CN102039924B - 一种提高转向管柱固有频率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高汽车转向管柱固有频率的方法，该方法是以机械系统的固有频率公式为理论基础，在不加大转向管柱几何尺寸、不增加转向管壁厚、不增加产品制造成本和重量的前提下，采用简单的方法和简易的机构来提高转向管柱的固有频率。其具体方法是：设计了一个带有止推台阶的外螺纹预紧螺母，将外螺纹预紧螺母安装在转向柱管内，并使外螺纹预紧螺母的止推台阶顶住转向轴上轴承的内圈，通过旋转外螺纹预紧螺母来调节转向轴的上轴承的内外圈、轴承缓冲垫圈及轴用挡圈的相对位移量，来提高转向管柱固有的频率，并可有效提高转向系统的刚度。
Description
技术领域：
本发明涉及一种提高机械系统固有频率的方法，特别是汽车转向管柱固有频率的提高。
背景技术：
汽车转向系统的功能是遵循驾驶员的输入指令使转向轮转向，以获得总体上的车辆方向控制。其转向管柱在汽车中主要起支撑、固定转向盘，传递驾驶人员通过转向盘施加的扭矩，驱动方向机工作，以起到控制汽车行驶方向的作用。传统的转向管柱主要包括转向轴、转向管柱管体、转向管柱安装支架。转向轴通常是一根上端加工有连接花键、下端焊接万向节叉的整体轴，转向管柱管体是上下两端铆合安装轴承的圆管，在转向管柱管体上焊接有刚性的安装支架，转向管柱通过螺栓螺母与车辆前部的支架连接固定。汽车行驶时，路面不平度以及发动机、传动系和车轮等旋转部件引起汽车的振动，使转向管柱会出现不同程度的振动现象，当振动频率等于转向管柱固有频率时振动会加剧，甚至方向盘不容易控制，给司机操纵带来不便，影响到驾驶员的疲劳程度、舒适性乃至安全问题。
传统转向管柱在设计时，很少考虑根据其固有频率进行设计，也很少去考虑如何来提高转向管柱的固有频率。为避免车辆行驶时，转向管柱产生共振而影响车辆的性能，一般是采用提高转向管柱的固有频率避开共振区域的方法。如果厂家生产的转向管柱固有频率达不到客户的需求，采用的方法往往是增大转向管的壁厚和加大转向柱的直径。转向管柱的固有频率与其刚度成正比、与其质量成反比，在加大转向管柱几何尺寸时，其刚度虽有所增加，但其质量也随着增加，导致转向管柱的固有频率提高不明显；如果加大转向管柱几何尺寸后的系统刚度与系统质量之比小于尺寸变化前的刚度与质量之比，则转向管柱的固有频率反而会下降。而且也受到了车辆结构与安装空间的限制，以及转向管柱制造成本的影响，因此，不能盲目地加大转向管柱的几何尺寸。
发明内容：
鉴于上述问题，本发明的目的提出了一种提高汽车转向管柱固有频率的方法。这种方法能有效提高转向管柱的固有频率，增强驾驶员对方向盘的的操纵性能，减轻了驾驶员的疲劳程度，从而确保证了车辆的安全驾驶。
根据机械系统的固有频率公式式中ω为系统的固有频率，k为系统的等效刚度，m为系统的等效质量；由公式可知，提高转向管柱的振动固有频率的方法有：①在系统质量不变时，提高系统的刚度；②在系统刚度不变时，减少系统的质量；③提高系统的刚度，同时减少系统的质量。
本发明所述的一种提高汽车转向管柱固有频率的方法，是以机械系统的固有频率公式为理论基础，在不加大转向管柱几何尺寸、不增加转向管壁厚、不增加产品制造成本和重量的前提下，采用简单的方法和简易的机构来提高转向管柱的固有频率。其具体方法是：设计了一个带有止推台阶的外螺纹预紧螺母，将外螺纹预紧螺母安装在转向柱管内，并使外螺纹预紧螺母的止推台阶顶住转向轴上轴承的内圈，通过旋转外螺纹预紧螺母来调节转向轴的上轴承的内外圈、轴承缓冲垫圈及轴用挡圈的相对位移量，来提高转向管柱固有的频率，并可有效提高转向系统的刚度。
所设计的外螺纹预紧螺母的外圈与内圈是相互活动的，并在所设计的外螺纹预紧螺母的端面内，镶嵌有滚动体，以便于外螺纹预紧螺母的外圈与内圈可灵活地相对旋转运动，防止上轴承内圈的运动与转向管的静止发生运动干涉，并保证结构紧凑。
附图说明：
图1是转向管柱结构示意图
图2是转向管柱结构的局部放大示意图
图3本发明的外螺纹预紧螺母结构示意图
其中：1-转向轴 2-外螺纹预紧螺母 3-孔用弹性挡圈 4-上轴承 5-缓冲垫圈 6-转向柱管 7-调整支架 8-下轴承9-下支架 10-螺母 21-外螺纹预紧螺母外圈 22-外螺纹预紧螺母内圈 23-滚动体
具体实施方式：
转向管柱结构如图1所示，转向轴1由上轴承4、下轴承8支承安装于转向柱管6内，整个转向管柱通过调整支架7和下支架9安装于车身上。上轴承4安装在轴承座内，轴承外圈与转向管内轴承座相配合，由孔用弹性挡圈3进行轴向固定，而轴承内圈与转向管内的轴承座不接触，轴承内圈与转向轴过盈配合，并用2个轴用挡圈进行轴向固定，轴承座与转向管采用过盈配合。如图2所示，车辆需转向时，驾驶员扭转方向盘，可带动转向轴转动实现车辆的转向，此时，上轴承的内圈随转向轴转动，而上轴承的外圈与轴承座保持相对静止状态。
图3为所设计的一个带有止推台阶的外螺纹预紧螺母2，外螺纹预紧螺母2的外圈21相对于内圈22可灵活自由转动。外螺纹预紧螺母2的外圈21上所加工的外螺纹与转向管的内螺纹相配合，外螺纹预紧螺母2的内径尺寸比转向轴相应位置处的外径尺寸大，有利于外螺纹预紧螺母2的轴向调整。外螺纹预紧螺母2的内圈22止推端台阶不能超过上轴承4滚动体的高度。调整结束时，止推台阶顶住上轴承4的内圈。外螺纹预紧螺母2的端面内，镶嵌有滚动体23，便于外螺纹预紧螺母2的外圈21与内圈22可灵活地相对旋转运动，防止上轴承4内圈的运动与转向管的静止发生运动干涉，并保证结构紧凑。
本发明所述的一种提高转向管柱固有频率的方法，是将所设计的一个带有止推台阶的外螺纹预紧螺母2安装在转向柱管6内，并使外螺纹预紧螺母的止推台阶顶住转向轴上轴承4的内圈，通过旋转外螺纹预紧螺母2来调节转向轴的上轴承的内外圈、轴承缓冲垫圈5及轴用挡圈的相对位移量，来提高转向管柱固有的频率，并有效提高转向系统的刚度。
本发明所述的一种提高转向管柱固有频率的方法，其具体步骤为：在转向管柱的转向轴上，依次安装缓冲垫圈5、上轴承4、孔用弹性挡圈3；然后，将外螺纹预紧螺母2安装在转向柱管6内，并使外螺纹预紧螺母的止推台阶顶住转向轴上轴承4的内圈；转动外螺纹预紧螺母2，使用0.5N·m-1N·m的转动力矩调整好上轴承4的内外圈轴向位移量，用圆螺母10固定，防止外螺纹预紧螺母2松动。
使用外螺纹预紧螺母2调节转向轴上轴承4的间隙时，其力的传递次序以次为：外螺纹预紧螺母2→轴承内圈→轴承缓冲垫圈5→轴用挡圈→转向轴1。旋转外螺纹预紧螺母2时，则外螺纹预紧螺母2在其外圈21外螺纹斜面的作用下，推动外螺纹预紧螺母2沿轴向运动，带动上轴承4的内圈和转向轴1向下作轴向位移，而上轴承4的外圈与轴承座保持静止不动，此时，上轴承4的内外圈可产生一定的相对位移，其相对位移量的大小与轴承4的间隙成正比，通过消除上轴承4的间隙以实现提高系统的刚度，由此来提高转向管柱的固有频率。
倘若上轴承4的预紧量不够，或是工作一段时间后，上轴承4的间隙加大了，则可先松开螺母10，再旋紧外螺纹预紧螺母2，重新调整上轴承4的内外圈轴向相对位移量，以提高转向管柱的固有频率，使转向管柱的固有频率高于车辆外界激励的频率。汽车行驶时，路面不平整以及发动机、传动系和车轮等旋转部件会引起汽车的振动，通过该发明提高转向管柱的固有频率，使之高于外界策动力的频率，可避免转向管柱出现共振现象，提高车辆驾驶的安全性与舒适性，因此，该发明可明显提高转向管柱的质量和企业的经济效益。
为防止上轴承4预紧后松动，丧失调整效果，在调节好预紧量后也可将外螺纹预紧螺母2焊死。这种方法虽省去了外螺纹预紧螺母2外侧的固定圆螺母10，但该方法却不能反复调整上轴承4的内外圈轴向位移量及转向管柱的固有频率。
Claims (3)
1.一种提高转向管柱固有频率的方法，其特征是该方法是设计了一个带有止推台阶的外螺纹预紧螺母，并将所设计的一个带有止推台阶的外螺纹预紧螺母（2）安装在转向柱管（6）内，并使外螺纹预紧螺母的止推台阶顶住转向轴上轴承（4）的内圈，通过旋转外螺纹预紧螺母（2）来调节转向轴的上轴承的内外圈、轴承缓冲垫圈（5）及轴用挡圈的相对位移量，来提高转向管柱固有的频率，并有效提高转向系统的刚度；
所设计的一个带有止推台阶的外螺纹预紧螺母（2）的外圈（21）相对于内圈（22），是可灵活自由转动的。
2.一种提高转向管柱固有频率的方法，其特征是该方法的具体步骤为：在转向管柱的转向轴上，依次安装缓冲垫圈（5）、上轴承（4）、孔用弹性挡圈（3）；然后，将外螺纹预紧螺母（2）安装在转向柱管（6）内，并使外螺纹预紧螺母的止推台阶顶住转向轴上轴承（4）的内圈；转动外螺纹预紧螺母（2），使用0.5N·m—1N·m的转动力矩调整好上轴承（4）的内外圈轴向位移量，用圆螺母（10）固定，防止外螺纹预紧螺母（2）松动；
所设计的一个带有止推台阶的外螺纹预紧螺母（2）的外圈（21）相对于内圈（22），是可灵活自由转动的。
3.根据权利要求1所述的一种提高转向管柱固有频率的方法，其特征是所述的所设计的一个带有止推台阶的外螺纹预紧螺母（2）的端面内，镶嵌有滚动体（23）。
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