汽车转向压溃结构讲解.docx

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汽车转向压溃结构讲解

学号：

24111900373

毕业设计（论文）

题目：

汽车转向压溃结构分析

作者

届别

系别

专业

指导老师

职称

完成时间

2015年5月14日

摘要

汽车转向压溃系统是在传统的转向系统基础上增加了可溃缩变形的吸能减力减伤部件。

在汽车发生正面碰撞时，压溃系统各部件可按照预先设计而溃缩变形,转向压溃系统的溃缩吸能作用，对驾驶者胸部、腿部的保护有着决定性影响。

我国虽然对汽车的安全性进行了一定程度的研究，但对被动安全性研究最多的主要集中在安全带、安全气囊、吸能保险杆等碰撞安全措施，以及车身的耐撞性和整车的碰撞试验与仿真等，而对于安全转向机构的研究还没有引起足够的重视。

本文通过对汽车转向系统的结构分析，了解其压溃特点和工作方式，首先从汽车转向系统国内外的发展逐步了解压溃系统对汽车安全的重要影响，并建立简易的汽车转向系统模型，特别对压溃结构进行深入了解，分析其结构特点。

选取一种汽车转向压溃系统，确定其整体相关尺寸，对压溃部分的结构进行详细分析。

使用PRO/E三维软件进行建模，然后用CAD出二维工程图。

进而有效的针对其被动安全压溃时的结构变化特点进行分析，并针对常见的碰撞出现的被动安全事故，说明汽车转向系统在压溃瞬间对人体的保护作用。

关键词：

压溃结构；转向管柱；PRO/E；结构分析

Abstract

Automobilesteeringcrushingsystemisincreasedonthebasisofthetraditionalsteeringsystemcancrumpledeformationenergyabsorptionforceandharmreductioncomponents.Incarhead-oncollisionoccurs,crushingsystemcomponentscanbecrumpledeformationaccordingtothepreliminarydesign,andthesteeringcrushingsystemofcrumpleenergyabsorptioneffect,haveadecisiveimpactontheridertotheprotectionofthechest,legs.

Thisarticlethroughtoautomobilesteeringsystemstructureanalysis,understanditscrushingcharacteristicsandwayofworking,startingfromthedevelopmentoftheautomobilesteeringsystemathomeandabroadgraduallyunderstandcancrushingsystemtheimportantinfluencetotheautosafety,andtoestablishasimpleandeasycarsteeringsystemmodel,especiallytoanin-depthunderstandingofcrushingstructure,analyzesitsstructuralcharacteristics.Selectacarsteeringcrushingsystem,determinetheoverallsize,structureandsizeofthecrushingsystemdesigncalculationandchecking.UsingPRO/E3dsoftwaremodeling,andthenuseCADtwo-dimensionalengineeringgraphics.Andeffectiveforthepassivesafetyofcrushingstructurechangecharacteristicisanalyzed,andinviewofthecommoncollisionofpassivesafetyaccident,automotivesteeringsystemincrushinginstantaneousprotectiontothehumanbody.

Keyword:

Crushstructure;SteeringColumn;PRO/E;structuredanalysis

目录

摘要I

AbstractII

第一章绪论1

1.1汽车转向压溃系统的研究与发展1

1.2国内外转向系统安全性法规及规范2

1.3汽车转向压溃系统的意义4

第二章汽车转向系统工作原理及结构型式6

2.1汽车转向系统的工作原理6

2.1.1机械式液压助力转向系统6

2.1.2电子式液压助力转向8

2.1.3电动助力转向9

2.2汽车转向系统压溃结构型式10

2.2.1套筒式吸能转向管柱10

2.2.2脱开式吸能转向管柱12

2.2.3网孔式吸能转向管柱13

2.2.4其他压溃吸能部件13

第三章压溃部分三维建模及二维工程图17

3.1压溃特点及工作方式17

3.2简易汽车转向压溃结构PRO/E模型18

3.2.1汽车转向压溃结构的相关尺寸18

3.2.2转向管柱的结构组成及分析18

3.3汽车转向系统压溃结构CAD二维工程图19

3.3.1汽车转向系统总成20

3.3.2碰撞瞬间汽车转向压溃结构吸能反映20

第四章总结与展望22

参考文献24

致谢26

第一章绪论

1.1汽车转向压溃系统的研究与发展

汽车自上个世纪末诞生以来，已经走过了风风雨雨的一百多年。

从卡尔.本茨造出的第一辆三轮汽车开始，汽车这一代步工具已经取得了相当大的发展，汽车已经成为当今世界人类生活必不可少的工具。

进入二十一世纪，人们对汽车的追求，更多的朝着安全，环保和节能的方面发展。

其中，汽车安全被认为是最重要的因素。

汽车安全性被越来越多的关注。

根据交通事故的统计资料和对汽车碰撞试验的研究，当汽车发生正面碰撞时，有46%的驾驶员伤害是有方向盘，转向管柱和转向器组成的转向系统造成的[]。

汽车转向系统是驾驶员操纵汽车的基本媒介。

为了减轻或者避免汽车在正面碰撞事故中由转向系统对人体的伤害，在二十世纪六十年代，汽车制造厂商纷纷与汽车安全性研究组织合作，研究开发能够符合足够强度和刚度传递转向力，又能在汽车发生正面碰撞时，转向系统能够阻止方向盘和转向柱向乘员方向移动，当人体胸部撞击方向盘时，转向系统能够吸收冲击力，减轻人体所受到的伤害的转向系统。

1967年，世界上第一个吸能式转向系统被安装在了美国通用（GeneralMotors）的概念车上[]。

这个吸能式转向系统主要是在转向管柱中间增加了可以压溃的网孔结构，通过网孔在受力溃缩破损来吸收碰撞所带来的冲击力。

相关的研究表明，使用吸能式转向系统后，造成乘车人员致命的危险降低了12%，造成乘员重伤的危险降低了38%[]。

经过近半个世纪的发展，汽车转向结构中的吸能溃缩系统也得到了非常快速的发展，转向压溃结构的研究也主要集中于对可溃缩式转向管柱的设计，可变形汽车防撞支架，中间轴结构吸能，方向盘吸能等几个方面。

从最初的纯机械控制液压助力转向，电子控制液压助力转向，电子控制电动助力转向，四轮转向，到线控转向系统的出现。

每一次技术改革都向着操作舒适、使用安全、节能环保的方向进步。

在转向系统发展的同时，压溃吸能式转向管柱作为汽车转向压溃系统的重要组成部分，也发展出了许多适应不同车型的转向管柱。

其中，套筒式吸能转向管柱，脱开式吸能转向管柱，网孔式吸能转向管柱便应运而生。

1.2国内外转向系统安全性法规及规范

目前，全球的汽车安全性法规主要有美国的b3CVSS，欧洲的ECE以及日本的TRIAS。

这些安全法律法规的推出以及强制执行，促使全球整车以及零部件生产厂商加大对汽车安全性的发展，推动了汽车安全性技术的发展，为人类发展做出了不可磨灭的贡献。

除了这些国家和政府颁布的强制性的法律法规外。

还有受到大量认可的星级评价体系（NCAP）。

虽然，星级评价体系不是强制性执行的，但是由于它具有公平、有效、客观的评价方法，以及受到广泛认可的可靠易懂的汽车安全性能评估方法，受到广大普通用户的认同，同样也对全球汽车生产厂商研究和发展汽车安全技术作出了贡献。

1.GB11557-1998：

针对防止汽车转向系统对驾驶员伤害的技术要求和试验方法的法规最早于1967年在美国诞生。

随后，欧洲、日本也根据本国的国情和基本规章制度制定了各自的标准。

在我国，汽车的发展以及汽车安全性的研究比较落后，尤其是在汽车转向系统方面的研究起步较晚，使我国长期遭受汽车正面碰撞安全事故造成大量伤亡的情况。

在主要参考了欧美转向系统安全性法律法规的基础上，我国于1998年制定并颁布了GBll557—1998《防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定》，从而使我国汽车工业结束了没有统一的转向系统安全标准的时代。

GB11557-1998规定了人体碰撞模型实验中人体模块以24～25km/h的速度撞击方向盘，撞击的方向与车体纵向中心线基本平行。

其中，人体模块作用在方向盘上的水平力不得超过11123N。

2.欧美、日本转向系统安全性法规及规范美国FMVSS203，FEVSS204以及FMVSS208：

FMVSS的全称是美国联邦机动车辆安全法规（U.S.FederalMotorVehicleSafetyStandard），是美国联邦法律第49篇第571部。

虽然，FMVSS包括了大约25项主动安全性法律法规和约23项被动安全性法律法规，已经具有较为全面的框架结构，但它仍然处于发展过程中，还有许多需要改进和加强的内容。

同时,它被越来越多的国家和机构参照，作为范本资料来继续改进加深内容。

3.欧洲ECER12（SteeringMechanism）：

ECE的全称是欧洲经济委员会（EconomicCommissionforEuropeRegulations）。

ECER12是欧盟参照了美国的安全性法律法规后所制定的关于防止汽车转向系统对驾驶员伤害的技术要求的法规。

因此，ECER12中的规定基本与美国FMVSS较为相近。

4.日本TRIAS11-4-6：

TRIAS的全称是日本道路运输车辆保安标准（TrafficSafetyandNuisanceResearchInstitute’sAutomobileTypeApprovalTestStandards）。

TRIAS11-4-6是参考了欧洲汽车安全法规所制定的关于转向系统碰撞技术标准的法规，其中，涉及了人体模块与转向操纵机构的碰撞试验。

相比之下，日本的法律法规比欧美的法律法规要简单的多，只对碰撞过程中转向系统作用于人体模块上的冲击力作了相关规定。

而欧洲的法律法规较为全面，因为它在不仅增加了转向系统的头型试验，同时对转向管柱在垂直方向和侧向的位移做出了规定，对乘员的保护更为全面。

5.星级评价NCAP：

星级评价NCAP星级评价体系（StarRatingSystem）是用来表示按新车安全评价标准，NCAP（NewCarAssessmentProgramm）要求所进行的碰撞试验中乘员伤害结果的一种有效的清晰体现。

它是根据试验中测得的假人所受的各项伤害信息数据，对乘员伤害的各项指标进行星级划分，以此来评估车辆的安全性能。

一般来说，综合各项指标的评估结果最高为5颗星（在日本最高为6颗星）。

得到的星数越多，表示该项指标的安全性越好。

★★★★★称为五星级，表示乘员严重伤害的概率小于或等于10%；

★★★★称为四星级，表示乘员严重伤害的概率为11%-20%；

★★★称为三星级，表示乘员严重伤害的概率为21%-35%；

★★称为二星级，表示乘员严重伤害的概率为36%-45%；

★称为一星级，表示乘员严重伤害的概率等于或大于46%；

除了对乘员伤害评定以外，星级评价还可以在汽车的碰撞响应，如方向盘位移、脚踏板运动、转向柱位移等做出相应的评定[]。

由于每个国家的具体情况不同，所以各个国家制定的汽车碰撞安全法规也都是有相应的差异。

但都是为了汽车在碰撞事故发生后能减少或避免驾驶员受到伤害，车辆的指导设计和改进的安全性。

纵观国内外的研究和相关规定，汽车碰撞安全措施分为两类：

（1）汽车缓冲结构和减震吸能措施——良好的控制“一次碰撞”；

（2）根据相关报道和记录的分析研究，“二次碰撞”给乘员的伤害更为直接也更加严重，为了减轻“二次碰撞”给乘员造成的伤害，主要采取了一下一些措施：

①安装安全带，并提高其固定强度；

②安装安全气囊；

③安装吸能式转向压溃系统；

④软化仪表板的其他内饰构件；

⑤安装一圈缓冲装置；

⑥避免风窗玻璃破碎损伤乘员，采取保护措施等[]。

大量的实践情况表明，良好的汽车转向系统设计可以大幅减轻乘员在遭受正面碰撞时受伤害的程度，降低死亡率！

1.3汽车转向压溃系统的意义

汽车转向压溃系统对人体受到碰撞冲击力起到了有效的减轻与避免。

研究表明，1978年在美国有41，400名驾驶员由于在汽车事故中撞击转向系统导致死亡或者不同程度的受伤。

而假若汽车上没有安装吸能式转向系统，这一数字将会上升至63，000人[]。

当驾驶员正常使用安全带的情况下，传统转向系统与带有压溃结构的吸能式转向系统对人体伤害的对比[]。

如图1.1所示：

图1.1带有压溃结构的吸能式转向系统与传统转向系统效果对比

安全转向系统没有引起人们足够的重视有很大一部分原因是因为安全带和安全气囊的发展，在一定程度上降低了汽车碰撞时乘员的伤亡率，使不了解真正原因的人认为安全转向系统的并没有那么重要。

还有一种原因就是，人们都安全转向系统的认识和了解十分有限，不清楚安全转向系统在汽车碰撞事故中起到的作用。

事实上，这种想法过于片面，原因是：

（1）当汽车发生碰撞时，驾驶员的身体很容易与转向系统发生多次碰撞，给成驾驶员头部、腿部和胸部造成不同程度的伤害。

尤其是因为车速的不断提升，单纯的依靠安全带和安全气囊来保护驾驶者的安全，驾驶员撞击转向盘而造成胸部骨折或内脏受损的车辆安全事故越来越多，因此现代汽车研发及安全机构投入了越来越多的人力和物理对转向系的研究和设计。

（2）据统计，佩戴座椅安全带可以使汽车发生碰撞时的死亡率降低15％一30％，而安全气囊可以使事故伤死亡率降低18％左右。

当两者配合使用时，死亡率可下降47％左右。

可事实上，汽车安全带由于不舒适，很多驾驶员并没有按规定佩戴，尤其是在我国，中低档汽车并没有安装安全气囊。

在这种情况下，一旦发生碰撞安全事故，对驾驶员的伤害是非常严重的[]。

（3）根据事故统计资料，在汽车发生正面碰撞时，转向系统的冲击是驾驶员的主要伤害。

研究表明，在汽车正面碰撞事故中，具有压溃结构的汽车转向系统可使驾驶员伤害降低60％左右。

（4）在严重的汽车正面碰撞事故中，汽车驾驶室生存空间的缺乏是使驾驶员受伤的一大原因，安全带及安全气囊装置所起到的保护作用并不能替代转向系统压溃吸能的保护。

（5）我国在1989年开始颁布《防止转向机构对驾驶员伤害的规定》，为了使汽车的转向系统能够满足国家标准的要求，进行转向机构的安全性研究也是必要的[]。

可见，对汽车安全转向机构的研究是十分必要的，而且由于对相关领域的研究与发展，也促进了汽车技术的进一步提升，对经济的发展一起到了一定的作用。

第二章汽车转向系统工作原理及结构型式

2.1汽车转向系统的工作原理

图2.1转向系统结构示意图

汽车在转向时，转矩传感器会接收到转向盘的力矩和拟转动的方向，通过数据总线发给电子控制单元，电控单元会根据传动力矩、拟转的方向等数据信号，向电动机控制器发出动作指令，从而电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩，产

生助力转向。

如果不转向时，则系统不工作，处于休眠状态等待调剂。

2.1.1机械式液压助力转向系统

机械液压助力系统主要包括齿轮齿条转向系统结构和液压系统、液压升压泵、液压缸、活塞等等。

工作原理是通过液压泵皮带驱动的引擎（由发动机皮带带动）提供油压活塞移动,从而产生辅助力使拉杆和辅助轮转向。

图2.2液压助力转向系统构造图

首先位于转向机机身上的机械阀体（能够与转向柱一起移动），在方向盘没有旋转时，机械阀体保持原位，活塞两侧的油压处于平衡状态，汽车车轮不会发生偏移。

当转动方向盘时，产生转向控制阀门的打开或关闭，一侧的油液不通过液压缸而直接返回油箱，另一侧的油液继续流入液压缸，活塞两侧可以产生压差而被推动，从而产生辅助推力推动转向拉杆，使转向变得更容易。

机械式液压助力转向系统在大型车辆上运用的比较多，是因为大型汽车装载的货物质量比较大，使得在转向过程中需要克服更大的前轮转向阻力矩，从而要驾驶员在方向盘上施加比较大的转向力，长时间驾驶中就会使驾驶员感到更加疲惫。

为了是驾驶员更轻便的操纵汽车行驶，就需要在汽车转向系统上做出改进。

其中一种方法就是在汽车转向系统中加装助力装置，借助汽车本身的动力系统，以液压力、空气压缩力、电动力来增加驾驶员对前轮操作的力矩。

图2.3液压助力转向系统工作原理示意图

在液压转向系统中，如车轮在遇到坑洼路面而导致产生剧烈跳动，轮胎出现被动转向时，可以通过液压活塞上的影响良好的缓冲和减震，使传递到方向盘的振动大大降低。

机械液压助力器技术成熟和稳定，可靠性高，应用广泛。

但结构复杂，维护成本高。

单纯的机械液压系统动态强度不能调整，很难满足在低速和高速行驶过程中指向精度的需求。

2.1.2电子式液压助力转向

电子式液压助力转向系统的结构是基于液压式助力转向改进的，它们最大的区别在于提供油压油泵的驱动方式不同。

机械式液压助力是由发动机本身提供动力，通过皮带驱动液压系统的伸缩，而电子式液压助力由单独的电动机驱动的电子液压泵来完成转向动作。

图2.4电子液压转向系统结构图

电子液压助力的电子泵，不用消耗发动机本身的动力，而是由单独的电动机控制带动。

而且电子泵是由电子系统控制的，不会在不需要转向的时候打开，降低功耗。

电子液压助力转向系统的特制电子控制器，是利用对车速传感器、转向角度传感器等传感器的信息处理，通过改变电子泵的液压流量来改变转向助力的力度大小。

2.1.3电动助力转向

电动助力主要由电动机、电池、传感器、控制单元构成，没有了液压助力系统的液压泵、液压管路、转向柱阀体等结构，结构非常简单。

图2.5电动助力转向系统结构图

主要工作原理是，在方向盘转动时，位于转向柱位置的转矩传感器将转动信号传到控制器，控制器通过运算修正给电机提供适当的电压，驱动电机转动。

而电动机输出的扭矩经减速机构放大后推动转向柱或转向拉杆，从而提供转向助力。

电动助力转向系统可以根据速度改变助力的大小，能够让方向盘在低速时更轻盈，而在高速时更稳定。

图2.6电动助力转向系统结构图

电动助力转向有两种实现方式，一种是对转向柱施加助力，是将助力电机经减速增扭后直接连接在转向柱上，电机输出的辅助扭矩直接施加在转向柱上，相当于电机直接帮助我们转动方向盘。

另一种是对转向拉杆施加助力，是将助力电机安装在转向拉杆上，直接用助力电机推动拉杆使车轮转向。

后者结构更为紧凑、便于布置，目前使用比较广泛[]。

2.2汽车转向系统压溃结构型式

当汽车发生正面碰撞时，碰撞冲击能量的吸收主要是通过构件的变形、破坏，或是通过构件之间的摩擦来实现的。

由于汽车压溃吸能转向系统在传统转向系统的基础上增加了能够变形、破坏、或是通过摩擦吸收能量的结构，所以，它能在发生事故时起到良好的保护驾驶员安全的作用。

转向管柱、注塑剪切块、塑料衬套、中间芯轴及可以产生较大摩擦的上下柱筒，能发生溃缩变形的支架等等。

其中，关键的转向管柱的压缩变形能够减轻或避免驾驶员受到伤害，现在用的比较多的转向管柱有以下三种：

1．套筒式吸能转向管柱；

2．脱开式吸能转向管柱；

3．网孔式吸能转向管柱[]。

2.2.1套筒式吸能转向管柱

套筒式吸能转向管柱是这三种可溃缩变形转向管柱中较为成熟的一种，其应用也较为普遍。

它的结构是用一个空心套筒连接上、下两段转向管柱，通过花键传递转向的扭矩。

当汽车受到碰撞冲击时，上、下两段转向管柱在套筒内滑动，通过产生一定的摩擦和变形吸收冲击能量，同时转向系统中间的可破环支架结构发生断裂，避免方向盘向后冲击撞击乘员，造成伤害。

图2.7是套简式吸能转向管柱的一种形式[]。

在套筒上有很多排凹槽。

套筒与转向管柱之间在设计时有一定的过盈量，装配后能够达到设计所要求的压紧力。

当转向系统受到向后的冲击能量时，下段转向管柱能够缩进套筒内，并利用凹槽与套筒产生的摩擦来吸收冲击能量。

1---上转向管柱2---下转向管柱3---套筒

2.7一种套筒式吸能转向管柱

小球式吸能转向管柱，如图2.8所示，是套筒式吸能转向管柱的另外一种形式，也是目前可溃缩变形的吸能式转向管柱中吸能效果比较好的一种。

图2.8小球式吸能转向管柱

吸能式转向柱的小球式吸能转向管柱的特性是在其内套筒之间的上、下管柱上设有若干硬化钢珠。

内套筒和上、下转向管柱之间没有明显的接触，但作为它的保持构件，钢珠的直径会比套筒的直径略大。

在受到冲击时，上、下管柱会形成相对运动。

位于内套筒中间的钢珠受力碰撞挤压，导致转向管柱的内层和外层破裂，产生压缩变形来吸收冲击能量。

当钢珠施加的压力大于套筒管壁设计承受力时，钢珠就会将转向管柱套筒壁撕裂，进一步吸收冲击能量。

通过改变转向管柱的直径或调节钢珠的直径

来改变转向管柱所受的冲击载荷。

2.2.2脱开式吸能转向管柱

脱开式吸能转向管柱比套筒式吸能转向管柱的结构更简单一些，其特点是当碰撞冲击力达到设计限度时，上、下两段转向管柱能够自动脱开，使转向器和方向盘断开联系，从而避免转向盘向后冲击造成对驾驶员的伤害。

但是，一旦转向器与方向盘发生断裂，就无法传递驾驶员的转向力，使汽车失去控制，很容易发生侧翻，再次撞击。

因此，现在现在的汽车脱开式吸能转向管柱中添加了（如图2.9）所示的在上、下两段转向管柱之间柔性的联轴节，既能减少撞击冲击力，又可以在上下转向管柱断开后继续传递转向力。

图2.9脱开式吸能转向管柱

2.2.3网孔式吸能转向管柱

网孔式吸能转向管柱的管柱上有网状结构（图2．10所示）。

转向管柱分为上下两段，通过细花键连接，传递转向机械扭矩。

另外，在上下两段转向管柱之间通过塑料销轴向连接，由于塑料销材质及结构的问题，其抗剪切力比金属转向管柱要低很多。

在转向管柱受到冲击力时被剪断，使上下两段转向管柱也能产生自由的轴向相对运动，同时，转向柱在碰撞冲击力的作用下，网状部分受力压缩变形，吸收冲击能量，起到保护安全的作用。

图2.10网孔式吸能转向管柱

2.2.4其他压溃吸能部件

除了吸能式转向管柱外，方向盘、中间轴结构和转向管柱的变形支架也是转向压溃系统中的重要部件。

方向盘从结构上可以分为二轮辐式，三轮辐式和四轮辐式。

在这三种结构中，四轮辐式结构抗轴向变形的强度最高，使人体在撞击方向盘边缘轮时产生明显的减速度，最大限度的减少人体携带较大的运动能量撞击方向盘中间轮毂部分。

而二轮辐式结构是三种结构中抗轴向变