CN110758547B - 一种基于负泊松比结构的溃缩式汽车转向装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于负泊松比结构的溃缩式汽车转向装置，包括：上转向管柱、第一吸能装置、下转向管柱、第一万向节、上转向传动轴、第二吸能装置和下转向传动轴；上转向管柱的下端可滑动地套装在下转向管柱的上端，上转向管柱和下转向管柱之间设置有第一吸能装置；上转向传动轴的上端通过第一万向节与下转向管柱的下端连接；上转向传动轴的下端可滑动地套装在下转向传动轴的上端，上转向传动轴和下转向传动轴之间设置有第二吸能装置；其中，第一吸能装置和第二吸能装置均为双箭型负泊松比结构。本发明设置有负泊松比结构，能够较大程度吸收碰撞能量；设置有万向节，可减小转向系统对驾驶室的侵入量，保证驾驶人员有更多的生存空间。
Description
技术领域
本发明属于汽车转向技术领域，特别涉及一种基于负泊松比结构的溃缩式汽车转向装置。
背景技术
交通事故统计资料及汽车碰撞试验结果的分析表明：汽车正面碰撞时，转向系统是使驾驶人员受伤的主要元件。GB11557-2011《防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定》中要求汽车在以48km/h的速度、正面同其他物体碰撞的试验中，转向管柱和转向轴在水平方向的后移量不得大于127mm；在台架试验中，用人体模型的躯干以6.7m/s的速度碰撞转向盘时，作用在转向盘上的水平力不得超过11123N。因此设计一种防伤安全转向系统很有必要。
汽车的碰撞过程分为一次碰撞和二次碰撞两个阶段；一次碰撞是指汽车与汽车之间发生的碰撞，在一次碰撞结束后，车内乘员由于惯性的作用会撞向车内的其他部件(如方向盘，仪表板等)，这个碰撞过程称为二次碰撞；一次碰撞和二次碰撞都会对车内乘员造成巨大的危害。汽车发生正面碰撞时，位于汽车前部的包含转向传动轴、转向管柱和方向盘等在内的转向系统会向后移动进入驾驶室，对驾驶人员的生存空间造成威胁；另外，在二次碰撞时，驾驶人的胸部，腹部甚至头部会撞向方向盘，冲击力过大会造成驾驶人的伤亡。
目前，传统转向系统中的转向传动轴为刚性结构，一次碰撞时不易发生变形且没有吸能装置，向驾驶室的侵入量较大；二次碰撞时，由于转向管柱没有吸能装置，会对驾驶人造成较大伤害。
现有的一种溃缩式转向系统是采用波纹管式或网格状转向管柱，这种转向管柱在汽车正面碰撞时会发生塑性变形从而吸收一部分的能量。另外一种转向系统是将转向传动轴分成两段；碰撞时，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，吸收冲击能量。虽然上述两种现有结构都能吸收撞击能量，但是吸收的能量非常有限；而且这两种转向系统没有考虑到二次碰撞中对驾驶人员安全的保护，不能有效保证驾驶人员的生存空间。
综上，亟需一种新的基于负泊松比结构的溃缩式汽车转向装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于负泊松比结构的溃缩式汽车转向装置，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明中，设置有负泊松比结构，能够较大程度吸收碰撞能量；设置有万向节，可减小转向系统对驾驶室的侵入量，保证驾驶人员有更多的生存空间。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种基于负泊松比结构的溃缩式汽车转向装置，包括：上转向管柱、第一吸能装置、下转向管柱、第一万向节、上转向传动轴、第二吸能装置和下转向传动轴；所述上转向管柱的下端可滑动地套装在所述下转向管柱的上端，所述上转向管柱和所述下转向管柱之间设置有第一吸能装置；所述上转向传动轴的上端通过第一万向节与所述下转向管柱的下端连接；所述上转向传动轴的下端可滑动地套装在所述下转向传动轴的上端，所述上转向传动轴和所述下转向传动轴之间设置有第二吸能装置；其中，第一吸能装置和第二吸能装置均为双箭型负泊松比结构。
本发明的进一步改进在于，所述双箭型负泊松比结构包括多个箭头层和多个箭尾层；箭头层与箭尾层连接；箭头层和箭尾层由二维负泊松比结构环绕成圆筒状，并沿径向进行辐射扩展而成。
本发明的进一步改进在于，箭头层和箭尾层通过胶粘连接。
本发明的进一步改进在于，所述上转向管柱设有键，下转向管柱开设有槽，上转向管柱通过键槽结构插入下转向管柱内；下转向管柱内设空腔，第一吸能装置设置于下转向管柱的空腔内。
本发明的进一步改进在于，第一吸能装置通过过盈配合的方式设置于下转向管柱的空腔内。
本发明的进一步改进在于，上转向传动轴开设有槽，下转向传动轴设有键，下转向传动轴通过键槽结构插入上转向传动轴内；上转向传动轴内设中空结构，第二吸能装置采用过盈配合的方式安装在上转向传动轴的中空结构内。
本发明的进一步改进在于，还包括：第二万向节；所述第二万向节安装在所述下转向传动轴的下端，所述第二万向节用于连接转向器。
本发明的进一步改进在于，第一吸能装置的材料为塑料；第二吸能装置的材料为金属。
本发明的进一步改进在于，还包括：方向盘；所述方向盘与所述上转向管柱的上端连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
为了克服汽车发生正面碰撞时转向系统对驾驶室的侵入量过大、吸收碰撞能量有限、二次碰撞会对驾驶人造成伤害等现有问题，本发明提供了一种基于负泊松比结构的溃缩式汽车转向装置；由于负泊松比结构具有优异的吸能性能，所以本发明提出的基于负泊松比结构的溃缩式转向系统在汽车发生一次碰撞时能够吸收更多的能量，且负泊松比结构的变形能够抵抗一部分转向传动轴向后的位移量；本发明在转向管柱和转向传动轴之间增加第一万向节，在碰撞时转向传动轴能够绕第一万向节转动，也能抵抗一部分转向传动轴向后的位移量，在碰撞时转向传动轴能够围绕万向节转动从而能够减小转向系统对驾驶室的侵入量，保证驾驶人有更多的生存空间；另外，在二次碰撞时，下转向管柱中的负泊松比吸能结构能够产生变形，从而吸收撞击能量，起到缓冲作用，对驾驶人起到更好的保护效果。
本发明基于双箭型负泊松比结构的溃缩式转向系统，在下转向管柱和上转向轴中加入了具有负泊松比结构的吸能装置，负泊松比结构在单轴压缩时会发生侧向收缩，而不是膨胀，负泊松比结构展现出很强的力学性能，能够最大程度的吸收碰撞能量。
本发明中，上转向管柱设有键，下转向管柱开设有槽，上转向管柱通过键槽结构插入在下转向管柱内，下转向管柱中一部分中空，双箭型负泊松比结构的第一吸能装置采用过盈配合的方式安装于下转向管柱中；上转向管柱受到冲击时，上转向管柱可以在下转向管柱中沿轴向移动，并通过第一吸能装置吸收能量。
本发明中，上转向传动轴开设有槽，下转向传动轴设有键，下转向传动轴通过键槽结构插入上转向传动轴内，上转向传动轴一部分中空，双箭型负泊松比结构的第二吸能装置采用过盈配合的方式装配在上转向传动管柱中，下转向传动轴在受到冲击时可以沿轴向在上转向传动轴中移动，并通过第二吸能装置吸收能量。
本发明中，第二万向节的设置也有利于使转向盘和转向器在汽车上得到合理的布置，提高操纵方便性并且容易拆装。
本发明中，由于一次碰撞和二次碰撞的撞击能量不同，因此第一吸能装置和第二吸能装置所采用的材料也应该不同，确保两个吸能装置能发挥优异的性能，一次碰撞的撞击能量明显大于二次碰撞中的撞击能量，因此第二吸能装置应该选用刚度大的金属材料，而第一吸能装置3应该选用刚度较小的材料，比如塑料等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种基于负泊松比结构的溃缩式汽车转向装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中，下转向管柱中的负泊松比结构吸能装置的安装示意图；
图3是本发明实施例中，负泊松比结构的吸能装置轴侧结构示意图；
图4是本发明实施例中，负泊松比结构的吸能装置主视结构示意图；
图5是本发明实施例中，二维双箭型负泊松比结构单元示意图；
图6是本发明实施例中，单层负泊松比结构示意图；
图7是本发明实施例中，汽车正面碰撞本发明的转向装置的结构变形示意图；
图1至图7中，1、方向盘；2、上转向管柱；3、第一吸能装置；4、下转向管柱；5、第一万向节；6、上转向传动轴；7、第二吸能装置；8、下转向传动轴；9、第二万向节；31、箭头层；32、箭尾层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例的一种基于负泊松比结构的溃缩式汽车转向装置，包括以下部件：方向盘1、上转向管柱2、第一负泊松比结构吸能装置3、下转向管柱4、第一万向节5、上转向传动轴6、第二负泊松比结构吸能装置7、下转向传动轴8和第二万向节9。
第一负泊松比结构吸能装置3和第二负泊松比结构吸能装置7均为双箭型负泊松比结构，所述双箭型负泊松比结构的吸能装置由多个箭头层31和多个箭尾层32组成；箭头层31和箭尾层32是独立的部件并通过胶粘结在一起。箭头层31和箭尾层32由二维负泊松比结构环绕成圆筒状，并沿径向进行辐射扩展而成。
由于一次碰撞和二次碰撞的撞击能量不同，因此第一吸能装置3和第二吸能装置7所采用的材料也应该不同，确保两个吸能装置能发挥优异的性能，一次碰撞的撞击能量明显大于二次碰撞中的撞击能量，因此第二吸能装置7应该选用刚度大的金属材料，而第一吸能装置3应该选用刚度较小的材料，比如塑料等。
所述方向盘1与上转向管柱2固连；上转向管柱2设有两个圆键，下转向管柱4开设有槽，上转向管柱2通过键槽结构插入在下转向管柱4内，下转向管柱4中一部分中空，双箭型负泊松比结构的第一吸能装置3采用过盈配合的方式安装于下转向管柱4中，上转向管柱2受到冲击时，上转向管柱2可以在下转向管柱4中沿轴向移动；下转向管柱4与上转向传动轴6通过第一万向节5铰接在一起，保证二者相互转动的同时可以传递转矩；上转向传动轴6开设有槽，下转向传动轴8设有两个圆键，下转向传动轴8通过键槽结构插入上转向传动轴6内，上转向传动轴6一部分中空，双箭型负泊松比结构的第二吸能装置7采用过盈配合的方式装配在上转向传动管柱6中，下转向传动轴8在受到冲击时可以沿轴向在上转向传动轴6中移动；下转向传动轴8通过第二万向节9与汽车转向系统中的转向器(图中未画出)连接，从而传递转矩。
本发明的工作原理：
在汽车发生碰撞时，下转向传动轴8通过键槽结构沿轴向向后移动，挤压上转向传动轴6中的第二吸能装置7，第二吸能装置7产生溃缩，吸收碰撞能量，并且能够抵消一部分转向系统向驾驶室的侵入量，增加驾驶人的生存空间。同时，如图7所示，碰撞过程中上转向传动轴6围绕第一万向节5发生转动，上转向传动轴6与下转向管柱4之间的夹角变小，也能够抵消一部分转向系统的位移，从而减小转向系统对驾驶室的侵入量，保证驾驶人的生存空间；另外，万向节的设置也有利于使转向盘和转向器在汽车上得到合理的布置，提高操纵方便性并且容易拆装。二次碰撞过程中，驾驶人撞向方向盘1，方向盘1与上转向管柱2固连，上转向管柱2通过键槽结构沿轴向向下移动，挤压下转向管柱4中的第一吸能装置3，第一吸能装置3产生变形溃缩，吸收撞击能量，起到缓冲的效果，保护驾驶人的生命安全。
本发明基于负泊松比结构具有优异的吸能性能，提出了一种基于负泊松比结构的溃缩式转向系统，在汽车发生一次碰撞时能够吸收更多的能量，而且负泊松比结构的变形能够抵抗一部分转向传动轴向后的位移量；其次，在碰撞时转向传动轴能够绕万向节转动，也能抵抗一部分转向传动轴向后的位移量，进而保证驾驶人有更多的生存空间；另外，在二次碰撞时，下转向管柱中的负泊松比吸能结构能够产生变形，从而吸收撞击能量，起到缓冲作用，对驾驶人起到更好的保护效果。
综上所述，为了克服汽车发生正面碰撞时转向系统对驾驶室的侵入量过大、吸收碰撞能量有限、二次碰撞会对驾驶人造成伤害等现有问题，本发明提供了一种基于双箭型负泊松比结构的溃缩式转向系统。本转向系统在下转向管柱和上转向轴中加入了具有负泊松比结构的吸能装置，负泊松比结构在单轴压缩时会发生侧向收缩，而不是膨胀，负泊松比结构展现出很强的力学性能，能够最大程度的吸收碰撞能量；另外，本发明在转向管柱和转向传动轴之间增加万向节，在碰撞时转向传动轴能够围绕万向节转动从而能够减小转向系统对驾驶室的侵入量，保证驾驶人有更多的生存空间；万向节的设置也有利于使转向盘和转向器在汽车上得到合理的布置，提高操纵方便性并且容易拆装。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于负泊松比结构的溃缩式汽车转向装置，其特征在于，包括：上转向管柱(2)、第一吸能装置(3)、下转向管柱(4)、第一万向节(5)、上转向传动轴(6)、第二吸能装置(7)和下转向传动轴(8)；
所述上转向管柱(2)的下端可滑动地套装在所述下转向管柱(4)的上端，所述上转向管柱(2)和所述下转向管柱(4)之间设置有第一吸能装置(3)；
所述上转向传动轴(6)的上端通过第一万向节(5)与所述下转向管柱(4)的下端连接；
所述上转向传动轴(6)的下端可滑动地套装在所述下转向传动轴(8)的上端，所述上转向传动轴(6)和所述下转向传动轴(8)之间设置有第二吸能装置(7)；
其中，第一吸能装置(3)和第二吸能装置(7)均为双箭型负泊松比结构；第一吸能装置(3)通过过盈配合的方式设置于下转向管柱(4)的空腔内；第一吸能装置(3)的材料为塑料；第二吸能装置(7)的材料为金属；
所述双箭型负泊松比结构包括多个箭头层(31)和多个箭尾层(32)；箭头层(31)与箭尾层(32)连接；箭头层(31)和箭尾层(32)由二维负泊松比结构环绕成圆筒状，并沿径向进行辐射扩展而成；箭头层(31)和箭尾层(32)通过胶粘连接；
所述上转向管柱(2)设有键，下转向管柱(4)开设有槽，上转向管柱(2)通过键槽结构插入下转向管柱(4)内；下转向管柱(4)内设空腔，第一吸能装置(3)设置于下转向管柱(4)的空腔内；
上转向传动轴(6)开设有槽，下转向传动轴(8)设有键，下转向传动轴(8)通过键槽结构插入上转向传动轴(6)内；上转向传动轴(6)内设中空结构，第二吸能装置(7)采用过盈配合的方式安装在上转向传动轴(6)的中空结构内；
还包括：第二万向节(9)；所述第二万向节(9)安装在所述下转向传动轴(8)的下端，所述第二万向节(9)用于连接转向器；
还包括：方向盘(1)；所述方向盘(1)与所述上转向管柱(2)的上端连接。
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