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壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 潰縮式汽車方向盤設(shè)計 [摘要]隨著汽車保有量的增長，汽車的安全、節(jié)能、環(huán)保成為當(dāng)今汽車工業(yè)乃至整個人類社會面臨的三大焦 點問題，而汽車安全問題更是首當(dāng)其沖。由于現(xiàn)實的復(fù)雜性，有些事故是難以避免的。道路交通事故己經(jīng)成為世界 性的一大社會問題。 方向盤是汽車中不可缺少的一部分，方向盤是操縱汽車行駛方向的輪狀裝置。最初的汽車是用舵來控制駕駛的。 舵不能說不好，但是它會把汽車行駛中產(chǎn)生的劇烈振動傳導(dǎo)給駕駛者，增加其控制方向的難度。當(dāng)發(fā)動機被改為安 裝在車頭部位之后，由于重量的增加，駕駛員根本沒有辦法再用車舵來駕駛汽車了。方向盤這種設(shè)計便應(yīng)用而生， 它在駕駛員與車輪之間引入的齒輪系統(tǒng)操縱靈活，很好地隔絕了來自道路的激烈振動。不僅如此，好的方向盤系統(tǒng) 還能為駕駛者帶來一種與道路親密無間的感受。 本文所涉及的內(nèi)容主要包括對方向盤的發(fā)展史和對現(xiàn)有方向盤的結(jié)構(gòu)進行改進，使方向盤在汽車發(fā)生碰撞時， 能夠潰塌變小，不至于把乘員卡在下面，對乘員進行保護，使其避免或減輕碰撞傷害。 [關(guān)鍵字]潰縮 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 方向盤 安全 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 Design of Crumple Steering Wheel Abstract: With the growth of the recoverable amount of the automobile, the security, energy-conservation, environmental protection of the car nowadays become three major focus problems which auto industry and even the whole human society face, and the safe problem of car stands in the breach especially. Because of realistic complexity, some accidents are difficult to avoid. The traffic accident is becoming a big cosmopolitan concern． The steering is the in dispensable part in automobile vehicle control, the steering wheel is in the direction of the device. The car was initially with rudder control of driving. Rudder cannot say, but it will take the car driver, violent vibration to increase the difficulty of its direction. When the engine is installed in the front position instead, due to the increased after the weight, the pilot is no way to drive a car ZaiYongChe rudder. The design of steering wheel, it will come into being in the driver and the wheels of the gear system introduced flexible operation, good isolation from the path of violent vibration. Not only such, good steering system also can bring a driver and intimate feelings. The main content that this text includes the steering wheel on the history and structure of the existing steering wheel to improve, so that the steering wheel when the car collision, can be squashed smaller crew will not put cards in the following, and protect the passenger when the car collision accident happens, make it avoid or lighten injury of colliding. Key words: crumple steering system steering wheel safety 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 目 錄 引言 .1 1 緒論 .2 1.1 研究背景 2 1.2 研究的目的及意義 2 2 方向盤的概述 3 2.1 方向盤的由來 3 2.2 方向盤的工作原理 3 2.3 方向盤在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的作用 4 2.4 方向盤的演變 4 2.4.1 第一輛汽車的誕生 .4 2.4.2 車輛轉(zhuǎn)向裝置的雛形 .4 2.4.3 汽車誕生早期的轉(zhuǎn)向操縱裝置 .6 3 潰縮式方向盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 3.1 潰縮式原理介紹 9 3.2 潰縮式方向盤的設(shè)計方案 9 3.2.1 方向盤的位置和形狀 9 3.2.2 方向盤的組成 10 3.2.3 潰縮式方向盤的設(shè)計方案 10 3.3 選取車型 .11 3.4 潰縮式方向盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .13 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 3.4.1 輪緣設(shè)計 13 3.4.2 輪輻設(shè)計 17 3.4.3 輪轂設(shè)計 18 3.4.4 方向盤骨架、包覆層的材料分析 21 3.4.5 確定總體結(jié)構(gòu) 圖 22 4 潰縮式方向 盤的分析 .23 總結(jié) 24 致謝 25 參考文獻 26 第 1 頁 共 35 頁 引言 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 2 頁 共 35 頁 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 3 頁 共 35 頁 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 4 頁 共 35 頁 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 5 頁 共 35 頁 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 6 頁 共 35 頁 隨著社會的不斷進步和經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對汽車安全性的重視程度愈來愈高，特別是整車 被動安全性能倍受關(guān)注，作為整車安全部件之一的方向盤，對駕駛員的安全性也起著非常重要的作 用。方向盤位于駕駛員的正前方，是碰撞時駕駛員直接猛撞其上可能性最大的部件。駕駛員頭部與 方向盤的碰撞會導(dǎo)致駕駛員的加速度明顯增大，其結(jié)果是頭部傷害值升高，尤其是小個子和女性駕 駛員而言，這一傷害將更加嚴(yán)重。為此，方向盤也要有很好的安全保護性能，在汽車發(fā)生碰撞時， 如果駕駛員撞在方向盤上，要求方向盤骨架能夠產(chǎn)生足夠的變形，以吸收碰撞能量，減輕駕駛員的 傷害程度，另外，在駕駛員與方向盤發(fā)生偏置碰撞時，若方向盤骨架的剛性能使其優(yōu)先轉(zhuǎn)向柱發(fā)生 變形，則能更有效的吸收駕駛員的碰撞動能，而方向盤吸能效果的好壞與方向盤骨架的結(jié)構(gòu)有很大 的關(guān)系。因此如何從設(shè)計上滿足方向盤的被動安全要求，成為大家的追求目標(biāo)。 方向盤作為汽車上最重要的安全部件之一，是確保汽車沿正確路線行駛的關(guān)鍵。除需要具有一 定強度、硬度，并能承受一定扭轉(zhuǎn)力及彎曲應(yīng)力外，還需要具有一定的柔韌性。這樣不僅美化外觀， 還能使駕駛員感到舒適，更重要的是當(dāng)遇到碰撞等緊急事故時能起到緩沖作用，確保駕駛員的安全。 鑒于此，方向盤通常是由強度、剛度相對較高的金屬骨架外加具有一定韌性的包覆層制作而成。 常用的方向盤骨架是由碳鋼、鋁合金、硬質(zhì)塑料、鎂合金等通過注射成形、鑲嵌等方式包覆在金屬 骨架上，這樣才能實現(xiàn)內(nèi)強外韌，達到方向盤所要求的特定使用性能。 本文對方向盤的發(fā)展進行了說明，闡述了方向盤骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計還有對方向盤的骨架和包覆層 的材料進行了簡單的分析介紹。 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 7 頁 共 35 頁 1 緒論 1.1研究背景 人類歷史的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了漫長而曲折的幾千年， 而在這厚重的歷史中積淀著人類先祖?zhèn)兊?辛勞和智慧，同時留給了后人無盡的知識和財富。使用工具是人類區(qū)別于動物的特征之一。我們的 祖先從鐵犁、牛耕到機械收割，從鉆木取火到風(fēng)力發(fā)電。人類不斷地創(chuàng)造著新的工具，不僅方便了 人們的生產(chǎn)生活，而且極大推動了社會文明的發(fā)展進程。 汽車自19世紀(jì)末誕生以來已有一百多年的歷史。汽車的發(fā)展可用汽車的速度發(fā)展來證明，一開 始汽車的速度只有18km/h，而現(xiàn)在百公里加速只需5秒以內(nèi)的汽車正逐漸增多。汽車己逐漸成為人 們工作、生活中不可缺少的一種重要交通工具。 近年來，隨著汽車數(shù)量的增加，汽車性能也不斷提高，特別是發(fā)動機功率的加大，使車速也不 斷提高。因此，造成道路交通事故的增加及人員傷亡增加，引起了社會各界的關(guān)注。毋庸置疑，先 進的汽車安全設(shè)施是行車安全不可缺少的保障。所以，我們要從技術(shù)上入手，努力研究開發(fā)高性能、 高安全性的汽車，同時也要加強對在用汽車的定期檢查，以便及時維修調(diào)查，使汽車處于良好的技 術(shù)狀態(tài)，以提高汽車行駛的安全性能。 汽車的方向盤是與使用者接觸時間最長，被使用頻率最高，也是反映使用者需求最密集的地方， 它的設(shè)計直接影響使用者的情緒、操作和安全，是個不能忽視的部分。在交通事故中，汽車發(fā)生碰 撞事故時，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)事故現(xiàn)場的駕駛員會被方向盤卡住而不能脫身，造成事故進一步惡化。因此， 提出了潰縮式方向盤的概念?，F(xiàn)在，對潰縮式汽車方向盤的設(shè)計還處于初始階段，現(xiàn)有的方向盤設(shè) 計還比較簡單直觀。方向盤的潰縮設(shè)計還有很大的發(fā)展空間，潰縮設(shè)計方法在汽車方向盤上的應(yīng)用 研究還有很多的空白。 1.2 研究的目的及意義 對于汽車而言，其最初制造的目的，就是為了方便人的出行。也就說明，汽車必須是由人來操 作的。這同時得出了一個非常重要的前提——汽車相對于人來說，必須是安全的。 而安全人機工程學(xué)，恰好可以為汽車在的安全方面的設(shè)計，提供重要的理論支撐。換句話說， 從安全的角度出發(fā)，以安全科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)與行為科學(xué)為基礎(chǔ)，運用安全原理以及系統(tǒng)工程的方法 去研究“人——汽車——駕駛環(huán)境”三者之間的關(guān)系，從而保證人的安全 。 ??8 汽車作為一種現(xiàn)代化的交通工具，給人們的生活帶來極大便利的同時，也因其造成的交通事故 給人類的生命和財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重的威脅。在過去20年間汽車工業(yè)的焦點集中在保護駕駛員和乘客 安全，這不但受到立法的驅(qū)使，而且更受到市場競爭的驅(qū)使。隨著人們安全意識的增強，各國已經(jīng) 開始采取各種措施來避免事故的發(fā)生。盡管如此，仍存在不可避免的交通事故。 人作為交通事故中的保護對象，汽車被動安全性都是圍繞對人的保護進行的。通過對汽車相關(guān) 資料的搜索來看，關(guān)于汽車方向盤方面并沒有一個系統(tǒng)的、全面的資料來參考。國內(nèi)關(guān)于汽車人因 設(shè)計方面的研究更是稀缺。因此，在目前這方面的研究尚屬空缺的情況下，首先進行研究，無論從 哪個角度來講，都是十分有實際意義的。本文研究了人因工程學(xué)的科學(xué)方法，并將其用于分析比較 國內(nèi)外車型的方向盤設(shè)計從而發(fā)現(xiàn)潰縮式在方向盤設(shè)計中的發(fā)展之路，其研究具有十分重要的意義 與價值。 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 8 頁 共 35 頁 2 方向盤的概述 最初的汽車是用舵來控制駕駛的。舵不能說不好，但是它會把汽車行駛中產(chǎn)生的劇烈振動傳遞 給駕駛者，增加其控制方向的難度。當(dāng)發(fā)動機被改為安裝在車頭部位之后，由于重量的增加，駕駛 員根本沒有辦法再用車舵來駕駛汽車了。方向盤這種新設(shè)計便應(yīng)運而生，它在駕駛員與車輪之間引 入的齒輪系統(tǒng)操作靈活，很好地隔絕了來自道路的劇烈振動。不僅如此，好的 方向盤系統(tǒng)還能為 駕駛者帶來一種與道路親密無間的感受。但是最初設(shè)計方向盤的人沒有能夠預(yù)見到在汽車車速越來 越快的今天，一旦發(fā)生車禍，方向盤卻成了造成駕駛員喪命的罪魁禍?zhǔn)?。五十年代，不帶方向盤的 概念型汽車相繼問世，可是消費者對這種汽車一點也不感興趣。畢竟，沒有方向盤的汽車根本就不 成其為汽車。 2.1 方向盤的由來 120 多年前，汽車發(fā)明人最初在蒸汽汽車上安置的方向盤是裝在垂直的轉(zhuǎn)向柱上，其缺陷是不 利于駕車者的操縱和妨礙視線。 在 1887 年秋季，德國戴姆勒汽車公司修理工人為從司特立克蘭德駕駛而來的一輛菲頓瀕汽車 進行大修。當(dāng)?shù)踯嚬と税研藓玫能嚿淼趸匮b配之時，吊鉤突然滑出，車身跌落在轉(zhuǎn)向柱上，結(jié)果使 轉(zhuǎn)向柱從垂直位置上彎曲了好幾度。一名修理工人試圖把彎曲了的轉(zhuǎn)向柱矯正過來，卻意外地發(fā)現(xiàn) 新的角度使方向盤不再操縱困難和妨礙視線了。 戴姆勒對修理工人的意外發(fā)現(xiàn)給予獎勵，并抽調(diào)研究人員立即改進方向盤的裝配工藝，到了 1890 年，戴姆勒汽車公司生產(chǎn)的，派立生汽車就第一次裝上了傾斜式的轉(zhuǎn)向柱和傾斜式的方向盤。 各國汽車公司紛紛效仿，使方向盤趨于定型，日臻完善。 2.2 方向盤的工作原理 我們知道，當(dāng)轉(zhuǎn)動汽車方向盤時，車輪就會轉(zhuǎn)向。 這是一種因果關(guān)系，不是嗎？ 但是，為了 使車輪轉(zhuǎn)向，方向盤和輪胎之間發(fā)生了許多有趣的運動。因為汽車方向盤只是一個操縱件，我們要 想弄明白方向盤轉(zhuǎn)動時，車輪就跟著轉(zhuǎn)動這個問題，那么，我們要先對汽車的整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了 解。 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車底盤的重要組成部分，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的好壞直接影響到汽車行駛的安全性、操 縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性，它對于確保車輛的行駛安全、減少交通事故以及保護駕駛員的人身安全、 改善駕駛員的工作條件起著重要作用。 按轉(zhuǎn)向力能源的不同，可將轉(zhuǎn)向系分為機械轉(zhuǎn)向系和動力轉(zhuǎn)向系 。??1 機械轉(zhuǎn)向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機械的，由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)(方向盤)、轉(zhuǎn)向器、 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三大部分組成。其中轉(zhuǎn)向器是將操縱機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃訖C構(gòu)的直線運動(嚴(yán) 格講是近似直線運動)的機構(gòu)，是轉(zhuǎn)向系的核心部件。 動力轉(zhuǎn)向系除具有以上三大部件外，其最主要的動力來源是轉(zhuǎn)向助力裝置。由于轉(zhuǎn)向助力裝置 最常用的是一套液壓系統(tǒng)，因此也就離不開泵、油管、閥、活塞和儲油罐，它們分別相當(dāng)于電路系 統(tǒng)中的電池、導(dǎo)線、開關(guān)、電機和地線的作用。 下面解釋下方向盤和車輪之間發(fā)生的有趣運動。首先駕駛員通過轉(zhuǎn)動方向盤經(jīng)轉(zhuǎn)向傳向傳動軸 把作用力傳遞到轉(zhuǎn)向器總成，再經(jīng)轉(zhuǎn)向垂臂——直拉桿——直拉桿臂帶動轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)一定角度，再 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 9 頁 共 35 頁 由安裝在轉(zhuǎn)向節(jié)上的橫拉桿臂帶動另一轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)來實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。由于前軸總成中存在前束，所 以在轉(zhuǎn)向過程中，兩個轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角位移是不相等的，在轉(zhuǎn)向橋的兩輪軸心線的延長線與驅(qū)動橋軸 心線的延長線交于一點，這個點就是瞬時回轉(zhuǎn)中心 。??3 圖 2.1 轉(zhuǎn)向原理 2.3 方向盤在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的作用 方向盤在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的地位十分重要。方向盤是用來控制汽車的行駛方向，即左、右轉(zhuǎn)彎 和掉頭、直行用 。??12 一方面，方向盤是車中與駕駛者接觸時間最長，被使用頻率最高，也是反映使用者需求最密集 的地方，它的設(shè)計是否人性化直接影響使用者的情緒、操作和安全，是個不能忽視的部分。另一方 面，方向盤及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的引入減弱了駕駛時的汽車震動，從而保證了駕駛時的安全性也同時保證了 駕駛體驗。 2.4 方向盤的演變 2.4.1 第一輛汽車的誕生 方向盤的產(chǎn)生、發(fā)展是緊緊跟隨著車輛演進的腳步的，提到汽車的發(fā)展，追溯其淵源，可以從 原始社會講起。在那時，人們的生產(chǎn)勞動都是靠肩扛手提，后來在實踐中發(fā)現(xiàn)，將圓木置于重物下 拖著走，可以輕松地將重物由一個地方移到另一個地方，這便是早期的木輪運輸。后來人們發(fā)現(xiàn)用 直徑大的木輪運輸速度較快，于是木輪直徑越來越大，逐漸演變?yōu)閹лS的輪子，這就是最早的車輪 雛形。人類歷史上的第一部車是中華民族的祖先發(fā)明的。據(jù)史料記載，在公元前 2000 年的夏初大 禹時代，有一個叫奚仲的人，他發(fā)明的車是由兩個車輪架起車軸，車軸固定在帶轅的車架上，車架 附有車箱，用來盛放貨物，這就是世界上的第一輛車。 2.4.2 車輛轉(zhuǎn)向裝置的雛形 a 人力車時代 在人類歷史上，最初的車輛是人力車和畜力車，它們都是靠外力而不是機構(gòu)來實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向， 車輛本身還沒有轉(zhuǎn)向裝置。那個時候掌握車子運行方向的是人，并沒有方向盤這個裝置，也可以說 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 10 頁 共 35 頁 人就是手推車時代的方向盤。后來用硬木料制造的手推單輪車，是靠手推兩根連車架的車把前進， 車把的形態(tài)僅僅是兩根木頭制成，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向仍然需要靠人力，如圖 2.2。 十七世紀(jì)出現(xiàn)的腳踏車的車把造型為大寫的字母 T 型，轉(zhuǎn)彎時要下車抬起前輪轉(zhuǎn)變方向。這種 車把只是便于人手把握，掌握平衡，并沒有轉(zhuǎn)向作用，人力仍然是轉(zhuǎn)向的動力，如圖 2.3。 圖 2.2 手推單輪車 圖 2.3 腳踏車 b 自走式車輛 由于沒有其他合適的動力取代馬，馬車成為了人們運輸、代步、打仗的主要交通工具。人們希 望尋找一種原動力來代替人力和畜力，于是， “自走式車輛”這個概念產(chǎn)生， “自走式車輛”的出現(xiàn)， 標(biāo)志著真正意義上的“方向盤”概念的產(chǎn)生，因為在人力、畜力車時由人和牲畜擔(dān)任方向盤的角色， 并不需要真正意義上的“方向盤” 。 人們對“自走式車輛”的渴望促使人們不停地探索與研究，為了找到合適的原動力做了很多嘗 試。首先人們就想到了風(fēng)，因為它早已用在帆船上，1600 年。荷蘭的西蒙·斯蒂芬造出“風(fēng)帆車” 把車輪裝在帆船上，利用風(fēng)作為動力使車子運行。這種車子的設(shè)計者連車上的方向盤都是模仿帆船 舵的樣子，將它裝在車子的后面，與后軸相連。再帶動一個輪子的后輪轉(zhuǎn)動，就可使車子左右轉(zhuǎn)彎， 如圖 2.4。 圖 2.4 西蒙.斯蒂芬的“風(fēng)帆車” 圖 2.5 1420 的滑輪車 1420 年，有人制造出了以一種滑輪車。人們在車內(nèi)，借用人力使繩子不停的轉(zhuǎn)動滑輪。車子 雖然走了起來，但由于人力有限，這輛車子的速度不能充分發(fā)揮，甚至比步行還慢，如圖 2.5。 而 18 世紀(jì)初期出現(xiàn)了一種人力“自動”車，這輛車子的“發(fā)動機”，是由坐在車子后面的仆 人來擔(dān)當(dāng)?shù)?。仆人用腳踩著踏板，通過杠桿使車輪轉(zhuǎn)動的。車子的轉(zhuǎn)彎是由一個裝在前面兩個輪子 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 11 頁 共 35 頁 上的圓盤和套在圓盤上的韁繩來操縱的，它有點像方向盤了，這種操作雖然很原始，但它卻對以后 汽車的轉(zhuǎn)彎和方向盤的發(fā)明有著啟迪的作用 。??9 2.4.3 汽車誕生早期的轉(zhuǎn)向操縱裝置 人力、畜力、風(fēng)力等因為本身的局限性，都不能算是合適的原動力，直到 1774 年 11 月，瓦特 研制出世界上第一臺真正意義上的動力機械——蒸汽機，它的誕生，無疑是人類利用動力機械的一 大突破。從此，人們靠燃料的燃燒就可以得到源源不斷的動力。瓦特發(fā)明的高效蒸汽機不僅極大地 提高了勞動生產(chǎn)率，掀起了轟轟烈烈的世界第一次工業(yè)大革命，是人類進入了“蒸汽時代” ，也為 真正意義上的汽車的誕生奠定了基礎(chǔ)。 在汽車剛剛誕生的年代，汽車的轉(zhuǎn)向操縱裝置是由類似于輪船“舵”的操縱裝置來完成的，它 的設(shè)計除了參考早先的兩輪車車把，還借鑒了輪船的方向舵。早期的汽車轉(zhuǎn)向是用舵柄或橫桿(即 一種兩端帶有手柄的水平桿)進行操縱，舵柄或橫桿要置放在汽車中線的位置，轉(zhuǎn)向比是 1：1，因 而汽車轉(zhuǎn)向時的操作是很吃力的，這種形式的方向盤非常不靈敏，很難操作，車子經(jīng)常會不聽使喚， 極易發(fā)生車禍。 汽車誕生早期的轉(zhuǎn)向裝置可分為單手柄轉(zhuǎn)向操縱桿、雙手柄十字交叉轉(zhuǎn)向操縱桿、1890-1990 間方向盤外觀造型這三個階段。 a 單手柄轉(zhuǎn)向操縱桿 單手柄轉(zhuǎn)向操縱桿是早期汽車轉(zhuǎn)向操縱裝置的一種，1769 年，法國軍事工程師尼古拉斯·約 瑟夫·古諾(NicholasJoseph CugnoLl752--1804)上尉建造的三輪蒸汽機汽車是世界上第一輛蒸汽機 汽車。我們可以看到駕駛員的座位居于車子的中間。在駕駛員位子前面，有一個操縱車子轉(zhuǎn)向的把 手就是車子的方向盤，如圖 2.6。 汽車的發(fā)展，方向盤在外形、操作和安全等發(fā)面都有大幅的提高和改善。但是，并沒有擺脫以 “舵”的轉(zhuǎn)向機構(gòu)來駕駛汽車。比如，1885 年， “世界汽車之父”卡爾·本茨(1844--1929)在德國 曼海姆制成的三輪蒸汽汽車，它是世界第一輛真正意義的汽車和 1901--1905 年在美國最暢銷的奧茲 莫比爾彎擋板汽車，如圖 2.7、2.9。 b 雙手柄十字交叉轉(zhuǎn)向操縱桿 雙手柄十字交叉轉(zhuǎn)向操縱桿是早期汽車的另一種轉(zhuǎn)向操縱裝置，如德國人哥特里布·戴姆勒 (1843--1900)發(fā)明了第一輛四輪汽車和 1892 年的標(biāo)致汽車。它們的手柄是十字交叉形態(tài)，與輪船的 方向舵更加相似，靠雙手握住兩個手柄來回旋轉(zhuǎn)操縱，如圖 2.8、2.10。 圖 2.6 尼古拉斯約瑟夫·古諾和他的三輪蒸汽車 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 12 頁 共 35 頁 圖 2.7 卡爾.本茨和他發(fā)明的第一輛汽車 圖 2.8 哥特里布戴姆勒和他發(fā)明的第一輛四輪汽車 圖 2.9 1901～1905 年在美圉最暢銷的 圖 2.10 1892 年的標(biāo)致汽車 奧茲莫比爾彎擋板汽車 c.1890-1990 間方向盤的外觀造型的演變 圓形方向盤的誕生．源于 1891 年汽車發(fā)動機的前霞。隨著汽車的發(fā)展，發(fā)動機被普遍前置。 汽車行駛中．由于車頭重量增加，方向舵形式的汽車手輛會把劇烈振動傳導(dǎo)給駕駛者，加劇其疲勞， 駛員無法再用舵來駕駛汽車了。因此，操縱桿被淘汰，圓形方向盤的新設(shè)計便應(yīng)運而生， “方向盤” 一詞也從此名副其實。 后來，帶有齒輪減速比的轉(zhuǎn)向機構(gòu)很快被推廣使用，如圖 2.11。這種機構(gòu)的方向盤不像舵柄或 橫桿要置放在汽車中線的位置，而是要置放在汽車的左邊或右邊，連同轉(zhuǎn)向軸也由中線位置移動到 兩側(cè)，這種方向盤的新設(shè)計使駕駛員與車輪之間引入的齒輪系統(tǒng)操作靈活，很好地隔絕了來自道路 的劇烈振動，同時，操縱桿的垂直安裝方式變革為轉(zhuǎn)向柱和方向盤的傾斜式安裝方式?，F(xiàn)代的汽車 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 13 頁 共 35 頁 方向盤是通過齒條機構(gòu)或其他機械方式來控制方向的，要求的是方向微調(diào)準(zhǔn)確，平穩(wěn)，出于安全性 考慮。不僅如此，好的方向盤系統(tǒng)還能為駕駛者帶來一種與道路親密無間的感受。 圖 2.11 齒輪一齒奈轉(zhuǎn)向器 進入二十世紀(jì)，汽車方向盤的基本造型定型為圓形方向盤，圓形盤相對手柄在旋轉(zhuǎn)時更加靈活 自如。最初出現(xiàn)的是四幅方向盤，圓盤內(nèi)由四個輻條支撐形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這種四幅交叉成十字的 結(jié)構(gòu)符合了對稱的美學(xué)法則：圓盤處于十字外緣，除在機械結(jié)構(gòu)上十分牢固，也同時體現(xiàn)了均衡的 視覺感受。 繼四幅方向盤之后產(chǎn)生的新造型是三幅方向盤，由于儀表盤從中間位置隨方向盤轉(zhuǎn)移到了相對 應(yīng)的位置，為了駕駛員能更清楚地看到儀表盤上的參數(shù)，方向盤原來的四個輻條被去掉一個．盤的 上部留出足夠空間，讓駕駛員從中方便地觀察儀表盤。三幅結(jié)構(gòu)同樣比較穩(wěn)定，從美學(xué)的角度來看， 三個輻條把圊盤分成三個扇形，這種分割簡潔大方。 兩幅方向盤造型，是四幅和三幅方向盤造型的延伸，在八十年代的乘用車較常見。兩個輻條支 撐圓盤，這就要求它在結(jié)構(gòu)上一定要穩(wěn)固，因此兩個輻條和中心部位一般都較厚重，占據(jù)圓盤較大 面積，比如梯形結(jié)構(gòu)。 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 14 頁 共 35 頁 3 潰縮式方向盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 潰縮式原理介紹 在汽車發(fā)生劇烈的撞擊時，駕駛者往往會因為強烈的停止作用而向前傾，人體的胸部會和方向 盤發(fā)生碰撞，為了使遭到轉(zhuǎn)向柱沖擊的駕駛者胸部所承受的沖擊力減小，有些汽車把轉(zhuǎn)向柱設(shè)計成 在撞擊時因遭到外界擠壓而發(fā)生二到三段的潰縮折疊，可以分散一些因撞擊由轉(zhuǎn)向柱傳遞到人體的 沖擊力。 潰縮式轉(zhuǎn)向柱原理吸能是由下軸總成、上軸總成和轉(zhuǎn)向支架總成三大部件組成，三個部件均在 汽車發(fā)生正面碰撞時收縮，以確保駕駛員的生命安全 ?？蓾⑹亲矒舫^一定力度就直接斷掉，防??5 止弄傷駕駛員下肢?？蓾⒖s式轉(zhuǎn)向柱會在車輛發(fā)生正面碰撞的時候向前潰縮，以保證乘員胸部免受 傷害。 當(dāng)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(dāng)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(dāng)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），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(dāng)承受撞擊后可潰縮的方式，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 。??7 一般地講，方向盤是駕駛員控制汽車轉(zhuǎn)向的工具，但有時侯，它也可能成為傷害駕駛員的“兇 器” ，特別是那些沒有潰縮裝置的方向盤，出現(xiàn)上述情況的幾率更大。 潰縮式方向盤在一定程度上解決了這個問題，它可以在車輛發(fā)生猛烈撞擊時，通過可潰縮式的 設(shè)計，將其變形或斷掉，從而減輕方向盤對駕駛員的傷害，可以說，它是在安全駕駛、安全帶、安 全氣囊、安全車身設(shè)計后，為駕駛員又增添了一層安全保障，應(yīng)該沒有人會嫌棄安全配置多的，但 少了可能就會增大受傷害的風(fēng)險。 3.2 潰縮式方向盤的設(shè)計方案 3.2.1 方向盤的位置和形狀 我國交通法則規(guī)定，車輛靠右行駛，因此國產(chǎn)汽車轉(zhuǎn)向盤應(yīng)安裝在駕駛室的左側(cè)。其優(yōu)點有以 下幾點：便于在車輛結(jié)構(gòu)上合理布置；有助于轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向器等部件和組件適宜通用化、系列化生 產(chǎn)；可補償因制造和安裝誤差等造成的不利影響；可滿足各種變行車的總體布置要求；拆裝維修方 便。 人手握的形狀呈圓弧形，因此一般將方向盤設(shè)計成圓形而非方形或其他行。方向盤的形狀尺寸 還應(yīng)使操作的過程中，手腕與手臂盡可能在縱向形成一條直線，即保持手腕的挺直狀態(tài)，避免手腕 彎曲。方向盤的背面通常設(shè)計成凹凸?fàn)?，有利于駕駛員的雙手把握。 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 15 頁 共 35 頁 3.2.2 方向盤的組成 圖 3.1 方向盤的組成 1--輪緣 2--輪輻 3--輪轂 方向盤由輪緣、輪輻和輪轂組成，如上圖所示。輪輻一般為三根輻條或四根輻條，也有用兩 根輻條的。方向盤輪轂孔具有內(nèi)花鍵，借此與轉(zhuǎn)向軸連接。方向盤內(nèi)部由成形的金屬骨架構(gòu)成。骨 架外面一般包有柔軟的合成橡膠或樹膠，也有包皮革的，這樣可有良好的手感，而且還可以防止握 方向盤打滑 。??14 當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時，從安全性考慮，不僅要求方向盤應(yīng)具有柔軟的外表皮，可起緩沖作用， 而且還要求方向盤在撞車時，其骨架能產(chǎn)生變形，以吸收沖擊能量，減輕駕駛員受傷的程度。 方向盤上都裝有喇叭按鈕，有些轎車的方向盤上還裝有車速控制開關(guān)和撞車時保護駕駛員的氣 囊裝置。 3.2.3 潰縮式方向盤的設(shè)計方案 汽車作為一種現(xiàn)代化的交通工具，在給人們生活帶來極大便利的同時，也因其造成的交通事故 給人類的生命和財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重的威脅。汽車發(fā)生嚴(yán)重正面撞車時，車架（車身）的變形會使轉(zhuǎn) 向操縱機構(gòu)（方向盤）后移，而駕駛員在巨大的慣性力作用下前沖，互相作用使駕駛員受到嚴(yán)重傷 害。為了保證駕駛員的安全，現(xiàn)代汽車（特別是轎車）通常在轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)上增設(shè)了相應(yīng)的被動安 全裝置（即撞車后盡量降低損失的安全裝置 。對應(yīng)的主要安全裝置：即盡量避免發(fā)生撞車、翻車??4 等安全事故的安全裝置，如 ABS、ESP、TCS、AFS、TPMS 、雷達或機器視覺偏航報警等） 。這些 被動安全裝置主要有安全氣囊、緩沖吸能式轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)和分離式安全轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)?？煞蛛x式轉(zhuǎn) 向操縱機構(gòu)自身沒有吸能裝置，防止駕駛員受傷害的效果不理想，而且一旦上下轉(zhuǎn)向軸分離，將無 法再操縱汽車轉(zhuǎn)向，因此已趨于淘汰。目前采用最多的是緩沖吸能式轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)，包括波紋管變 形吸能式、鋼球滾壓變形吸能式和網(wǎng)狀管柱變形吸能式。 由于安全對于人們的重要性，在汽車設(shè)計過程中，要給方向盤留有足夠的空間。特別是大型貨 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 16 頁 共 35 頁 車，其方向盤的結(jié)構(gòu)尺寸較大，在駕駛室內(nèi)駕駛員所處的位置，占據(jù)了一定的空間。汽車在發(fā)生碰 撞事故時，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)事故現(xiàn)場的駕駛員會被方向盤卡住而不能脫身，造成事故進一步惡化。為此， 我們想到了潰縮式方向盤，在事故發(fā)生時，方向盤發(fā)生變形、潰縮，形成了一個人體和方向盤一起 往車前走的趨勢延長了人體和方向盤碰撞距離，故減少了碰撞時候的人體加速度，也在一定程度上 減少了人體的損傷值，而且也不會因為方向盤的結(jié)構(gòu)尺寸大而被卡住，減少了二次傷害。 設(shè)計方案必須實現(xiàn)：（1）方向盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計合理，在發(fā)生撞擊的時候可以潰縮變形。 （2）在 潰縮變形時，可以達到吸收沖擊能量的目的。 （3）在潰縮變形過程中，不應(yīng)該對其他系統(tǒng)和部件的 作用產(chǎn)生影響。 為了滿足設(shè)計方案的要求，實現(xiàn)在碰撞的時候方向盤能夠迅速以潰塌的方式縮小變形，吸收 沖擊能量，讓駕駛員能夠及時脫身，在方向盤結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以采用內(nèi)外套式的結(jié)構(gòu)，做方向盤的 骨架部分，當(dāng)發(fā)生撞擊時，可以使方向盤分段向內(nèi)部潰縮，吸收能量，保證駕駛員的人身安全。 3.3 選取車型 本次設(shè)計將選取東風(fēng) EQ140 車型的參數(shù)做為參考，進行計算設(shè)計 。以下為東風(fēng) EQ140 貨車??13 參數(shù): 一、EQ140 基本參數(shù) 1.載重量/kg 5000 2.空車重量/kg 4300 3.滿載重量（三乘員）/kg 9290 4.最大拖掛/kg 6000 5.軸荷分配(滿載)/kg 前軸 2360 后軸 6930 6.外形尺寸/mm 長 6910 寬 2470 高按車箱保險架 2455 按駕駛室頂 2325 7.軸距/mm 3950 8.輪距/mm 前輪 1810 后輪 1810 9.最小離地間隙/mm 前軸下 360 后橋下 265 10.最小轉(zhuǎn)彎半徑/m ≤8 11.通過角(滿載) 接近角 38° 離去角 23° 二、東風(fēng) EQ1090 汽車底盤主要技術(shù)特性 1.離合器 單片、干式，摩擦片直徑 325mm 2.變速器 型式為五個前進檔，一個倒車檔，二、三、四、五檔裝有鎖銷式慣性同步器。 檔位 速比 一檔 7．31 二檔 4．31 三檔 2．45 四檔 1．54 五檔 1.00 倒檔 7.66 3.傳動軸 兩節(jié)，三個萬向節(jié)，帶有橡膠軟墊支承、軸承可軸向滑動的中間支承。 4.后橋主減速器 型式雙曲線齒輪、單級減速式 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 17 頁 共 35 頁 減速比 6.33 橋殼型式 帶半軸套管的整體式 半軸型式 全浮式 5.前軸 鍛鋼件，工字型斷面，轉(zhuǎn)向節(jié)采用錐形滾柱平面止推軸承。 6.前輪定位 前輪外傾 1° 主銷內(nèi)傾 6° 主銷后傾 2°30ˊ 前束 1-5mm 7.車架 結(jié)構(gòu)型式 梯形結(jié)構(gòu)，由兩根沖壓成槽形的直縱梁和七道橫梁鉚接而成，車架前端有保險杠。 拖鉤型式 前裝兩個拖鉤，后裝一個帶螺旋緩沖彈簧的雙向減振的牽引鉤。 長度 6824mm 寬度 861mm 8.懸架 裝用滑板式鋼板彈簧(單面雙槽鋼板)，后懸架裝有副鋼板彈簧，前懸裝有雙向作用的 液壓筒式減振器。 9.車輪及備胎 10.車輪型式 7.0-20 等厚輻盤式 11.輪胎類別 子午線或普通斜交簾線的標(biāo)準(zhǔn)輪輞輪胎。 12.輪胎規(guī)格(GB516-82) 普通輪胎 9.00-20，10 層級( 可選裝 9.00 一 20，12 層級)負荷能力 1830kg 以上。 子午線輪胎 9.00R20，12 層級，負荷能力 2050kg 以上。 輪胎充氣壓力 kpa(kgf/cm2) 普通輪胎 前輪胎 392(4.0) 后輪胎及備胎 480(4.9) 子午線輪胎 前輪胎 490（5.0) 后輪胎及備胎 617(6.3) 13.轉(zhuǎn)向機構(gòu) 轉(zhuǎn)向機構(gòu)型式 梯形機構(gòu)在前軸后方，轉(zhuǎn)向傳動軸裝有兩個十字軸萬向節(jié)。 轉(zhuǎn)向器型式 雙銷式 轉(zhuǎn)向器傳動比(中間位置) 18 轉(zhuǎn)向機構(gòu)角傳動比(中間位置 ) 24.6 前輪最大轉(zhuǎn)向角度 內(nèi)輪 37°30ˊ 外輪 30°30ˊ 14.制動器 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 18 頁 共 35 頁 腳制動器 氣壓蹄片式車輪制動器。采用雙腔式制動閥，有分離開關(guān)和連接頭裝置，適應(yīng)拖掛 時掛車制動的需要。 手制動器 機械操縱、鼓式(裝在變速器后)空氣壓縮機。 型式 單缸活塞式，空氣冷卻。 氣缸直徑/mm 65 活塞行程/mm 38 貯氣筒容量/L 濕貯氣筒 20 主貯氣筒二個，每個均為 20 15.駕駛室及裝備 全金屬封閉式，有三個座位，設(shè)有可調(diào)節(jié)的駕駛員座椅、刮水器、可開啟的 風(fēng)窗、隔熱頂蓋、遮陽板、后視鏡、雜物箱、暖風(fēng)裝置(供選裝)，左車門裝有門鎖。 16.車箱 結(jié)構(gòu)型式為鐵木混合結(jié)構(gòu)，三面欄板可放倒，兩邊板各有六個可插高欄板的插座，前 有保險架，左前下方有工具箱。 內(nèi)部尺寸/mm 長 4052 寬 2294 高(欄板) 550 3.4 潰縮式方向盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.4.1 輪緣設(shè)計 (1)輪緣基本尺寸的確定 輪緣的基本尺寸包括方向盤的直徑大小和輪緣的截面尺寸。方向盤直徑對輕便性有影響，選用 尺寸小些的方向盤，雖然占用的空間少，但轉(zhuǎn)向時需對方向盤施以較大的力，從而使汽車操縱困難； 而選用寸大些的方向盤又會使駕駛員進、出駕駛室時入座困難。方向盤必須符合 JB4505-1986 轉(zhuǎn)向 盤尺寸標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：轉(zhuǎn)向盤直徑尺寸 380㎜、400㎜、425㎜、450㎜、500㎜、550㎜。根據(jù) 車型不同，方向盤直徑在 380㎜~550㎜的標(biāo)準(zhǔn)系列內(nèi)選取 。??1 表 3.1 各類車型的轉(zhuǎn)向盤直徑 汽車類型 轉(zhuǎn)向盤直徑/㎜ 轎車、小型客車、輕型載貨汽車 380、400、425 中型客車、中型載貨汽車 450、475、500 大客車、重型載貨汽車 550 本次設(shè)計的是中型載貨汽車車的方向盤，因此應(yīng)該選用尺寸大些的方向盤。結(jié)合現(xiàn)在市場上的 載重貨車的方向盤尺寸，我們選用的方向盤直徑尺寸是 500㎜ 。 方向盤截面的尺寸在早期沒有被認真考慮而設(shè)計，有的方向盤就過于纖細，人手抓握時不夠舒 適。后來人機工程學(xué)的引入，方向盤截面尺寸適度調(diào)整，同時還做了波浪起伏的處理，符合人手抓 握時的形態(tài)。方向盤的尺寸應(yīng)以手掌可全部包圍為準(zhǔn)，不能太粗或太細。較大的直徑可以提供較大 的扭矩，但直徑太大會降低手的握持力，減低作業(yè)的靈活性和作業(yè)速度，并造成指端骨彎曲增加， 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 19 頁 共 35 頁 長時間作業(yè)易形成疲勞；太細的直徑同樣不容易操作，特別是對男性而言，過細的直徑同樣容易引 起手部疲勞從而減低效率。一般來說，握把的直徑宜取在 20~50㎜之間。 本次設(shè)計的是載重貨車的方向盤，使用者男性占多數(shù)，因此應(yīng)該選用尺寸大一點的直徑，再結(jié) 合現(xiàn)有市場的載貨汽車的握把直徑尺寸，我們選擇的輪緣的截面尺寸是 45㎜。 (2)輪緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計 輪緣的結(jié)構(gòu)設(shè)計，本次的要求是在汽車發(fā)生碰撞事故時，方向盤能夠快速的以潰塌的形式縮小 變形，不至于把駕駛員困在方向盤底下，減少對駕駛員的二次傷害，為了達到我們的設(shè)計要求，我 們在設(shè)計輪緣結(jié)構(gòu)時，采用內(nèi)外套管式的原理(如圖 3.2 所示)，在力的作用下， 細的套管可以伸縮在外面粗的套管中，可以把大的圓形變成小的，可以達到變形的效果。 圖 3.2 圓形內(nèi)外套管布置圖 現(xiàn)在利用我們所想的原理，我們要面臨的問題就是內(nèi)外套管如何的連接，對于這個問題， 我們可以借鑒我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫恼郫B式雨傘的支桿原理（如圖所示） ，在支桿間的連接使用的 是鋼球，鋼球裝在內(nèi)外套管的內(nèi)部，鋼球下面用彈性的鋼片支撐，可以起到伸縮的功能，在內(nèi)外套 管上有相對位置在同一條線上的孔，當(dāng)移動到兩個孔重合的時候，在彈簧的作用下讓鋼球彈出來， 然后就可以連接，使支桿變長，還有就是在套管上由凹進去或者凸起來的一段槽，這樣是為了使桿 在拉長變短的時候有它一定的運動軌跡，不至于使內(nèi)外套管的孔不在一條線上而鋼球不能對到內(nèi)外 套管的重合孔的位置，而導(dǎo)致無法連接。 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 20 頁 共 35 頁 圖 3.3 雨傘支桿的原理圖 對于圖 3.3 的簡要介紹：左下角是桿子，右上是細節(jié)圖片，藍色的是一片有彈性的鋼片，上 面有個藍色的半圓突起，固定在里面的桿子上，外面的桿子上有個孔，當(dāng)半圓滑動到這個孔的時候， 就停下了。 有了上面的想法，我們可以在設(shè)計輪緣的連接時借鑒，下面是本次設(shè)計中內(nèi)外套管連接方式的 結(jié)構(gòu)圖（如圖 3.4 所示） 。 圖 3.4 圓形內(nèi)外套管的連接圖 在此連接圖中，我們要考慮在發(fā)生汽車碰撞時，它怎么收縮，因此在這個圖中我們可以看見在 彈簧的中間有一條線，在此處代替的是鋼絲，我們可以拉鋼絲使彈簧處于收縮狀態(tài)，然后就可以使 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 21 頁 共 35 頁 內(nèi)套管伸入到外套管的內(nèi)部，這樣就可以達到變形的目的。 在此就會有人問到，你說的拉鋼絲這個動作該如何實現(xiàn)？在這里，可以把鋼絲要拉的那一端繞 過類似滑輪的銷子，然后接在輪緣外圈的一端，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時，由于有大的沖擊力，方向盤輪 輻連接處的銷子被剪斷，那么輪緣外圈就會向方向盤內(nèi)部伸，那么固定在輪緣外圈的鋼絲就會隨著 輪緣外圈運動而發(fā)生位移，為此可以帶動鋼絲移動。 在連接處，我們還用到了彈簧，此處我們就用常見的普通圓柱螺旋壓縮彈簧，根據(jù)我們的工作 要求，選取的幾何參數(shù)為：外徑 、中徑 、內(nèi)徑 、節(jié)距28Dm?7?16Dm? ，在此取 、彈簧絲直徑 、螺旋升角 ，(0.28~.5)(1.96~3.5)p??2.5pd? 對于圓柱螺旋壓縮彈簧一般應(yīng)在 范圍內(nèi)選取，因此取螺旋升角 ，有效圈數(shù) ，? 8??10.5n? 自由高度 。03Hm 本設(shè)計中取內(nèi)外套管的厚度為 3㎜，鋼球的直徑為 8㎜，總高度為 12㎜，材料都選擇 45 鋼。 (3) 輪緣的校核 對于輪緣而言，它經(jīng)常受到人手對它施加的作用力，為此我們要從整個轉(zhuǎn)向系來考慮。 為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強度。欲驗算轉(zhuǎn)向系零件的強度，需要首 先確定作用在各零件上的力。影響這些力的主要因素有轉(zhuǎn)向軸的負荷，路面阻力和輪胎氣壓等。為 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉(zhuǎn)向系 中的內(nèi)摩擦阻力等。 精確地計算這些力是困難的，為此用足夠精確地半經(jīng)驗公式來計算汽車在瀝青或者混凝土路面 上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩 ，(N)Mrm? （3-1 ） 31GfMrP? 式中 —在瀝青或混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩( )；r Nm? —輪胎與地面間的滑動摩擦系數(shù)，取 0.7；f —轉(zhuǎn)向軸負荷 ( )；1GN —輪胎氣壓( )； PMPa 作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力可用下式得出： （3-2 ）hMrFiR???? 其中： —作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力（ ） ；hFN —轉(zhuǎn)向系角傳動比；i? —轉(zhuǎn)向盤半徑 ；Rm —轉(zhuǎn)向系效率取 0.75；? 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 22 頁 共 35 頁 則： 3310.72651249GfMr NmP?????0rhFiR??? 所以由式（3-1）和式（3-2）可得出作用于方向盤的手力約為 。1 對給定的汽車，用式（3-2）計算出的作用力是最大值。因此，可以用此值做為計算載荷。然 而，對于前軸負荷較大的貨車，用式（3-2）計算的力往往超過駕駛員生理上的可能。在此情況下， 對轉(zhuǎn)向器和動力轉(zhuǎn)向器動力缸以前零件的計算載荷，應(yīng)取駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤輪緣上的最大瞬時力， 此力為 700N 。??12 假定載荷在鋼球的工作面上均勻分布，則鋼球連接的強度條件為 (3-3) 3210ppTkld????????? 式中：T—傳遞的轉(zhuǎn)矩（ ） ， ；dTFy??Nm? k—鋼球與套管的接觸高度，㎜； l—鋼球的工作長度，在這里應(yīng)該為半個圓的周長，㎜； d—套管的直徑，㎜； --材料的許用擠壓應(yīng)力， ，這里選用的材料是 45 鋼，則 取值為p?????MPap????? 60 。MPa 代入數(shù)值，得 321072501.2604pTaMPakld?????? 可見連接鋼球的擠壓強度足夠。 3.4.2 輪輻設(shè)計 方向盤按其輻條的位置分為對稱式和不對稱式兩種，輻條對稱式方向盤，其結(jié)構(gòu)簡單、強度高， 多用于載重汽車，但影響駕駛員觀察儀表。輻條不對稱式方向盤，輻條上方空間增大，改善了駕駛 員觀察儀表的視線，但這種方向盤強度差，故多用于小客車。為在發(fā)生車禍時減少駕駛員撞傷的危 險性，方向盤輻條一般制成下凹的，且盤轂低于方向盤輪緣。 本次設(shè)計的載重貨車的方向盤，因此選擇對稱式方向盤，選擇輻條數(shù)為三條。 輪輻是支撐輪緣的重要部件，在現(xiàn)有的方向盤中，輪輻的形狀都是不規(guī)則的，我們可以根據(jù)方向 盤的形式，方向盤的輪轂比輪緣低多少的程度，自己設(shè)計合理的支撐桿。 在本次設(shè)計中我選擇輪輻截面為圓形的，將截面圓形的輪輻制成內(nèi)外套管式，兩者之間用銷子連 接，當(dāng)碰撞力達到一定值時連接銷子被“沖”斷，軸可以伸縮至套管深處，由此使輪輻變小。 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 23 頁 共 35 頁 圖 3.5 輪輻軸—套管的連接 1—輪輻軸 2—銷子 3—輪輻套管 我們根據(jù)作用在方向盤上的最大手力 700N，可以知道每一個輻條上承受的最大力 ，由此可1F 以推測輻條的直徑大小。 170.3FN???max2.5832Mrm??? 抗彎強度條件： （3-4 ）??maxa=W?? 稱為抗彎截面系數(shù) 。它與截面的幾何形狀有關(guān)，單位為 。輻條的材料為 45 鋼，材料的彎W??2 3 曲許用應(yīng)力 ，若截面是直徑為 的圓形，則10Mpa??d （3-5 ） 43622zI??? 綜合式（3-4） 、 （3-5） ，得： 18.1㎜??max33 358.10d????? 所以取輪輻截面圓的直徑為 30㎜和 36㎜。 輪輻之間的連接用的是塑料銷，塑料銷可以承受的最大力是 ，而每個輪輻承受的最大力0N 是 ，所以在正常工作情況下，塑料銷是可以滿足連接強度的。23.N 本次設(shè)計，依據(jù)現(xiàn)有的車的參數(shù)，我們可以把輪輻做成截面圓直徑為 30㎜和 36㎜的內(nèi)外套管 式，而輪轂比輪緣低 70㎜。輪輻在這里就是起到連接輪緣和輪轂的作用。 3.4.3 輪轂設(shè)計 方向盤的輪轂尺寸包括輪轂的最大直徑、輪轂的高度和內(nèi)部花鍵的尺寸。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，我們 選擇輪轂的最大直徑是 100㎜，而輪轂的高度是 90㎜。 方向盤輪轂孔內(nèi)有花鍵，借此連接轉(zhuǎn)向軸的上端來固定方向盤的部分。 12 3 1 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985 第 24 頁 共 35 頁 在本次設(shè)計中，我們采用矩形花鍵連接，其特點是多齒工作，承載能力高，對中性好，導(dǎo)向性 好，齒根較淺，應(yīng)力集中小，軸與轂強度削弱小，加工方便，能用磨削方法獲得較高的精度。 矩形花鍵現(xiàn)在已標(biāo)準(zhǔn)化，我們根據(jù)轉(zhuǎn)向軸的尺寸來選擇花鍵的參數(shù)。 有前面計算可知，對給定的汽車，用式（3-2）計算出的作用力是最大值。因此，可以用此值 做為計算載荷。然而，對于前軸負荷較大的貨車，用式（3-2 ）計算的力往往超過駕駛員生理上的 可能。在此情況下，對轉(zhuǎn)向器和動力轉(zhuǎn)向器動力缸以前零件的計算載荷，應(yīng)取駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤 輪緣上的最大瞬時力，此力為 700N。 因此轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)矩 :(Nm)T? (3-4)h70.2517FRNm????? 扭轉(zhuǎn)剪切強度: (3-5)??maxPTWS??? 轉(zhuǎn)向軸的材料取 35 鋼， =529.2 ，S=3。則： ??M 抗扭截面系數(shù) PW (3-6) 3d16P? 綜合式（3-4） 、式（3-5） 、式（3-6）可得： ??3375d170.2.29.TSNmMa?????? 所以取轉(zhuǎn)向軸的最小直徑為 21 。m 表 3.2 矩形花鍵配合應(yīng)用的推薦 固定聯(lián)接 滑動聯(lián)接 應(yīng)用 配合 特征及應(yīng)用 配合 特征及應(yīng)用 H5/h5 緊固程度較高， 可傳遞大扭矩。 H5/g5 滑動程度較低，定心精度高， 傳遞扭矩大。 精密傳動用 H6/h6 傳遞中等扭矩。 H6/f6 滑動程度中等，定心精度較高， 傳遞中等扭矩。 一般用 H7/h7 緊固程度較低，傳遞扭矩。 H7/f7 移動頻率高，移動長度大， 定心精度要求不高。 根據(jù)轉(zhuǎn)向軸的尺寸，我們可以在機械設(shè)計課程設(shè)計手冊中，依據(jù)矩形花鍵的尺寸、公差 壓縮包內(nèi)含有 CAD 圖紙和說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985