汽车转向系统的结构优化设计

2018-04-18李佳佳

现代工业经济和信息化 2018年2期

李佳佳

（江苏安全技术职业学院，江苏　徐州　221011）

引言

转向系统的功用是保证车辆按驾驶员意图而进行转向行驶，保证各转向轮之间具有协调的转角关系，作为人车交互界面的转向系统，它的特性会影响到车辆的操纵性与稳定性。本文主要基于转向系统在制动工况下的抖动情况以及目前国内外的相关研究状况，提出了几点自己的设计思路[1]。

1　转向管柱结构设计

转向管柱主要有两个基本功能：一是传递方向盘传来的转矩，保证驾驶员的意图能正确地传递到转向机及转向轮；二是在意外碰撞过程中保护驾驶员安全，确保在发生意外碰撞过程中不对驾驶人员造成损害。越野车转向管柱起着承上启下的作用，它上接方向盘，下接转向器，在正常使用中承担着把方向盘传来的转矩传递给转向器的任务，另外管柱上还附带了常用的组合开关等电子组件[2]。本次设计忽略电子组件对于转向系统抖动性能的影响，主要针对其机械结构及装配关系进行设计。

图1　转向系统总体结构图

如图1所示，转向管柱总成包括变截面转向轴、变截面空心转向外管柱及变截面空心转向内管柱，其中变截面转向轴的一端由变截面转向外管柱前端穿出后与方向盘骨架连接，变截面转向轴的另一端与变截面转向内管柱的一端连接。此外，与变截面转向轴相连接的变截面外管柱外部还布置有转向电机和电机控制器及其支架，是转向管柱的控制部分。该部分的结构和质量分布对于转向管柱的本体模态影响因素不大，因此带控制器的转向管柱与不带有控制器的转向管柱只要管柱本体结构相同则转向管柱的模态即大致相同，因此在设计转向管柱的本体模态时不考虑转向电机和控制的影响因素。

2　方向盘减振设计

一般情况下用方向盘垂向和横向抖动来衡量制动过程中抖动的大小，要减小方向盘的抖动就要求方向盘的垂向和横向振动模态要分别低于或者高于制动4～5 Hz。本设计采用带动力吸振块的转向盘骨架，能够吸收方向盘垂向及横向振动，从而使汽车在制动状态下运转时最大限度地减少方向盘的抖动[3]。

2.1　理论分析

对于具有有限个自由度的线弹性系统，由达朗贝尔原理可以推得动力平衡方程，将其进行傅里叶变换可得：

引入:{x}=[Ø]{q}，其中：[Ø]为模态矩阵；{q}为模态坐标。代入（1）得：

若系统无阻尼自由振动系统，从而求得式（2）特征方程：

式（3）有解的条件是：

由式（4）可求得系统的固有振动频率，将其代入式（2）即可得到系统的固有振型。通常用子空间迭代法求解式（4）中的特征值，为了求得正则坐标下的主振型，还需将固有振型正则化处理。根据上述过程即可得出安装有减振块的越野车方向盘的振动频率与未安装减振块时的方向盘振动频率，对比分析减振块的吸振效果。

2.2　结构设计

如图2减振块位置布置图所示，方向盘总成一般由方向盘骨架、方向盘外蒙皮、组合开关、安全气囊等总成组成。方向盘骨架采用镁铝合金结构，在转向盘的三个腹板上分别设置有吸振块A、B及C，其中吸振块B用于吸收转向盘垂向振动频率，吸收频率一般做成77～80 Hz频率的吸振块。吸振块A和吸振块C用于吸收转向盘横向振动。应用组合方式可以根据两个金属块的频率组成不同的吸收频率，吸收振动效果更佳。吸振块结构不应过大，且不影响转向盘骨架与外蒙皮的装配，通过带锥度的细花键可以实现转向盘与转向轴的连接，通过螺母进行端部轴向压紧固定。因为转向系统各传动件之间难免存在装配间隙，这些间隙反映到转向盘上来就变成转动转向盘的空转角度，对于缓和路面的冲击和避免驾驶员过度紧张来说，转向盘的自由行程起到了一定的作用。