轉向操縱機構設計報告技術研究

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1、 實驗一：可分離式汽車轉向操作機構設計 與三維CAD建模分析實驗報告 一、 實驗過程說明 1、引言 隨著社會經濟和汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車變得越來越普及。汽車轉向管柱作為駕駛員操控汽車的重要部件，其安全性和可靠性顯得尤為重要。在汽車行駛的過程中，任何來自轉向管柱的異響、卡滯和變形過大都會給駕駛員造成很大的心理壓力，影響行車安全。轉向管柱主要包括轉向軸總成、上柱管、管柱支架、緊定螺栓、拉脫鎖、下柱管、下支架、旋鉚銷軸、鎖定手柄等。轉向軸總成通常是上端加工有連接花鍵，用來安裝方向盤；下端焊接有萬向節(jié)總成，與轉向器連接，實現(xiàn)轉向扭矩的傳遞。上、下柱管裝配在一起，通過

2、管柱支架和下支架安裝在車架上。拉脫鎖與管柱支架通過注塑裝配在一起。 它的作用是將駕駛員轉動轉向盤的操縱力傳給轉向器。同時裝有轉向柱管安全裝置和方向盤位置調節(jié)裝置，分別是用于當轉向軸受到巨大的沖擊時產生軸向位移，使支架或支撐塑性變形來吸收沖擊能量，防止駕駛人員因轉向機構原因而受傷；以及因駕駛員身高不同，把握方向盤時要調整方向盤的高度來達到安全舒適的狀態(tài)。轉向操作機構是汽車上不可或缺的一部分，其工作可靠性直接影響行駛安全。 本實驗是根據(jù)機械原理，參考大眾新桑塔納轉向操作機構參數(shù)，設計了轉向操作機構的傳動機構和動力機構。并運用本課程所學的知識，基于UG建模軟件對轉向操作機構的機構零件進行結構設計

3、和優(yōu)化，然后運用ADAMS運動學仿真軟件對轉向操作機構進行仿真分析以及動畫制作，對相關的參數(shù)進行分析，終完成本轉向操作機構的簡易設計。 2、可分離式機構設計方案與參數(shù)計算 （1）設計方案 根據(jù)網上查找的資料，轉向吸能裝置的設計方案一般有如下幾種： 1　 可分離式 機構簡圖如圖2.1所示。此類轉向操縱機構的轉向管柱分為上下兩段，當發(fā)生撞車時，上下兩段相互分離或相互滑動，從而有效地防止轉向盤對駕駛員的傷害，但轉向機構本身并不包含吸能裝置。 2　 網格管、波紋管變形吸能式 機構簡圖如圖2.2所示。其轉向操縱機構的轉向軸和轉向管柱都分成兩段，上轉向軸和下轉向軸之間通過細花鍵

4、結合并傳遞轉向力矩，同時它們二者之間可以作軸向伸縮滑動。在下轉向軸的外邊裝有波紋管，它在受到壓縮時能軸向收縮變形并消耗沖擊能量。它的下轉向管柱的上端套在上轉向管柱里面，但二者不直接連接，而是通過管柱壓圈和限位塊分別對它們進行定位。當汽車撞車時，下轉向管柱向上移動，在第一次沖擊力的作用下限位塊首先被剪斷并消耗能量，與此同時轉向管柱和轉向軸都作軸向收縮。當受到第二次沖擊時，上轉向軸下移，壓縮波紋管使之收縮變形并消耗沖擊能量。 3　 鋼球滾壓變形式 機構簡圖如圖2.3所示。其結構分為轉向管柱上下兩段，上轉向管柱比下轉向管柱稍細，可套在下轉向管柱的內孔里，二者之間壓入帶有塑料隔圈的鋼球。隔圈圈起鋼

5、球保持架的作用，鋼球與上下轉向管柱壓緊并使之結合在一起。在撞車時，上下管柱在軸向相對移動，這時鋼球邊轉動邊在上下轉向管柱的壁上壓出溝槽，從而消耗了沖擊能量。 ④支架變形緩沖式 機構簡圖如圖2.4所示。發(fā)生碰撞時，轉向器向后移動，下轉向傳動軸插入上轉向傳動軸的孔中，上轉向傳動軸被壓扁，吸收了沖擊能量。此外，轉向管柱通過支架和U形金屬板固定在儀表板上。當駕駛員身體撞擊轉向盤后，轉向管柱和支架將從儀表板上脫離下來向前移動。這時，一端固定在儀表板上而另一端固定在支架上的U形金屬板就會產生扭曲變形并吸收沖擊能量。 圖 2.1

6、 圖 2.2 圖 2.3 圖2.4 （2） 設計要求 根據(jù)汽車駕駛的要求，汽車轉向操作機構有如下設計要求： 1　 操縱輕便，轉向系應有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。 2　 轉向盤轉動方向與汽車行駛方向的改變相一致。 3　 按照《防止汽車轉向機構對駕駛員傷害的規(guī)定》的試驗程序，人體模塊以24.1km/h—25.3km/h的相對速度撞擊轉向操縱裝置時，轉向操縱裝置作用在人體模塊上的水平力不得超過11123N。 4　 轉向操縱裝置面向駕駛

7、員側能被直徑為165mm球體接觸的部分應平滑，尖角或凸起部位的圓角半徑不得小于2.5mm。 5　 壓縮行程：轉向柱及中間軸的可壓縮行程150mm以上； 6　 轉向柱系統(tǒng)煩人最小臨界壓力：1.1—2.5kN； 7　 轉向柱斷開聯(lián)接盒分離力：聯(lián)接盒每個注塑銷的破壞力為500N，轉向柱上每個可斷裂聯(lián)接盒一般有2—4個注塑銷； 8　 除了保證規(guī)定的軸向壓縮力外，還要足夠的抗彎強度，以提高軸向吸能效果； 9　 壓縮吸能部分上下端有一定的強度和剛度差異，保證壓縮吸能力的傳遞 根據(jù)設計要求，綜合考慮其他因素，參考上訴第一種設計方案進行設計。把汽車轉向操作機構機構主要分成三部分：一部分機構為方向盤

8、機構，主要由骨架等組成，通過矩形細花鍵與轉向軸上端相連，并用螺母軸向固定限位；另一部分的機構為上轉向軸，從轉向管柱中穿過并通過支撐軸承和上端軸承支撐在轉向管柱中，轉向軸上下端用彈性擋圈軸向限位；另一部分為轉向柱管，用支架固定在駕駛室的前圍板上，轉向柱管上裝有組合開關、點火開關等部件。 本次設計中傳動機構使用可分離式緩沖吸能機構，動力機構參照實際汽車的轉向操縱機構為動力部分，簡化為傳動機構得到汽車轉向操作機構完整的機構簡圖如圖2.5所示： 圖2.5 汽車轉向操作機構機構運動簡圖 該機構的參數(shù)如下：Dab=385mm，Lcd=836mm，Lef=457mm，Lgh=319mm。 此機構

9、中傳動機構處于極位，且同時處于死點鎖死位置；動力機構（即方向盤機構AB）是轉向動力機構，且傳動過程中無死點。 計算機構的自由度：F=3*6-2*8-1=1。方向盤為主動件時，已知自由度為1，所以，該機構具有確定的相對運動。 3、可分離式機構運動學設計與仿真驗證 將裝配好的轉向操作機構模型從UG中導出為.xmt格式，之后將其導入到Adams軟件中進行運動學仿真。添加好各項運動副，將方向盤分別設置為驅動，輔以STEP(TIME......)時間函數(shù)，實現(xiàn)轉向操作機構運動方向盤調節(jié)動作。 圖3.1 導入UG中導出的.xmt文件 圖3.2 加載約束模型

10、 圖3.3 模型自由度驗證模型 4、可分離式機構三維CAD建模設計與分析 （1）傳動機構的設計 起初設計為波紋管式轉向操作機構，之后不易對其進行仿真，所以改為可分離式轉向操作機構。傳動機構為上下兩軸的連接傳動，其中上轉向軸長度為823mm，下轉向軸長度為460mm，且滿足轉向軸條件。轉向軸主要的尺寸為直徑為35mm，轉向管柱最大直徑為95mm。圖4.1為傳動機構的結構三維模型圖。 圖4.1 傳動機構三維模型 （2）動力機構的設計 動力機構為方向盤機構及手柄的調節(jié)裝置，其中方向盤最大直徑為385mm，方向盤調節(jié)裝置的滑槽長度為80mm,可以對方向盤

11、進行伸縮調節(jié)，手柄的調節(jié)角度為30。方向盤與轉向軸連接成轉動副。動力機構的結構如圖4.2所示。轉向操作機構整體結構圖如圖4.3和圖4.4所示。 圖4.2 動力機構三維建模 圖4.3 波紋管式轉向機構三維建模 圖4.4 可分離式轉向操作機構三維建模 5、可分離式機構動力學分析與仿真 （1）運動分析 將轉向操作機構的三維模型導入ADAMS軟件中，對各個構件進行約束，然后動畫仿真分析，仿真結果分別如圖5.2、5.3和5.4所示. 圖5.1 轉向操作機構前后調節(jié) 圖5.2 轉向操作機構前后調節(jié)

12、 圖5.3 分離式緩沖吸能 該機構的主動件為方向盤，通過給方向盤施加一個與水平面成30角的力，在動力機構中產生傳遞，作用于傳動機構，使轉向操作機構上下轉向軸進行分離。由之前的方案確定知道該轉向操作機構的各個參數(shù)設計，現(xiàn)在對該轉向操作機構進行運動學仿真分析。 在方向盤與地面之間添加單向力為11000N，設置的仿真時間為5s,仿真過程中上轉向軸的位移、速度、加速度分別如圖5.4、圖5.5、圖5.6所示。 圖5.4 上轉向軸位移 圖5.5 上轉向軸速度 圖5.6 上轉向軸加速度 由圖5.4、圖5.5和圖5.6可知，上轉向軸下滑動，位移為H=135mm，且加速度突變

13、，減少了對人體的剛性沖擊。 該機構從動件為下轉向軸，下轉向軸的速度如圖5.7所示。 圖5.7 下轉向軸位移 從動件下轉向軸的速度如圖5.8所示。 圖5.8 下轉向軸速度曲線 由圖5.7、圖5.8可知，從動件下轉向軸向下運動，且加速度無突變，為上轉向軸的滑動提供了空間。 （2）靜力分析(不計重力) 汽車共有1個轉向操作機構，查資料知中型汽車對人體的沖擊力不能超過11123N，上下轉向軸之間阻力不得超過500N。 在ADAMS中對各個構件進行修改，將重力設置為0。將初始給方向盤的力為11000N施加在方向盤質心上，運動仿真得傳動件上轉向軸的動能如圖5.9所示. 圖

14、5.9 傳動件上轉向軸的動能 上下轉向軸之間連接螺栓的摩擦曲線如圖5.10所示： 圖5.10 連接處的摩擦 上下轉向軸之間連接處的軸套力如圖5.11所示： 圖5.11 連接處的力曲線 由上述仿真圖可知構件上轉向軸做向下滑動吸收沖擊的能量，符合轉向操作機構防傷功能，且從動件受較大的力，但是主動件需要施加的力合理，才能有利于控制；固定連接處的螺栓受到的力有集中突變，在結構設計的時候需要加以注意。 （3）吸能檢驗 把汽車轉向操作機構的上轉向軸加入平移驅動，上下轉向軸之間連接處摩擦，所有約束加載以后測量轉向操作機構在沖擊力作用吸收能量的曲線。利用ADAMS軟件進行測量，結果如

15、圖5.12所示： 圖5.12 轉向軸吸能 能量吸收式轉向柱除了要保證汽車正常行駛時的傳遞轉向扭矩外，當汽車發(fā)生正面碰撞，碰撞力達到一定值時，轉向軸可以伸長、壓縮、彎曲或斷開以消除轉向齒輪的后移影響，達到隔絕首次碰撞影響的目的，滿足傳動條件。 6、可分離式機構主要零件加工工藝與建模方法分析 上轉向軸、下轉向軸的三維模型圖分別如圖6.1、6.2所示。 圖6.1 上轉向軸 圖6.2 下轉向軸 圖6.3 轉向軸裝配圖 1.主要加工工藝 （1）尺寸精度 軸頸是軸類零件的主要表面，它影響軸的回轉精度及工作

16、狀態(tài)。軸頸的直徑精度根據(jù)其使用要求通常為IT6～9，精密軸頸可達IT5。 （2）幾何形狀精度 軸頸的幾何形狀精度（圓度、圓柱度），一般應限制在直徑公差點范圍內。對幾何形狀精度要求較高時，可在零件圖上另行規(guī)定其允許的公差。 （3）位置精度 主要是指裝配傳動件的配合軸頸相對于裝配軸承的支承軸頸的同軸度，通常是用配合軸頸對支承軸頸的徑向圓跳動來表示的；根據(jù)使用要求，規(guī)定高精度軸為0.001～0.005mm，而一般精度軸為0.01～0.03mm。 此外還有內外圓柱面的同軸度和軸向定位端面與軸心線的垂直度要求等。 （4）表面粗糙度 根據(jù)零件的表面工作部位的不同，可有不同的表面粗糙度值，例如

17、普通機床主軸支承軸頸的表面粗糙度為Ra0.16～0.63um，配合軸頸的表面粗糙度為Ra0.63～2.5um，隨著機器運轉速度的增大和精密程度的提高，軸類零件表面粗糙度值要求也將越來越小。 （5）加工工藝 一般軸類零件常用45鋼，根據(jù)不同的工作條件采用不同的熱處理規(guī)范（如正火、調質、淬火等），以獲得一定的強度、韌性和耐磨性。 對中等精度而轉速較高的軸類零件，可選用40Cr等合金鋼。這類鋼經調質和表面淬火處理后，具有較高的綜合力學件能。 2.建模方法分析 先進入草圖界面畫出所需草圖，再進行拉伸到所需長度，選擇合適的平面進行下一個草圖的繪制，繪制曲線過程中需要準的位置及尺寸數(shù)據(jù)，通過拉伸

18、、回轉得到初步的圖形，之后對實體棱邊進行倒圓角、CSG求和求差等操作，彎曲部分采用掃掠方法得到實體幾何圖形，對連接部位的孔進行螺紋操作。裝配時用對齊、接觸等方法對相關零件進行裝配，確保其有相一致的中心線、接觸面等。但是三維建模也有缺陷，不能賦予材料屬性等各種其他重要屬性，精度、尺寸要求都沒有導入到實體幾何中等。 7、可分離式轉向操作機構安全性和輕便性優(yōu)化設計的主要步驟 第一，確定轉向操作機構關鍵結構性能指標；第二，建立操作機構多體模型，計算轉向操作機構關鍵結構件主要尺寸數(shù)據(jù)；第三，建立適合于轉向操作機構關鍵結構件拓撲優(yōu)化設計的有限元初始設計域；第四，建立拓撲優(yōu)化數(shù)學模型；第五，迭代求解

19、；第六，獲得轉向操作機構結構件拓撲優(yōu)化設計結果。 根據(jù)優(yōu)化的數(shù)模進行實際制作試驗件，驗證是否滿足各項性能要求，及與優(yōu)化之前對比主要的性能、尺寸的各項參數(shù)的變化，對于實際生產中的有利之處等。 8、實驗結論與總結 根據(jù)仿真結果，汽車發(fā)生撞擊時轉向操作機構緩沖吸能機構符合防止人體由于此而受到很大傷害的要求，符合汽車安全性要求的規(guī)定。通過結構設計滿足管柱的碰撞方面要求，保證駕駛員安全。在設計中轉矩的功能實現(xiàn)及校核、安全設

20、計及校核，都要經過大量的試驗及分析才能確定。當然，一個成功的管柱設計不僅僅是以上兩種功能上的實現(xiàn)，還有諸如角度調節(jié)和軸向調節(jié)等方面，還要經過強度、疲勞、固有頻率、噪聲、振動和吸能等各方面的大量的CAE分析、零部件及整車試驗驗證，同時還要考慮生產裝配、成本和制造工藝等方面。 通過本次對汽車轉向操作機構的設計，讓我加深了對本門課程所學知識的理解，進一步熟悉了利用UG進行CAD三維建模的過程，并且較熟練的掌握了基于UG的零件建模和裝配，初步學會了怎樣利用ADAMS進行運動學仿真、動力學仿真等。雖然本次基本完成了設計任務，但設計過程仍然有許多不足之處，希望在以后學習應用中能夠更熟練、更有技巧，在不足之處有所改進。同時非常感謝劉老師和班級同學在這門課程中對我的幫助，讓我能順利完成本次的設計任務。 二、實驗結果 1、機構運動學仿真動畫文件（見附件1） 2、機構的運動學仿真ADAMS模型文件(見附件2) 3、零件的三維模型文件（見附件3） 4、裝配模型文件（見附件4） 14 網絡#借鑒