转向管柱带中间轴总成设计指南

设计指南

底盘部

图1 转向管柱带中间轴总成示意图 1.概述

转向管柱带中间轴总成是连接转向盘与转向机的传动机构。

它基本上有两部分组成：一部分是转向管柱总成，另一部分是中间轴总成。它的作用是将作用在转向盘上的手力传递给转向机，并将转向轮受到的力和冲击回传到转向盘使驾驶员能够感知路面情况，对汽车采取正确的操控。

转向管柱上一般固定有方向盘、时钟弹簧、组合开关、点火开关以及组合开关护罩等件，所以设计时要做好各件配合部分的尺寸链计算。

从结构方面可以分为可调转向管柱和不可调转向管柱， 可调转向管柱一般分角度可调、高度可调以及角度和高度均可调三种。 2.转向管柱带中间轴总成的布置要求 空间角度要求

整车布置时考虑到人机工程以及为了避免与其他件干涉，转向管柱与中间轴总成布置时存在空间角度，即转向芯轴中心线、中间轴中心线、转向机输入轴中心线形成的空间角度，它们形成的夹角影响力矩波动和传动效率。

转向芯轴中心线与中间轴中心线形成的角度为β1

中间轴中心线与转向机输入轴中心线形成的角度为β2（如图2所示）

对于多段式空间布置的传动轴形式，我们首先考虑相邻三段轴的计算，按照下列公式可求得相邻三段的等效夹角：

122e ＝（（21-22cos2（2（）））2+42sin4（2（）））

1―――输入轴（转向芯轴）与中间轴夹角 2―――中间轴与输出轴（转向机输入轴）夹角

―――输入轴（转向芯轴）和中间轴所在平面与中间轴和输出轴（转向机输入轴）所在平面的夹角

―――中间轴相位角

e―――等效夹角

为了达到最佳的传动性能，等效夹角βe应尽可能小，从上式可以看出，当α+ψ＝0时，等效夹角βe取得最小值(β12 - β22 )1/2，也即是说ψ＝－α为中间

轴下端连接叉的最佳相位角，在把传动轴调整到最佳相位角的基础上，三段式的传动轴可以简化成下式计算：

e= (|21-22|)12

a.对传动效率的影响 为了获得较高的传动效率，要求1、2锐角小于等于

300，此角度越小越好。

图2 夹角示意图

b.对力矩波动的要求 力矩波动影响到驾驶员对转向系统的感觉，尤其原地打方向，驾驶员对力矩波动比较敏感，力矩波动越小越好。

主动轴、从动轴力矩分别为M1和M2，则

M2max = M1 / cos（emin） M2min= M1 × cos （emin）

所以，方向盘的力矩波动范围是在最大力矩和最小力矩之间，即

cos （emin）～1 / cos （emin），为了使方向盘力矩波动在尽可能小的范围内，应该使输入轴和中间轴所在平面与中间轴和输出轴所在平面的夹角和中间轴下端连接叉的相位角大小相等方向相反，而且使1和2尽可能得小。

定义力矩波动：= M2/M1。

β2

为了达到一个较好的方向盘手感，对的波动要求如下：

|  目标要求 |  让步可以接受 | ＞ 不可接受 c．介绍相位角的概念：

相位角：转向柱中心线（Line I）和中间轴中心线（Line II）形成的平面（PlaneI）与转向机输入轴中心线（Line Ⅱ）和中间轴中心线（Line II）形成的平面(Plane Ⅱ)之间的交角。 图3 相位角示意图 ★注意点：为了使力矩波动达到最小，要求图2中的1=2；相位角要确保正确，相位角的公差越小越好，考虑到工艺实现，推荐值为10。

考虑的整车布置防止干涉等因素，根据目标要求，可以按中的计算方法计算力矩波动|。

c.对转向管柱夹角的要求 根据人机工程及碰撞的要求，转向芯轴与整车的XY平面的交角，推荐值为200~260，如下图所示，一般由总布置根据人机工程布置要求给定。

ABa= 图5 转向管柱布置角度图 可调转向管柱调节范围要求

对于可调转向管柱，在满足总布置（仪表的可视范围等）的条件下，方向盘调节的范围越大，越能满足更多顾客的需要，即调节范围越大越好，推荐值AB（方向盘中心在调节过程中的移动距离）取35mm～45mm，对于可以伸缩的转向柱，伸缩的行程推荐值为40mm左右（如上图所示）。

★注意点：由于存在制造公差和装配误差，避免调节过程中的卡死，确保滑动销能在固定滑道里顺利滑动，要使R2R1

（R2为固定滑道圆弧半径，R1为滑动销圆弧半径）；调节手柄的调节力建议小于等于80N，调节机构锁紧后，转向管柱调节机构保持力不小于690N， 3 转向管柱带中间轴总成接口尺寸要求

为了通用化、标准化，使转向管柱带中间轴总成与转向机、方向盘连接更稳定、更可靠，减少设计及校核的工作量，根据目前已经批量生产而且稳定车型接口尺寸的数据，特制定以下接口尺寸规范。 转向管柱与方向盘的接口尺寸

图6 转向管柱与方向盘接口尺寸图

★ 注意点：转向管柱的锥面长度要大于方向盘的锥面长度，且锥面的贴合长度（沿轴线）大于10mm；转向管柱与方向盘的连接螺母采用B11-3404207，锁紧力矩（353Nm） 中间轴的设计

为了便于整车装配，中间轴与转向管柱常采用滑动机构相连接，装配后，采用带弹垫螺栓或者卡箍将两者锁紧。

如果用类S21、S22等花键结构联接，设计时要保证整车装配后，螺栓处于滑动槽的中间位置（此时中间轴的长度为理论长度），如图7所示。 图7 转向管柱与中间轴连接示意图

中间轴与转向机的接口尺寸

采用两种连接方式：扁位或花键。其接口尺寸如图8所示。

图8中间轴万向节与转向机接口图

★ 注意点：中间轴总成与转向机的连接螺栓采用T11-3404051（强度等级）或Q150B0830TF2配弹垫Q40308，锁紧力矩（252.5Nm）；如果中间轴需要通过单一个固定叉与转向机相连，单叉采用T11叉结构，开口尺寸及花键参数采用此规范。

4 转向管柱带中间轴总成的碰撞安全要求 碰撞溃缩吸能性能

为了避免或减轻车辆碰撞时对驾驶员的伤害，要求转向管柱带中间轴总成在设计时有溃缩吸能的结构。

国标GB11557要求满足a.处于正常工作状况下的整备车辆在不搭乘假人的状况下，以～h的速度进行固定障碍壁碰撞试验，沿平行于车辆纵向中心轴线的水平方向所测量的车辆转向柱和转向轴顶端相对车内不受碰撞影响的某点的向后移动量不得大于127mm；沿垂直方向所测量的车辆转向柱和转向轴顶端相对车内不受碰撞影响的某点的向上移动量不得大于127mm；b.人体模块以h～h的相对速度撞击转向操纵装置时，转向操纵装置作用在人体模块上的力不得超过11123N。

为满足以上国标要求，转向管柱总成静压溃力和压溃行程的要求： 总成静压溃力要求（3500±1000）Nm，压溃距离一般不小于65mm；

能实现转向管柱压溃的结构有很多种，下面以S21为例，分解一下转向管柱的压溃结构。

图9 转向管柱总成压溃结构示意图

如图9所示，管柱总成溃缩结构分三部分组成，(1)管柱上安装支架是通过两边各一个拉脱块固定在车身上，拉脱块与上支架采用注塑销连接，当管柱受力时注塑销被切断，上支架与拉脱块脱离，向下移动；(2)上芯轴为实心轴套在空心管的下芯轴中，通过注塑工艺连接，当上芯轴受力时，注塑销被切断，上芯轴向下移动；(3）上下柱管采用过盈结构连接，当上柱管受力时，上柱管相对下柱管向下移动，通过摩擦吸能。通过这三个部分作用，转向管柱达到溃缩吸能效果，以减轻或避免对驾驶员的伤害。 防盗要求：

图10 转向管柱与点火锁装配示意图 如图10所示点火开关安装在转向管柱的柱管上，通过凸台定位，点火开关上有一锁舌可以伸缩，当钥匙拔出时，锁舌弹出，转向芯轴上有一锁止槽，当转向转向管柱

芯轴转动到锁止槽与锁舌啮合时，转向芯轴被锁止无法起到转向的作用，从而起到防盗的功能。此时需要将钥匙插入点火开关钥匙孔并转动到I档位置，锁舌自动弹回，转向芯轴可以重新自由转动。当钥匙在点火开关上时，无论在哪个档位只要钥匙不拔出，锁舌都不会弹出而发生锁止现象。

点火开关

图11 点火开关锁舌与转向管柱锁止槽啮合示意图 图12点火开关锁舌弹回解锁示意图

凸台 根据国标GB 15740-2006要求，满足在转向机构不发生危及安全的损坏条件下，防盗装置应能承受静态条件下绕转向轴的在两个方向上施加的300Nm的扭矩。 5.转向管柱带中间轴总成的传动效率

影响转向管柱带中间轴总成传动效率两大因素

①转向万向节轴承摩擦（此处只考虑两对十字轴式万向节结构） ②管柱上两个轴承摩擦

十字轴式万向节传动轴的传动效率与两轴的轴间角、十字轴支承的结构和材料、加工和装配精度以及润滑条件等有关，近似的可以按下式计算：

图13 十字轴结构

当两轴的轴夹角β≤25°时 η＝1－2βμd/Rπ

当两轴的轴夹角25°<β≤40°时

η＝1－ dμ（2tan(β/2)+tan(β)）/Rπ以上两式中： d——十字轴轴颈的直径，按8mm（对于目前）计算

R——十字轴中心至轴颈支承长度中点的距离，按16mm（对于目前）计算 μ——十字轴轴颈与轴承的摩擦系数，按计算

上述公式计算出来的两对十字叉万向节的传动效率分别为：1和2

转向管柱两个轴承处的传动效率按经验值为η3＝η4＝ 故转向管柱带中间轴总成的总的传动效率为：

对于此传动效率的取值范围，经验值在90％左右，据初步分析，传动效率

影响车辆回正，转向力等。 6 舒适性要求 固有频率

对于可调或者不可调转向管柱带中间轴总成，固有频率要大于等于40Hz。 中间轴联轴结

为了削弱由于底盘的地面凸凹不平通过转向机构传递给方向盘旋转方向高频的振动，防止由此引起驾驶员的疲劳，在追求舒适性的车上，建议采用隔离高频振动的中间轴联轴结结构。在市场定位相对较低或者追求转向灵敏度较高的运动型车辆上，可以不采用此结构。

初步采用以下参数： 橡胶衬套刚度：轴向刚度333N/mm±30N/mm(±±°MAX)；；限位角度：K2=K2'=±3°。

扭转力矩（Nm）扭转角度（deg） 图14 橡胶衬套刚度曲线示意图

图14中：K1'=±；Ti=(T2-T1)/K1=(T2'-TI')/K1'；Th=(T3-T2)/K2=(T3'-T2')/K2'。

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