工程實踐-汽車潰縮式轉(zhuǎn)向柱的改進方案計劃

..汽車與交通學院課程大作業(yè)說明書課程名稱:車輛工程專業(yè)工程技能實踐課程代碼:106010429題目:汽車潰縮式轉(zhuǎn)向柱的改進方案計劃年級/專業(yè)/班:2012級/車輛工程/汽設(shè)3班學生姓名:張明銀學號:開始時間:2015年04月13日完成時間:2015年06月19日課程大作業(yè)成績：學習態(tài)度及平時成績〔30技術(shù)水平與實際能力〔20創(chuàng)新〔5說明書〔計算書、圖紙、分析報告撰寫質(zhì)量〔45總分〔100指導教師簽名：年月日目錄TOC\o"1-3"\f\t"課程論文一級標題,1,課程論文二級標題,2,課程論文三級標題,3,致謝,1,參考文獻,1,摘要,1"摘要-2-1.引言-3-2.轉(zhuǎn)向柱安全相關(guān)法規(guī)-4-3.工作原理·····-4-3.1潰縮式轉(zhuǎn)向柱-5-3.2能量吸收式轉(zhuǎn)向柱··················-5-3.3改進結(jié)構(gòu)--吸能潰縮式轉(zhuǎn)向柱-6-4.轉(zhuǎn)向柱安裝角度的影響-7-5.結(jié)束語-8-致謝-9-參考文獻-10-摘要當汽車發(fā)生正撞時,碰撞能量使汽車的前部發(fā)生塑性變形。位于汽車前部的轉(zhuǎn)向柱及轉(zhuǎn)向軸在碰撞力的作用下要向后即駕駛員胸部方向運動。這種運動的能量應(yīng)通過轉(zhuǎn)向柱以機械的方式予以吸收,防止或減少其直接作用于駕駛員身上,造成人身傷害。另—方面,在汽車發(fā)生正碰時,駕駛員受慣性的影響有沖向轉(zhuǎn)向盤的運動。駕駛員本身的運動能量一部分由約束裝置如安全帶、氣囊等加以吸收,另一部分傳遞給轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱系統(tǒng)。這部分能量也要通過轉(zhuǎn)向盤及轉(zhuǎn)向柱系統(tǒng)予以吸收,以防止超出人體承受能力的碰撞力傷害駕駛員。潰縮式轉(zhuǎn)向柱除了能滿足轉(zhuǎn)向柱常規(guī)的功能外,在汽車發(fā)生正面碰撞時,能夠有效地吸收碰撞能量,防止或減少碰撞能量傷害駕駛員[1]。關(guān)鍵詞：潰縮式轉(zhuǎn)向柱、能量吸收式轉(zhuǎn)向柱、碰撞駕駛員安全、轉(zhuǎn)向柱優(yōu)化1,引言當車輛發(fā)生事故尤其是前面碰撞時,人的胸部及頭部由於離方向盤較近,因此很容易就會撞到方向盤,甚至車身撞擊潰縮之后方向盤向后擠壓,亦是很容易傷及駕駛者,因此法規(guī)上對於轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都有安全上的規(guī)范,以美國聯(lián)邦安全法規(guī)FMVSS為例,對於方向盤及方向機柱所組成的轉(zhuǎn)向系統(tǒng),有底下兩項規(guī)定：一為當以假人以15mph〔約25km/h的相對速度撞擊方向盤時,於假人的胸部產(chǎn)生的沖擊力,不得大於2500磅〔約1134公斤的規(guī)定,且當以30mph〔約48km/h實車正面撞擊時,此時方向盤的后移量不得超過5英寸〔約12.7cm[2],由此可見轉(zhuǎn)向系統(tǒng)乃是一項非常重要的安全系統(tǒng),為達到此項法規(guī),方向機柱必須設(shè)計成當承受撞擊后吸收能量的方式,才能在車輛承受前面撞擊時,駕駛?cè)送白矒舻椒较虮P時能產(chǎn)生潰縮作用來吸收撞擊的能量,將人的碰撞傷害降至最低的安全保護。常見的吸收碰撞能量的措施主要有采用能量吸收式轉(zhuǎn)向柱和采用潰縮式轉(zhuǎn)向柱。而將兩者結(jié)合不但能達到同等安全保障性能,還能節(jié)約碰撞后修復(fù)成本。2,轉(zhuǎn)向柱安全相關(guān)法規(guī)國際上汽車發(fā)達國家對防止轉(zhuǎn)向柱對駕駛員的傷害都有法規(guī)要求。這些法規(guī)中規(guī)定了汽車發(fā)生正面碰撞時,轉(zhuǎn)向柱的向后水平位移量和碰撞力的要求。如,美國的安全法規(guī)FMVSS203,204、我國的安全法規(guī)GB11557-89、聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會的安全法規(guī)ECER12,74297、日本保安基準11-4-1、澳大利亞的安全法規(guī)ADR10A,ADR10B都對轉(zhuǎn)向柱提出了安全要求[3]。表1即為這些法規(guī)的對比情況。3,工作原理3.1潰縮式轉(zhuǎn)向柱〔圖1當汽車發(fā)生正面碰撞時,汽車與障礙物的碰撞稱為首次碰撞。汽車與障礙物碰撞后,由于慣性,乘員與轉(zhuǎn)向盤、乘員與擋風玻璃等車內(nèi)物體的碰撞稱為二次碰撞[4]。采用潰縮式轉(zhuǎn)向柱可以吸收部分碰撞能量減少首次碰撞及二次碰撞對駕駛?cè)藛T的傷害。潰縮式轉(zhuǎn)向柱軸是由下軸總成、上軸總成和轉(zhuǎn)向支架總成三大部件組成[5],與傳統(tǒng)的不同,當汽車發(fā)生正面碰撞時,碰撞力達到一定值F碰1時,可潰縮式轉(zhuǎn)向管柱的三大部件將瞬間折斷,自動按照預(yù)先設(shè)計進行潰縮變形,為駕駛員預(yù)留足夠的緩沖空間,避免對駕駛員的腰部、腹部、下肢、頭部產(chǎn)生直接沖撞,從而確保駕駛員的生命安全。這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向柱碰撞時能產(chǎn)生較大的緩沖距離,但是在碰后維修時比較麻煩,費用較高。碰撞后碰撞前碰撞后碰撞前圖〔13.2能量吸收式轉(zhuǎn)向柱〔圖2其工作原理出發(fā)點與上者潰縮式轉(zhuǎn)向柱相似,只是在結(jié)構(gòu)方面有所區(qū)別,較上者更為簡單,潰縮式轉(zhuǎn)向柱在碰撞時發(fā)生的是結(jié)構(gòu)上面的潰縮,而能量吸收式在碰撞時只是在潰縮軸潰縮區(qū)發(fā)生材料上面的潰縮[6]。當汽車發(fā)生碰撞時,碰撞力達到一定值F碰2時,轉(zhuǎn)向柱的潰縮部位發(fā)生不可復(fù)原式潰縮,從而為駕駛員提供更大的緩沖空間,減少對駕駛?cè)藛T身體的傷害[7]。這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向柱在碰撞時產(chǎn)生的緩沖距離有限,但是在碰后維修時比較簡單,費用較低。碰撞前碰撞后碰撞前碰撞后圖〔23.3改進結(jié)構(gòu)—吸能潰縮式轉(zhuǎn)向柱〔圖3在結(jié)構(gòu)上將上面兩種不同的能量吸收保護措施相結(jié)合,第一種潰縮式轉(zhuǎn)向柱在碰撞后較第二種能量吸收式轉(zhuǎn)向柱能有更大的潰縮距離,能夠更大程度的縮短轉(zhuǎn)向柱的長度,從而在碰撞后能夠為駕駛?cè)藛T提供一個比較大一點的緩沖空間,更大程度的減少碰撞可能帶來的傷害,但是這一種轉(zhuǎn)向柱成本相比于第二種能量吸收式轉(zhuǎn)向柱要高出很多,而且一般在碰撞后轉(zhuǎn)向柱結(jié)構(gòu)將被破壞,撞后必須進行修復(fù),而修復(fù)過程就是更換轉(zhuǎn)向柱,造成了維修費用的增加。第二種能量吸收式轉(zhuǎn)向柱在碰撞后較第一種的潰縮距離小,為駕駛員提供的緩沖距離有限,在嚴重碰撞中所起作用不足,但是其造價成本較低,在碰后維修過程只需更換一段損壞的潰縮區(qū)的軸段,維修方便,維修價格較低。將能量吸收式轉(zhuǎn)向柱的能量吸收部分的結(jié)構(gòu)經(jīng)過改進裝配在潰縮式轉(zhuǎn)向柱的第二段潰縮軸上,通過材料和結(jié)構(gòu)的保障,可以使改進后的轉(zhuǎn)向柱發(fā)生二段潰縮。當改進后的第二段潰縮軸在碰撞后碰撞力達到一定的值F碰1的時候首先發(fā)生材料潰縮,產(chǎn)生第一段緩沖距離S1,如果第一段緩沖距離已經(jīng)足夠起到保護作用,則第二段潰縮不會發(fā)生,這樣既起到了保護作用,而且在事后進行汽車轉(zhuǎn)向柱維修的時候只需將發(fā)生潰縮損壞的那段軸更換,而對于潰縮式轉(zhuǎn)向柱的大體結(jié)構(gòu)并沒有破壞。如果在碰撞后第一段潰縮產(chǎn)生的緩沖距離無法達到足夠保護作用,及碰撞時轉(zhuǎn)向柱上的力達到F碰2時,轉(zhuǎn)向柱將發(fā)生第二段潰縮S2,也就是結(jié)構(gòu)上的潰縮,進一步加大緩沖空間,這樣發(fā)生二段潰縮后,雖然維修時需要更大的費用。不過若是在碰撞過程中能產(chǎn)生使得改進后的轉(zhuǎn)向柱發(fā)生二段潰縮S1+S2的力,必定是重大安全事故,這樣的力早已足夠使得整個車身及發(fā)動機艙內(nèi)的各類零部件摧毀,而這種情況下對于駕駛?cè)藛T的保護性已經(jīng)超過轉(zhuǎn)向柱所能產(chǎn)生的保護性能了。事故后基本不存在維修過程,因為經(jīng)過這樣的沖撞后汽車基本可以報廢。圖〔34,轉(zhuǎn)向柱安裝角度的影響如圖4所示為轉(zhuǎn)向柱-駕駛員系統(tǒng)的受力關(guān)系圖。當汽車發(fā)生正面碰撞時,駕駛員胸部對轉(zhuǎn)向柱系統(tǒng)的碰撞力,即傷害駕駛員的碰撞力F可分解為沿轉(zhuǎn)向柱軸線的使轉(zhuǎn)向柱壓縮吸能的分力F1,和使轉(zhuǎn)向柱向上彎曲的分力F2[8]。F1=FcosθF2=Fsinθ其中,θ為轉(zhuǎn)向柱安裝角。當碰撞力F不變而θ變大時,沿轉(zhuǎn)向柱軸向的吸能力F1略有下降,而使轉(zhuǎn)向柱向上彎曲的分力F2卻大幅度上升。F2的增大對于降低碰撞力有兩個不利的影響:當F2較大時會影響轉(zhuǎn)向柱從車身上脫離;F2增大使駕駛員胸部所受的碰撞分力加大,使吸能緩沖效果下降。一般來講轉(zhuǎn)向柱的安裝角度在21°--23°時吸能緩沖效果最佳[9]。5,結(jié)束語汽車發(fā)生碰撞時,碰撞能量使汽車前部發(fā)生塑性變形,安裝在汽車前部與轉(zhuǎn)向器輸入端相聯(lián)的轉(zhuǎn)向中間軸在碰撞力的作用下向后運動。隔絕首次碰撞的影響可由轉(zhuǎn)向中間軸來完成。碰撞繼續(xù)發(fā)展,碰撞力作用在轉(zhuǎn)向柱的下端,使轉(zhuǎn)向柱向后移動；同時駕駛員在本身的慣性作用下沖向轉(zhuǎn)向盤[10]。盡管駕駛員本身有約束裝置如安全帶、氣囊的約束,仍有一部分能量要傳遞給轉(zhuǎn)向桂系統(tǒng)。吸收二次碰撞能量和駕駛員的部分慣性能量是吸能潰縮式轉(zhuǎn)向柱的重要任務(wù)之一。在原有的能量吸收式和潰縮式轉(zhuǎn)向柱的基礎(chǔ)上改進的這款吸能潰縮式轉(zhuǎn)向柱雖然綜合上面二者優(yōu)點,能更好更經(jīng)濟的發(fā)揮作用,但是轉(zhuǎn)向柱對駕駛員的保護作用始終是有限的,還需要在汽車的其他結(jié)構(gòu)上進行創(chuàng)新改進,從而更好的提高汽車安全性能。致謝感謝本次車輛工程專業(yè)工程技能實踐的指導老師徐沿海教授,在整個實踐過程中,從方案題目的選擇到方案思想路線的提出以及改進設(shè)計過程,徐教授始終秉持一種嚴謹認真的態(tài)度,耐心解答了我在本次實踐中遇到的各類難題,并為我的改進方案提出了極為重要的建議,補充了我在實踐過程中所缺乏的一些基本知識和技能。在這最后再次感謝徐教授的悉心照顧指導。參考文獻[1]李立,張成寶等．B級轎車轉(zhuǎn)向管柱的開發(fā)策略．七海汽車,20XX11期：18—20．[2]劉志新,張曉龍等．C-NCAP試驗中乘員胸部傷害特征分析．1NFATSProceedingstheSixthIntemationalForumofAutomotiveTrafficSafety。20XX：292—295．[3]GB11557-1998防止汽車轉(zhuǎn)向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