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1、实验一：可分离式汽车转向操作机构设计 与三维CAD建模分析实验报告 一、 实验过程说明1、引言随着社会经济和汽车工业的发展，汽车变得越来越普及。汽车转向管柱作为驾驶员操控汽车的重要部件，其安全性和可靠性显得尤为重要。在汽车行驶的过程中，任何来自转向管柱的异响、卡滞和变形过大都会给驾驶员造成很大的心理压力，影响行车安全。转向管柱主要包括转向轴总成、上柱管、管柱支架、紧定螺栓、拉脱锁、下柱管、下支架、旋铆销轴、锁定手柄等。转向轴总成通常是上端加工有连接花键，用来安装方向盘；下端焊接有万向节总成，与转向器连接，实现转向扭矩的传递。上、下柱管装配在一起，通过管柱支架和下支架安装在车架上。拉脱锁与管柱支
2、架通过注塑装配在一起。它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。同时装有转向柱管安全装置和方向盘位置调节装置，分别是用于当转向轴受到巨大的冲击时产生轴向位移，使支架或支撑塑性变形来吸收冲击能量，防止驾驶人员因转向机构原因而受伤；以及因驾驶员身高不同，把握方向盘时要调整方向盘的高度来达到安全舒适的状态。转向操作机构是汽车上不可或缺的一部分，其工作可靠性直接影响行驶安全。本实验是根据机械原理，参考大众新桑塔纳转向操作机构参数，设计了转向操作机构的传动机构和动力机构。并运用本课程所学的知识，基于UG建模软件对转向操作机构的机构零件进行结构设计和优化，然后运用ADAMS运动学仿真软件对转向操作机
3、构进行仿真分析以及动画制作，对相关的参数进行分析，终完成本转向操作机构的简易设计。2、可分离式机构设计方案与参数计算 （1）设计方案根据网上查找的资料，转向吸能装置的设计方案一般有如下几种：1 可分离式机构简图如图2.1所示。此类转向操纵机构的转向管柱分为上下两段，当发生撞车时，上下两段相互分离或相互滑动，从而有效地防止转向盘对驾驶员的伤害，但转向机构本身并不包含吸能装置。2 网格管、波纹管变形吸能式机构简图如图2.2所示。其转向操纵机构的转向轴和转向管柱都分成两段，上转向轴和下转向轴之间通过细花键结合并传递转向力矩，同时它们二者之间可以作轴向伸缩滑动。在下转向轴的外边装有波纹管，它在受到压缩
4、时能轴向收缩变形并消耗冲击能量。它的下转向管柱的上端套在上转向管柱里面，但二者不直接连接，而是通过管柱压圈和限位块分别对它们进行定位。当汽车撞车时，下转向管柱向上移动，在第一次冲击力的作用下限位块首先被剪断并消耗能量，与此同时转向管柱和转向轴都作轴向收缩。当受到第二次冲击时，上转向轴下移，压缩波纹管使之收缩变形并消耗冲击能量。3 钢球滚压变形式机构简图如图2.3所示。其结构分为转向管柱上下两段，上转向管柱比下转向管柱稍细，可套在下转向管柱的内孔里，二者之间压入带有塑料隔圈的钢球。隔圈圈起钢球保持架的作用，钢球与上下转向管柱压紧并使之结合在一起。在撞车时，上下管柱在轴向相对移动，这时钢球边转动边
5、在上下转向管柱的壁上压出沟槽，从而消耗了冲击能量。支架变形缓冲式机构简图如图2.4所示。发生碰撞时，转向器向后移动，下转向传动轴插入上转向传动轴的孔中，上转向传动轴被压扁，吸收了冲击能量。此外，转向管柱通过支架和U形金属板固定在仪表板上。当驾驶员身体撞击转向盘后，转向管柱和支架将从仪表板上脱离下来向前移动。这时，一端固定在仪表板上而另一端固定在支架上的U形金属板就会产生扭曲变形并吸收冲击能量。 图 2.1 图 2.2 图 2.3 图2.4（2） 设计要求 根据汽车驾驶的要求，汽车转向操作机构有如下设计要求：1 操纵轻便，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。2 转向盘转动方向与汽车行驶
6、方向的改变相一致。3 按照防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定的试验程序，人体模块以24.1km/h25.3km/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水平力不得超过11123N。4 转向操纵装置面向驾驶员侧能被直径为165mm球体接触的部分应平滑，尖角或凸起部位的圆角半径不得小于2.5mm。5 压缩行程：转向柱及中间轴的可压缩行程150mm以上；6 转向柱系统烦人最小临界压力：1.12.5kN；7 转向柱断开联接盒分离力：联接盒每个注塑销的破坏力为500N，转向柱上每个可断裂联接盒一般有24个注塑销；8 除了保证规定的轴向压缩力外，还要足够的抗弯强度，以提高轴向吸能效果
7、；9 压缩吸能部分上下端有一定的强度和刚度差异，保证压缩吸能力的传递根据设计要求，综合考虑其他因素，参考上诉第一种设计方案进行设计。把汽车转向操作机构机构主要分成三部分：一部分机构为方向盘机构，主要由骨架等组成，通过矩形细花键与转向轴上端相连，并用螺母轴向固定限位；另一部分的机构为上转向轴，从转向管柱中穿过并通过支撑轴承和上端轴承支撑在转向管柱中，转向轴上下端用弹性挡圈轴向限位；另一部分为转向柱管，用支架固定在驾驶室的前围板上，转向柱管上装有组合开关、点火开关等部件。本次设计中传动机构使用可分离式缓冲吸能机构，动力机构参照实际汽车的转向操纵机构为动力部分，简化为传动机构得到汽车转向操作机构完整
8、的机构简图如图2.5所示：图2.5 汽车转向操作机构机构运动简图该机构的参数如下：Dab=385mm，Lcd=836mm，Lef=457mm，Lgh=319mm。此机构中传动机构处于极位，且同时处于死点锁死位置；动力机构（即方向盘机构AB）是转向动力机构，且传动过程中无死点。计算机构的自由度：F=3*6-2*8-1=1。方向盘为主动件时，已知自由度为1，所以，该机构具有确定的相对运动。3、可分离式机构运动学设计与仿真验证将装配好的转向操作机构模型从UG中导出为.xmt格式，之后将其导入到Adams软件中进行运动学仿真。添加好各项运动副，将方向盘分别设置为驱动，辅以STEP(TIME.)时间函数
9、，实现转向操作机构运动方向盘调节动作。 图3.1 导入UG中导出的.xmt文件 图3.2 加载约束模型图3.3 模型自由度验证模型4、可分离式机构三维CAD建模设计与分析（1）传动机构的设计起初设计为波纹管式转向操作机构，之后不易对其进行仿真，所以改为可分离式转向操作机构。传动机构为上下两轴的连接传动，其中上转向轴长度为823mm，下转向轴长度为460mm，且满足转向轴条件。转向轴主要的尺寸为直径为35mm，转向管柱最大直径为95mm。图4.1为传动机构的结构三维模型图。图4.1 传动机构三维模型（2）动力机构的设计动力机构为方向盘机构及手柄的调节装置，其中方向盘最大直径为385mm，方向盘调
10、节装置的滑槽长度为80mm,可以对方向盘进行伸缩调节，手柄的调节角度为30。方向盘与转向轴连接成转动副。动力机构的结构如图4.2所示。转向操作机构整体结构图如图4.3和图4.4所示。 图4.2 动力机构三维建模 图4.3 波纹管式转向机构三维建模 图4.4 可分离式转向操作机构三维建模5、可分离式机构动力学分析与仿真（1）运动分析将转向操作机构的三维模型导入ADAMS软件中，对各个构件进行约束，然后动画仿真分析，仿真结果分别如图5.2、5.3和5.4所示. 图5.1 转向操作机构前后调节 图5.2 转向操作机构前后调节图5.3 分离式缓冲吸能该机构的主动件为方向盘，通过给方向盘施加一个与水平面
11、成30角的力，在动力机构中产生传递，作用于传动机构，使转向操作机构上下转向轴进行分离。由之前的方案确定知道该转向操作机构的各个参数设计，现在对该转向操作机构进行运动学仿真分析。在方向盘与地面之间添加单向力为11000N，设置的仿真时间为5s,仿真过程中上转向轴的位移、速度、加速度分别如图5.4、图5.5、图5.6所示。图5.4 上转向轴位移图5.5 上转向轴速度图5.6 上转向轴加速度由图5.4、图5.5和图5.6可知，上转向轴下滑动，位移为H=135mm，且加速度突变，减少了对人体的刚性冲击。该机构从动件为下转向轴，下转向轴的速度如图5.7所示。图5.7 下转向轴位移从动件下转向轴的速度如图
12、5.8所示。图5.8 下转向轴速度曲线由图5.7、图5.8可知，从动件下转向轴向下运动，且加速度无突变，为上转向轴的滑动提供了空间。（2）静力分析(不计重力)汽车共有1个转向操作机构，查资料知中型汽车对人体的冲击力不能超过11123N，上下转向轴之间阻力不得超过500N。 在ADAMS中对各个构件进行修改，将重力设置为0。将初始给方向盘的力为11000N施加在方向盘质心上，运动仿真得传动件上转向轴的动能如图5.9所示.图5.9 传动件上转向轴的动能上下转向轴之间连接螺栓的摩擦曲线如图5.10所示：图5.10 连接处的摩擦上下转向轴之间连接处的轴套力如图5.11所示：图5.11 连接处的力曲线由
13、上述仿真图可知构件上转向轴做向下滑动吸收冲击的能量，符合转向操作机构防伤功能，且从动件受较大的力，但是主动件需要施加的力合理，才能有利于控制；固定连接处的螺栓受到的力有集中突变，在结构设计的时候需要加以注意。（3）吸能检验把汽车转向操作机构的上转向轴加入平移驱动，上下转向轴之间连接处摩擦，所有约束加载以后测量转向操作机构在冲击力作用吸收能量的曲线。利用ADAMS软件进行测量，结果如图5.12所示：图5.12 转向轴吸能能量吸收式转向柱除了要保证汽车正常行驶时的传递转向扭矩外，当汽车发生正面碰撞，碰撞力达到一定值时，转向轴可以伸长、压缩、弯曲或断开以消除转向齿轮的后移影响，达到隔绝首次碰撞影响的
14、目的，满足传动条件。6、可分离式机构主要零件加工工艺与建模方法分析 上转向轴、下转向轴的三维模型图分别如图6.1、6.2所示。 图6.1 上转向轴 图6.2 下转向轴图6.3 转向轴装配图1.主要加工工艺（1）尺寸精度轴颈是轴类零件的主要表面，它影响轴的回转精度及工作状态。轴颈的直径精度根据其使用要求通常为IT69，精密轴颈可达IT5。（2）几何形状精度轴颈的几何形状精度（圆度、圆柱度），一般应限制在直径公差点范围内。对几何形状精度要求较高时，可在零件图上另行规定其允许的公差。（3）位置精度主要是指装配传动件的配合轴颈相对于装配轴承的支承轴颈的同轴度，通常是用配合轴颈对支承轴颈的径向圆跳动来表
15、示的；根据使用要求，规定高精度轴为0.0010.005mm，而一般精度轴为0.010.03mm。此外还有内外圆柱面的同轴度和轴向定位端面与轴心线的垂直度要求等。（4）表面粗糙度根据零件的表面工作部位的不同，可有不同的表面粗糙度值，例如普通机床主轴支承轴颈的表面粗糙度为Ra0.160.63um，配合轴颈的表面粗糙度为Ra0.632.5um，随着机器运转速度的增大和精密程度的提高，轴类零件表面粗糙度值要求也将越来越小。（5）加工工艺一般轴类零件常用45钢，根据不同的工作条件采用不同的热处理规范（如正火、调质、淬火等），以获得一定的强度、韧性和耐磨性。对中等精度而转速较高的轴类零件，可选用40Cr等
16、合金钢。这类钢经调质和表面淬火处理后，具有较高的综合力学件能。2.建模方法分析先进入草图界面画出所需草图，再进行拉伸到所需长度，选择合适的平面进行下一个草图的绘制，绘制曲线过程中需要准的位置及尺寸数据，通过拉伸、回转得到初步的图形，之后对实体棱边进行倒圆角、CSG求和求差等操作，弯曲部分采用扫掠方法得到实体几何图形，对连接部位的孔进行螺纹操作。装配时用对齐、接触等方法对相关零件进行装配，确保其有相一致的中心线、接触面等。但是三维建模也有缺陷，不能赋予材料属性等各种其他重要属性，精度、尺寸要求都没有导入到实体几何中等。7、可分离式转向操作机构安全性和轻便性优化设计的主要步骤第一，确定转向操作机构
17、关键结构性能指标；第二，建立操作机构多体模型，计算转向操作机构关键结构件主要尺寸数据；第三，建立适合于转向操作机构关键结构件拓扑优化设计的有限元初始设计域；第四，建立拓扑优化数学模型；第五，迭代求解；第六，获得转向操作机构结构件拓扑优化设计结果。根据优化的数模进行实际制作试验件，验证是否满足各项性能要求，及与优化之前对比主要的性能、尺寸的各项参数的变化，对于实际生产中的有利之处等。 8、实验结论与总结根据仿真结果，汽车发生撞击时转向操作机构缓冲吸能机构符合防止人体由于此而受到很大伤害的要求，符合汽车安全性要求的规定。通过结构设计满足管柱的碰撞方面要求，保证驾驶员安全。在设计中转矩的功能实现及校
18、核、安全设计及校核，都要经过大量的试验及分析才能确定。当然，一个成功的管柱设计不仅仅是以上两种功能上的实现，还有诸如角度调节和轴向调节等方面，还要经过强度、疲劳、固有频率、噪声、振动和吸能等各方面的大量的CAE分析、零部件及整车试验验证，同时还要考虑生产装配、成本和制造工艺等方面。通过本次对汽车转向操作机构的设计，让我加深了对本门课程所学知识的理解，进一步熟悉了利用UG进行CAD三维建模的过程，并且较熟练的掌握了基于UG的零件建模和装配，初步学会了怎样利用ADAMS进行运动学仿真、动力学仿真等。虽然本次基本完成了设计任务，但设计过程仍然有许多不足之处，希望在以后学习应用中能够更熟练、更有技巧，在不足之处有所改进。同时非常感谢刘老师和班级同学在这门课程中对我的帮助，让我能顺利完成本次的设计任务。二、实验结果1、机构运动学仿真动画文件（见附件1）2、机构的运动学仿真ADAMS模型文件(见附件2)3、零件的三维模型文件（见附件3）4、装配模型文件（见附件4）14网络#借鉴