声、振动和吸能等各方面的大量的CAE分析、零部件及整车试验验证,同时还要考虑生产装配、成本和制造工艺等方面。只有全面考虑,才能做到功能和效益的更好结合。
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