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[其他] 可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

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发表于 2015-12-28 02:52:46 | 显示全部楼层 |阅读模式

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可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

        如今,人们对汽车的要求不仅仅停留在对性能的好坏以及质量高低的评价,人们对汽车驾驶的舒适性要求也越来越高。如何满足驾驶员的这一要求,已经成为汽车零部件设计者亟待解决的问题。长途驾驶汽车的司机都会有这样的体会:长时间始终保持一个姿态驾驶汽车会感到疲劳,如果我们能根据自身的条件适当地调整驾驶坐姿既方便舒适又不易疲劳,可变倾角转向管柱的开发研制就是基于这样一种考虑。
        可变倾角转向管柱是安装在方向盘下面,支撑并使方向盘与汽车转向器连接的一种装置。同时,根据驾驶员的不同要求,在转向管柱内棘爪定位机构的作用下,方向盘还可以沿汽车行驶方向进行5个挡位(6个位置)的变换(如图1所示),这样,每位驾驶员都可以根据自己身材的高矮、手臂和下肢的长短等自然条件选择适合自己条件的驾驶位置。同时在长时间保持一种姿态驾驶后,可随时根据需要变换方向盘的角度,调整一下坐姿以缓解疲劳(如图2所示)。可变倾角转向管柱的功能及性能符合现代化汽车工业发展的趋势,有着非常广泛的市场前景,是一种具有高技术含量的产品,具有国际先进水平。
        可变倾角转向管柱倾角变换工作原理
        可变倾角定位机构主要由两大部分组成:转向中间轴组件和可变倾角机构。
       

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

        1.转向轴组件的结构及工作原理
        大多数的汽车用转向轴为一体的,其作用是将方向盘的转矩传递给转向器,通过转向传动机构实现汽车的转向功能。可变倾角转向管柱转向轴组件由转向下半轴、转向上半轴和万向节叉组成(如图3所示),当可变倾角转向管柱与车身连接时,转向下半轴与车身相对固定,转向上半轴上端与方向盘连接,当方向盘需变换角度时,在可变倾角定位机构的作用下,通过万向节叉,可绕旋转中心转动,以此来实现方向盘的角度转换。
        2.可变倾角机构的组成及工作原理
        1) 倾角机构的组成
        可变倾角机构主要由转向支架体组件和固定支架体件两大部分组成(如图4、图5所示)。倾角变换旋转中心线(上、下半轴的转动中心线)、倾角操纵连杆与倾角操纵杆复位弹簧将倾角操纵杆和倾角锁止板连在一起,倾角复位板通过倾角锁止弹簧与锁止板相连,螺钉销轴将转动支架体与固定支架体联接,其两定位销轴线与倾角变换中心线重合,倾角复位弹簧,棘爪定位销将棘爪与转动支架体相连,弹性销通过弹性变形固定在棘爪上。
       

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

        2) 变倾角机构的工作原理
        当方向盘需要变换倾角时,可转动倾角操纵杆,通过倾角操纵连杆推动锁止板,释放锁止板对棘爪的锁紧力,使棘爪槽口与固定支架体的定位点脱离,同时对方向盘施以一定的力,就可以将方向盘转到指定位置(如图6所示)。
        在方向盘变换倾角的过程中,上半轴也将绕转动中心旋转,由于上半轴与转动支架体为轴承配合联结,此时,上半轴将带动转动支架体绕转动中心旋转,转动支架体旋转时安装在转动支架体上的棘爪原定位槽口将随之转动,与固定支架产生相对位置变化,同时根据方向盘所转角度的不同就会有相应的棘爪槽口与固定点配合,实现倾角位置的定位,当倾角位置固定后,释放倾角操纵杆,在倾角锁止弹簧的作用下,锁止板重新回到对棘爪的压紧位置,将锁止弹簧拉力转化为棘爪槽口对定位点的压紧力,此时,棘爪槽口与定位点为无间隙配合,保证了转动支架体与固定支架体的刚性联结,完成了方向盘可变倾角的转换。
        棘爪的结构设计与计算
        通过上面的叙述,我们可以看出,可变倾角定位机构中棘爪是最关键的零件,而棘爪上的槽口位置尺寸、槽口的形状,及其他外形尺寸将直接影响到倾角各挡位位置的准确性、可能性和可靠性。因此,对棘爪的正确设计就显得尤为重要。
       

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

        图6 变倾角机构工作原理示意图

        1.棘爪槽口位置的设计
        如图7a所示,A点是固定支架体与转动支架体共有的定位中心,转动支架体绕此中心转动;B点为将棘爪安装在转动支架体上的销轴的中心;C点是固定支架上的定位点,倾角变换时,A、C两点均固定不动,B点以A点为转动中心,每3°转动1挡,分别转至B1、B2、B3、B4、B5等位置,这就是倾角变换的5个挡位,B点为中间挡位。
        即方向盘为0°时的挡位,无论B点的棘爪销轴转至何位置棘爪上都必有一槽口处于C点的位置与定位点配合。由以上分析不难看出,BC两点间的距离,就是棘爪槽口到棘爪销轴的距离,即方向盘处于中间挡时棘爪槽口所在的位置。以此类推B1C、B2C、B3C、B4C、B5C也就是方向盘处于各倾角位置时棘爪槽口与棘爪销轴的距离。
       

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

        根据图7a,我们可以做出它的简图(如图7b所示)。
        1) 在△ABD中,已知AD=39.5mm,BD=34.7mm
        则:

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

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        α =arctgBD/AD = arctg34.7/39.5 = 41.3°
        在△ABC中,根据余弦定理可得:

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

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        即在中间挡位时,棘爪槽口到棘爪销轴的距离为34.69。
        2) 当方向盘沿行车方向处于远离司机的第一挡位时,B点以A点为转动中心线转至B1点时,C点位置未变,变换角度α1 = 6°
       

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

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        因:AB = AB1 = 52.56mm
        AC = 40mm
        发生变化的是△AB1C的夹角 ∠ B1AC
        ∠B1AC=α1+α=6 °+ 41.3°= 47.3°
        在△AB1C中,根据余弦定理可得:
       

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

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        即:在B1点时,棘爪槽口到棘爪销轴孔的距离为38.87mm。
        同理可得:
        3) 当方向盘沿行车方向远离司机第二挡位时,B点以A点为转动中心转至B2点时,C点位置未变,变换角度∠α2=3°
        则:∠B2AC=α1+∠α2=44.3°,得B2C=36.79(mm)
        即:在B2时,棘爪槽口到棘爪销轴孔距离为36.79mm。
        4) 当方向盘沿行车方向处于靠近 司机第二挡位时,B点以A点为转动中心转至B3点时,C点位置未变,变换角度∠α3=-3°,则:
        ∠B3AC=∠α+∠α3=38.3°,得B3C=32.6(mm)
        即:在B3时,棘爪槽口到棘爪销轴孔距离为32.6mm。
        5)当方向盘沿行车方向处于靠近司机第二挡位时,B点以A点为转动中心转至B4点时,C点位置未变,变换角度∠α4=-6°,
        则:∠B4AC=∠α+∠α4=35.3°,得B4C=30.51(mm)要。
        即:在B4时,棘爪槽口到棘爪销轴孔距离为30.51mm。
        6)当方向盘沿行车方向处于靠近司机第三挡位时,B点以A点为转动中心转至B5点时,C点位置未变,变换角度∠α5=-9°,则:∠B5AC=∠α+∠α5=32.3°,得B5C=28.43(mm)。
       

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

        通过以上的计算,我们已经确定了棘爪各槽口与棘爪销轴孔的相对,根据这些数据,进行棘爪的结构设计。
        2.棘爪的结构设计
        1) 6个挡位由棘爪上的6个槽口确定,我们将6个槽口分布在与B点运动轨迹同心的圆弧上,每个槽口间隔3°当变换倾角时根据需要槽口间互相切换与定位点的位置实现不同倾角时的定位(如图8所示),同时为保证定位的稳定性将定位点范围向两端沿弧长扩大,即当一个槽口定位时,其他槽口就成为了该槽口的定位延长。
        2) 定位槽口与定位点为楔形结构(如图9所示),保证槽口与定位点的无间隙配合。
       

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

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        可变倾角机构可靠性的确定
        可变倾角机构的可靠性即当方向盘变换倾角时,释放倾角锁紧机构,转动支架体绕旋转中心(如图4、图5所示),在倾角变换范围内自如转动,当倾角变换位置选定后倾角机构定位锁紧,整个机构将保持一种刚性状态。
        1.棘爪槽口与定位点的脱开
        需要将方向盘可变倾角时,操纵倾角操纵杆旋转,带动锁止板绕旋转中心转动,通过锁止板上的拨头将棘爪抬起实现棘爪槽口与定位点的脱离,为保证棘爪脱离状态的可靠性,将棘爪脱离时,定位槽口与定位点的间隙设置为1.5mm,由图10可以计算出锁止板的转动行程为13.5°,进而确定出倾角操纵杆的操纵行程25°,即倾角操纵手柄转动25°时,棘爪与定位点完全脱离。
       

可变倾角转向管柱倾角定位机构设计

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        2.棘爪槽口及定位点的定位可靠性
        当方向盘选定一位置时,锁止板在锁止弹簧的拉力作用下紧紧的压附在棘爪的表面(如图11所示),将弹簧的拉力转化为棘爪槽口对固定点的压力,从而保证了槽口与定位点的无间隙配合,同时将棘爪与锁止板接触面设计为不同心变半径圆弧,确保了在任何情况下锁止板与棘爪都能保持接触。从而保证棘爪与定位点锁紧的可靠性。
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