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汽车吸能防伤转向机构的设计分析 摘要结合国内外吸能转向系统的研究设计了一套吸能防伤转向机构主要解决汽车在正面碰撞时转向柱如何更好吸收二次冲击能量的问题利用有限元方法对设计机构进行碰撞仿真通过对比验证此机构具有较好的吸能作用能更好地保护乘员在二次碰撞时的安全。关键词吸能防伤转向机构碰撞仿真汽车被动安全中图分类号文献标识码文章编号—一一据交通事故的统计资料和对汽车碰撞试验的研究结果表明当汽车正面碰撞时转向盘和刚性转向管柱是使驾驶员受伤的主要元件驾驶员的受伤程度取决于驾驶员与车内附件二次冲撞的剧烈程度。在事故发生时不仅要减少驾驶员的前冲位移而且要减轻车身内部的刚性凸出物与驾驶员发生的二次碰撞因此对汽车吸能防伤转向机构的研究和使用是非常必要的。目前在国外生产的轿车上大都有吸能防伤转向机构并配有安全气囊就汽车吸能防伤转向机构的关键吸能部件来说国内研究起步较晚虽然国内对可伸缩式转向中间轴也较早地进行了研究和使用但其目的不是用来隔绝一次冲撞。汽车吸能防伤转向机构是一种能够在正面碰撞事故中确保驾驶员有足够的生存空间并能够吸收冲撞能量减轻驾驶员受伤害的被动保护装置。相关研究表明吸能转向系统能降低乘员致命几率降低乘员重伤几率。吸能防伤转向机构的设计建模根据国内外对吸能转向机构研究的对比分析设计出一套套筒钢球式转向管柱由按一定要求排列的钢球带钢球支架和变形支架组成。吸能防伤转向机构的工作原理吸能转向机构的内套简作为钢球的支架安装在上下转向柱之间钢球与转向柱之间是过盈配合在非受力情况下不影响转向当汽车发生碰撞并且冲击达到一定程度时上下转向管柱相对运动并使钢球因挤压而变形上下转向柱相对收缩释放空间进一步挤压套筒中的钢球在碰撞力的作用下使内套筒壁表面被撕裂起到吸收碰撞能量的作用改变钢球的尺寸即可调节转向管柱可承受的冲击载荷。吸能防伤转向机构钢球支架尺寸确定首先确定内、外套筒间过盈配合间隙值其计算公收稿日期年月褴机械制造誊蓑期式如下△器半式中几为互相平行的径向力数为计算断面接触点处的法向力为弹性模量丸、九为外、内套管系数为套管壁厚。撞车时作用在转向柱上的轴向力凡受套简间压力的限制可由下式得到。∽式中厂为摩擦因数。外、内套管系数九、由下式计算凡婀可万币巧丽弘惦订万灭瓦瓦下式中。、。为外、内套简平均半径肛是泊松比。转向管柱和内、外套筒的尺寸通过设计来确定应用式、、、确定过盈配合的间隙这样就确定了钢球尺寸再在套筒的两端分别布置个孑用以装配钢球由此套筒与钢球装配好的模型如图所示。转向柱如图所示由上下两段组成下转向管柱也分为两段两段的轴线平行中间用柔性联轴器连接联轴器的上下凸缘盘靠个销子和销孔连接销子通过衬套与销孑配合。当汽车发生猛烈撞击时车身和车架产生严重变形导致转向轴、转向盘等部件后移。与此同时在惯性力的作用下驾驶员人体向前冲致使转向轴的上下凸缘盘的销子和销孔脱离从而缓冲冲击吸收冲撞能量有效减轻了驾驶员受伤的程度。上支架固定在车身上并与转向管柱相连下支架固定在转向管柱上。下支架的导向槽内安装有固定在舢Ⅲ圄万方数据车身上的定位栓。总装后整套转向机构如图所示。吸能转自机构模型日简化本文研究的吸能机构不考虑如万向节、转向中同轴和转向器等构件因素因为这些构件在碰撞中所表现的功能是在一次冲撞中完成的。将此模型中钢球简化成上下转向管柱之问的个销子在发生碰撞时由于突然的挤压力很大销子会被挤断上转向管柱会嗣销子的被剪断而下移这样不仅简化了计算也比较接近原模型同时在方向盘上方加个撞击块体如吸能机构模型的碰撞仿真分析驾驶员的二次冲撞是个瞬志发生的过程在这一过程中驾驶员和转向机构的各军部件受冲击载荷的作用发生大位移、大转动、大变形的接触碰撞目而研究吸能防伤转向机构的碰撞仿真应建立在瞬卷非线性接触等有限元理论的基础上。对吸能机构进行前处理包括划分网格、焊接处理Ⅵ及材料、接触、约束速度、质量的定义吸能防伤机构有限元模型如图所示。将撞击块体定义为刚性体吸能机构为弹轵性材料撞击块体约束除方向“外的所有自由度定义吸能机构底端除绕轴转动以外的所有自由度定义撞击块体的速度为其它被撞物体速度为撞击块体的质量定刨柚Ⅲ义为虹。吸能机构模型的碰撞仿真结果将前处理模型“文件输出在—中计算前处理导出的模型文件井在中处理计算结果。以同样的方法仿真计算没有暇能防伤机构的转向机构筒单机构用对比吸能机构的作用图为阿种机构在仿真时的变形敢果图。汽车碰撞时驾驶员的二次冲撞是在几十蛐一几百内完成的汽车正面碰捧时刚性管受到冲击随着冲击继续原机构刚性不够就发生弯曲从图中可“看这种情况下的变形会造成很大的伤害。而吸能防伤转向机构在遭到正面碰撞并且碰撞力达到一定程度时上转向管柱在碰撞力的作用下挤断钳子锖于被剪断后上转向管柱在碰撞力的作用下下移这样就减轻对乘员的伤害起到了防伤的作用简