基于凸轮设计提高汽车方向盘位置调节锁止性能研究

2020-12-15吴成伟

汽车实用技术 2020年22期

关键词：凸轮

吴成伟

摘要：为了解决当前方向盘位置的调节锁止手柄手感欠佳问题，并确保车辆发生严重意外碰撞时，锁止手柄不被弹开，文章对方向盘位置调节的锁止操作手感进行工程化分解，锁止手柄不被弹开的工况参考《C-NCAP管理规则》50Km/h正面100%重叠刚性壁障碰撞。通过仿真分析、计算及案例测试验证，方向盘位置调节的锁凸轮压紧面、上升角度和高度组合关系进行了研究，研究结果表明压紧面上升角度与旋转角度的曲线连续、平滑，并在锁止位置设计转折能提高锁止感、有利手感平顺性，并能提高锁紧的可靠性。

关键词：调节性能;凸轮;被动安全

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2020）22-54-03

Abstract： In order to solve the current problem of steering wheel adjustment lever force poor feeling， and ensure the lever is not open when serious crash accident happen. In this paper， we decompose steering wheel position lock maneuver， the operation condition of the locking lever keep closing is referring to the 50 km/h 100% overlap rigid wall front crash in C-NCAP management rule. Through the simulation analysis， calculation and test case verification， and also we studied CAM surface， rise angle， and height of the steering wheel position adjustment lock mechanism， the studying result shows that curve of rising Angle and rotation Angle of the compression surface is continuous to the compression surface rise angle， can improve the lock feeling， the compliance of feeling can be beneficial and the reliability of the lock can be increased.

Keywords： Regulate quality; Cam; Passive safety

CLC NO.： U463 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2020）22-54-03

前言

乘用汽車的方向盘位置调节方式分为机械手动调节、电动调节两种形式。方向盘电动调节的驱动电机及控制系统成本高昂，并且不利于转向管柱溃缩吸能结构的布置，机械手动调节的锁紧性能决定操作手感的品质、管柱锁紧的可靠性，当前国内外在车辆的操作手感品质上，对汽车换挡及电器操作键有了深度的研究并取得成果。在方向盘位置调节的锁止性能上，尚未有深度的研究及公开发表。因此，提高机械手动调节锁止的操作品质，确保锁止功能有很高的研究价值。

1 方向盘位置锁止及锁止调节性能分析

1.1 方向盘位置调节的锁止性能分析

乘用汽车常规的管柱调节锁止采用凸轮结构。从操作角度性能分析，锁止结构对手柄操作品质的影响，不仅仅是力的峰值大小，还包括行程感、力感、档位感及力值大小，随锁紧手柄角度变化而表现平顺性。单从锁止手柄力的大小来设计，不能满足操作的品质要求。从汽车的感官品质来看，管柱调节凸轮设计开发具有一定的研究价值。常规的方向盘位置调节锁止形式如图1所示。

车辆在高速行驶中碰到刚性体时，整车处于从极限减速到静止为止。在碰撞前驾驶员与车辆基本处于相同的速度，具有一定的动力。为了降低驾驶员在车辆发生正面碰撞时造成的伤害，乘用汽车在被动安全结构上的设计有安全带、安全气囊及溃缩式转向管柱等。溃缩式转向管柱主要在驾驶员对安全气囊冲击力达到设置的力值时，管柱溃缩，并且吸收驾驶员的动能，同时产生位移使安全带继续吸能，降低驾驶员的加速，从而降低驾驶员的伤害值。为了防止正常驾驶过程中转向管柱溃缩的风险，将压溃力的峰值设计在结构即将溃缩的位置，溃缩过程中保持一定的溃缩力来吸收驾驶员的动能。

转向管柱锁止结构须在整个溃缩过程中处于锁紧状态，溃缩力大小如式（1）。若管柱锁止结构在碰撞的过程中弹开，凸轮夹紧机构打开，壳体与管柱芯轴的夹紧力迅速减小，管柱直接滑动，吸能结构不能起到作用，滑移力的大小与设置管柱轴向的调节力大小相等，受力如式（3）：

1.2 方向盘位置调节锁止手感性能分析

转向管柱的锁止结构如图3所示。在凸轮旋转夹紧的状态下实现管柱调节结构固定，旋转凸轮松开状态时可以实现管柱位置可调。

基于力感、行程感、档位感，研究锁止手柄的调节品质。力感是驾驶员调节手柄过程中，手柄反馈给驾驶员力值变化趋势的感觉，即反馈力值的大小与手柄角度的变化关系，通过力值的大小及变化趋势预判锁止手柄的位置状态。行程感是手柄锁紧或松开的过程中，力值曲线的拐点行程与总成的比值，即行程与力值曲线函数单调性改变的极限位置行程与总行程的比值。档位感是手柄锁紧的过程中，手柄反馈给驾驶员档位变化的感觉，驾驶员通过手柄反馈的力值变化趋势及手柄旋转位置行程，基于力值与转角变化趋势，辅助预判手柄所处的位置。

采用凸轮机构的锁紧结构，解锁力是手柄松开过程中，手柄力值随手柄松开的角度变化而形成的曲线，如图4所示。曲线中的峰值是手柄松开的最大力值，如图4中的Fm力值。

1.3 凸轮锁紧力特性分析

凸轮的受力分布如图5所示。凸轮结构力来源于壳体刚性张开力在凸轮主轴方向的推力。操作力来源于旋转手柄的过程中，凸轮外侧手柄带动顶杆压紧力，凸轮位置的调节力如式（7）所示。

2 案例分析

2.1 凸轮参数分析

通过某车型为案例进行分析，根据锁止手柄的设计锁紧角度，设计凸轮的起始点、锁止峰值点、锁止点、限位点等相应的角度位置。参考锁止机构壳体刚度设计凸轮曲面的上升高度。

2.2 试验验证

通过某车型的锁紧凸轮设计方案进行验证，锁止扭力及松开扭矩与角度的关系曲线如图10所示，通过实测结果体现。锁紧手柄的开启扭矩值及锁止扭矩值与手柄旋转角度的曲线平顺、变化趋势与目标走向一致，符合操作行程感、力感及档位感，并能有利防止车辆在碰撞过程中手柄弹开。

3 结束语

根据某车型的设计案例分析，结合壳体的刚度及几何尺寸，合理的设计凸轮的曲面上升角度、能提高锁止手柄的操作品质及锁紧的可靠性，在前期设计的过程中能起到方向性的参考作用。

参考文献

[1] C-NCAP管理规程.天津：中国汽车技术研究中心，2019.