CN111452865A - 一种转向管柱及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种转向管柱，包括上管柱、下管柱、安装支架、上芯轴和下芯轴，所述上管柱和下管柱的一端套接，所述上芯轴和下芯轴的一端通过花键连接而另一端通过轴承分别安装在上管柱和下管柱内，所述上管柱、下管柱与安装支架通过夹紧螺栓、锁紧凸轮及调节手柄固定连接，所述上柱管与下管柱的摩擦面之间分别设有设于下柱管上的内管摩擦层和设于上管柱上且与内管摩擦层相适配的外管摩擦层，所述上柱管与下管柱的摩擦面之间的摩擦力逐渐增大。本发明还提供了一种转向管柱的设计方法。本发明可随转向管柱的轴向溃缩而使上柱管与下管柱之间的摩擦力相应地随之增大，以使其符合转向管柱的实际溃缩特性，从而可有效地提高驾驶员的安全系数。

Description

一种转向管柱及其设计方法
技术领域
本发明涉及汽车转向技术领域，具体是涉及一种转向管柱及其设计方法。
背景技术
随着汽车工业的发展，汽车安全性越来越被人们所重视。根据相关数据统计，汽车发生正面碰撞时，包括方向盘、转向管柱在内的转向系统对驾驶员的伤害占到了驾驶员损伤的46％。具体来说，当行驶的汽车发生正面碰撞时，驾驶员由于惯性作用会继续向前运动，以致其头部、胸部对方向盘产生冲击，该冲击会通过方向盘传递给转向管柱，而转向管柱会反过来对驾驶员的头部、胸部造成反向冲击力。
按照相关法规要求，转向管柱必须具备被动安全功能，即发生碰撞时能够通过结构上的溃缩来增大驾驶员的生存空间，以防转向系统对驾驶员造成伤害。
在中国实用新型专利CN201720185749.7的说明书中公开了一种转向管柱碰撞系统，包括外套管和内套管，所述内套管插入到所述外套管中，所述内套管的外表面与所述外套管的内表面接触并能产生摩擦力，所述内套管与所述外套管之间设有用于增加摩擦力的摩擦片。该碰撞系统虽能增大内套管与外套管之间的摩擦力，但其摩擦力值是固定的，其无法满足随着转向管柱的溃缩而使内套管与外套管之间的摩擦力相应地随之变化，从而无法很好地防止在碰撞过程中转向系统对驾驶员造成伤害。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题在于提供一种随着转向管柱的溃缩而安全系数依然很高的转向管柱及其设计方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种转向管柱，包括上管柱、下管柱、安装支架、上芯轴和下芯轴，所述上管柱和下管柱的一端套接，所述上芯轴和下芯轴的一端通过花键连接而另一端通过轴承分别安装在上管柱和下管柱内，所述上管柱、下管柱与安装支架通过夹紧螺栓、锁紧凸轮及调节手柄固定连接，所述上柱管与下管柱的摩擦面之间分别设有设于下柱管上的内管摩擦层和设于上管柱上且与内管摩擦层相适配的外管摩擦层，所述上柱管与下管柱的摩擦面之间的摩擦力逐渐增大。
更优的，所述下柱管上的内管摩擦层的厚度逐渐增大。
更优的，所述下柱管上的内管摩擦层的摩擦系数逐渐增大。
更优的，所述下柱管上的内管摩擦层的厚度和摩擦系数均逐渐增大。
更优的，所述上管柱与安装支架的摩擦面之间分别设有设于上管柱上的摩擦层Ⅰ和设于安装支架上的摩擦层Ⅱ。
本发明还提供了一种转向管柱的设计方法，包括以下设计步骤：
1)查询相关医学资料，查得在碰撞过程中驾驶员头部、胸部承受来自方向盘的无痛最大压力、无损最大压力、无需手术治疗最大压力以及不至死最大压力；
2)根据现有碰撞试验数据，绘制上柱管相对下管柱的滑动行程与驾驶员承受来自方向盘的压力的关系图；
3)根据步骤1)查得的各种最大压力和步骤2)绘制的滑动行程-压力关系图，设计上柱管与下管柱的摩擦面之间的摩擦力，使之满足相当于从无痛最大压力逐步过渡到不至死最大压力的摩擦力逐渐增大的要求；同时，设计上管柱与安装支架的摩擦面之间的摩擦力，使之满足在碰撞过程中驾驶员头部、胸部与方向盘的接触面积最大的要求；
4)进行碰撞试验，验证上柱管与下管柱的摩擦面之间的摩擦力及上管柱与安装支架的摩擦面之间的摩擦力是否满足步骤3)中的设计要求，同时验证驾驶员承受来自方向盘的压力是否满足步骤1)中的设计要求；
5)若碰撞试验结果满足设计要求，则对现有的滑动行程-压力关系图进行优化；若碰撞试验结果不满足设计要求，则重复步骤3)～步骤5)，直至满足设计要求为止。
更优的，所述步骤3)中使上柱管与下管柱的摩擦面之间的摩擦力逐渐增大的方法为：在所述上柱管与下管柱的摩擦面之间分别设置设于下柱管上的内管摩擦层和设于上管柱上且与内管摩擦层相适配的外管摩擦层，所述下柱管上的内管摩擦层的厚度逐渐增大。
更优的，所述步骤3)中使上柱管与下管柱的摩擦面之间的摩擦力逐渐增大的方法为：在所述上柱管与下管柱的摩擦面之间分别设有设于下柱管上的内管摩擦层和设于上管柱上且与内管摩擦层相适配的外管摩擦层，所述下柱管上的内管摩擦层的摩擦系数逐渐增大。
更优的，所述步骤3)中使上柱管与下管柱的摩擦面之间的摩擦力逐渐增大的方法为：在所述上柱管与下管柱的摩擦面之间分别设有设于下柱管上的内管摩擦层和设于上管柱上且与内管摩擦层相适配的外管摩擦层，所述下柱管上的内管摩擦层的厚度和摩擦系数均逐渐增大。
更优的，所述步骤3)中使上管柱与安装支架的摩擦面之间的摩擦力满足设计要求的方法为：在所述上管柱与安装支架的摩擦面之间分别设有设于上管柱上的摩擦层Ⅰ和设于安装支架上的摩擦层Ⅱ。
相比于现有技术，本发明的有益效果是：
1、通过在上柱管与下管柱的摩擦面之间分别设置设于下柱管上的内管摩擦层和设于上管柱上且与内管摩擦层相适配的外管摩擦层，同时使上柱管与下管柱的摩擦面之间的摩擦力逐渐增大，这样在碰撞过程中可随转向管柱的轴向溃缩而使上柱管与下管柱之间的摩擦力相应地随之增大，以使其符合转向管柱的实际溃缩特性，从而可有效地提高驾驶员的安全系数。
2、通过在上管柱与安装支架的摩擦面之间分别设置设于上管柱上的摩擦层Ⅰ和设于安装支架上的摩擦层Ⅱ，这样不仅在碰撞过程中可随转向管柱的溃缩而调节方向盘前、后角度的变化，以使驾驶员的头部、胸部与方向盘的接触面积最大，从而降低驾驶员身体局部受到的压力，而且可在驾驶员正常驾驶时保持足够的强度和刚度，以防止驾驶员未操作调节手柄时也发生方向盘前、后、上、下位移的问题。
附图说明
图1为本发明一种转向管柱的整体结构示意图。
图2为图1的剖视图。
图3为图1中上管柱与下管柱的摩擦面之间的摩擦层的结构示意图。
图4为图1中上管柱与安装支架的摩擦面之间的摩擦层的结构示意图。
图示说明：1-上管柱，2-下管柱，3-安装支架，4-上芯轴，5-下芯轴，6-内管摩擦层，7-外管摩擦层，8-摩擦层Ⅰ，9-摩擦层Ⅱ，10-夹紧螺栓，11-锁紧凸轮，12-调节手柄。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步地说明。
如图1至图4所示为本发明一种转向管柱的结构示意图，包括上管柱1、下管柱2、安装支架3、上芯轴4、下芯轴5、夹紧螺栓10、锁紧凸轮11和调节手柄12。
其中，上管柱1的一端与下管柱2的一端套接，且在上柱管1与下管柱2的摩擦面之间(包括上管柱1与下管柱2的套接处)分别设置有设于下柱管2上的内管摩擦层6和设于上管柱1上且与内管摩擦层6相适配的外管摩擦层7，该内管摩擦层6和外管摩擦层7可使上柱管1与下管柱2的摩擦面之间的摩擦力逐渐增大。具体来说是，下柱管1上的内管摩擦层6的厚度设计为逐渐增大(如图2所示)，而外管摩擦层7与内管摩擦层6相适配即可，这样在碰撞过程中上管柱2相对于下管柱2滑动时，随着上管柱2滑动行程的增大而使摩擦力逐渐增大，即在碰撞过程中可随转向管柱的轴向溃缩而使上柱管1与下管柱2之间的摩擦力相应地随之增大，以使其符合转向管柱的实际轴向溃缩特性，从而可有效地提高驾驶员的安全系数。
当然，要使上柱管1与下管柱2的摩擦面之间的摩擦力逐渐增大的方法还包括有：将下柱管1上的内管摩擦层6的摩擦系数设计为逐渐增大；或者将下柱管1上的内管摩擦层6的厚度和摩擦系数均设计为逐渐增大，只要其符合转向管柱的实际轴向溃缩特性即可。
进一步，上管柱1、下管柱2与安装支架3之间可通过夹紧螺栓10、锁紧凸轮11及调节手柄12固定连接。具体来说是，上管柱1的一端与下管柱2的一端套接后，在其套接处可通过夹紧螺栓10、锁紧凸轮11及调节手柄12与安装支架3固定连接，且可根据实际需要通过调节手柄12和锁紧凸轮11来调节夹紧螺栓10对上管柱1、下管柱2及安装支架3的锁紧压力，使之保证驾驶员在正常行驶时上管柱1、下管柱2与安装支架3之间有足够的强度和刚度，即在驾驶员未操作调节手柄12时不会发生与转向管柱连接的方向盘的前、后、上、下位移的问题。
进一步，在上管柱1与安装支架3的摩擦面之间(包括上管柱1与安装支架3的接触面)还分别设置有设于上管柱1上的摩擦层Ⅰ8和设于安装支架3上的摩擦层Ⅱ9，这样可进一步保证驾驶员在正常行驶时上管柱1、下管柱2与安装支架3之间有足够的强度和刚度，同时在碰撞过程中可随转向管柱的溃缩而调节方向盘前、后角度的变化，以保证驾驶员的头部、胸部与方向盘的接触面积最大，从而降低驾驶员身体局部受到的压力。
进一步，上芯轴4的一端与下芯轴5的一端可通过花键套接在一起，而上芯轴4的另一端可通过轴承安装在上管柱1内，下芯轴5的另一端可通过轴承安装在下管柱2内；同时，上芯轴4的另一端可与方向盘(图中未画出)固定连接。
本发明还提供了一种转向管柱的设计方法，包括以下设计步骤：
1)查询相关医学资料，查得在碰撞过程中驾驶员头部、胸部承受来自方向盘的无痛最大压力、无损最大压力、无需手术治疗最大压力以及不至死最大压力。
2)根据现有碰撞试验数据，绘制上柱管相对下管柱的滑动行程与驾驶员承受来自方向盘的压力的关系图，即滑动行程-压力关系图(该关系图为非线性图)。
3)根据步骤1)查得的各种最大压力和步骤2)绘制的滑动行程-压力关系图，设计上柱管与下管柱的摩擦面之间的摩擦力，使之满足相当于从无痛最大压力、无损最大压力、无需手术治疗最大压力到不至死最大压力的摩擦力逐渐增大的要求。在本实施例中，假设与无痛最大压力对应的第一轴向溃缩段的摩擦力为600N～1200N，与无损最大压力对应的第二轴向溃缩段的摩擦力为1200N～3500N，与无需手术治疗最大压力对应的第三轴向溃缩段的摩擦力为3500N～4500N，不至死最大压力对应的第四轴向溃缩段的摩擦力为4500N～6000N，即在碰撞过程中可随转向管柱的轴向溃缩而使上柱管与下管柱之间的摩擦力相应地随之增大。
同时，设计上管柱与安装支架的摩擦面之间的摩擦力，使之满足在碰撞过程中驾驶员头部、胸部与方向盘的接触面积最大的要求。在本实施例中，假设上管柱与安装支架的摩擦面之间的摩擦力为500N，即驾驶员在正常驾驶时防止方向盘前、后转动的静摩擦力设为500N。
4)进行碰撞试验，验证上柱管与下管柱的摩擦面之间的摩擦力及上管柱与安装支架的摩擦面之间的摩擦力是否满足步骤3)中的设计要求，同时验证驾驶员承受来自方向盘的压力是否满足步骤1)中的设计要求。
5)若碰撞试验结果满足设计要求，则对现有的滑动行程-压力关系图进行优化；若碰撞试验结果不满足设计要求，则重复步骤3)～步骤5)，直至满足设计要求为止。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种转向管柱，包括上管柱、下管柱、安装支架、上芯轴和下芯轴，所述上管柱和下管柱的一端套接，所述上芯轴和下芯轴的一端通过花键连接而另一端通过轴承分别安装在上管柱和下管柱内，所述上管柱、下管柱与安装支架通过夹紧螺栓、锁紧凸轮及调节手柄固定连接，其特征在于：所述上柱管与下管柱的摩擦面之间分别设有设于下柱管上的内管摩擦层和设于上管柱上且与内管摩擦层相适配的外管摩擦层，所述上柱管与下管柱的摩擦面之间的摩擦力逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的一种转向管柱，其特征在于：所述下柱管上的内管摩擦层的厚度逐渐增大。
3.根据权利要求1所述的一种转向管柱，其特征在于：所述下柱管上的内管摩擦层的摩擦系数逐渐增大。
4.根据权利要求1所述的一种转向管柱，其特征在于：所述下柱管上的内管摩擦层的厚度和摩擦系数均逐渐增大。
5.根据权利要求1至4任一所述的一种转向管柱，其特征在于：所述上管柱与安装支架的摩擦面之间分别设有设于上管柱上的摩擦层Ⅰ和设于安装支架上的摩擦层Ⅱ。
6.一种转向管柱的设计方法，其特征在于，包括以下设计步骤：
1)查询相关医学资料，查得在碰撞过程中驾驶员头部、胸部承受来自方向盘的无痛最大压力、无损最大压力、无需手术治疗最大压力以及不至死最大压力；
2)根据现有碰撞试验数据，绘制上柱管相对下管柱的滑动行程与驾驶员承受来自方向盘的压力的关系图；
3)根据步骤1)查得的各种最大压力和步骤2)绘制的滑动行程-压力关系图，设计上柱管与下管柱的摩擦面之间的摩擦力，使之满足相当于从无痛最大压力逐步过渡到不至死最大压力的摩擦力逐渐增大的要求；同时，设计上管柱与安装支架的摩擦面之间的摩擦力，使之满足在碰撞过程中驾驶员头部、胸部与方向盘的接触面积最大的要求；
4)进行碰撞试验，验证上柱管与下管柱的摩擦面之间的摩擦力及上管柱与安装支架的摩擦面之间的摩擦力是否满足步骤3)中的设计要求，同时验证驾驶员承受来自方向盘的压力是否满足步骤1)中的设计要求；
5)若碰撞试验结果满足设计要求，则对现有的滑动行程-压力关系图进行优化；若碰撞试验结果不满足设计要求，则重复步骤3)～步骤5)，直至满足设计要求为止。
7.根据权利要求6所述的一种转向管柱的设计方法，其特征在于，所述步骤3)中使上柱管与下管柱的摩擦面之间的摩擦力逐渐增大的方法为：在所述上柱管与下管柱的摩擦面之间分别设置设于下柱管上的内管摩擦层和设于上管柱上且与内管摩擦层相适配的外管摩擦层，所述下柱管上的内管摩擦层的厚度逐渐增大。
8.根据权利要求6所述的一种转向管柱的设计方法，其特征在于，所述步骤3)中使上柱管与下管柱的摩擦面之间的摩擦力逐渐增大的方法为：在所述上柱管与下管柱的摩擦面之间分别设有设于下柱管上的内管摩擦层和设于上管柱上且与内管摩擦层相适配的外管摩擦层，所述下柱管上的内管摩擦层的摩擦系数逐渐增大。
9.根据权利要求6所述的一种转向管柱的设计方法，其特征在于，所述步骤3)中使上柱管与下管柱的摩擦面之间的摩擦力逐渐增大的方法为：在所述上柱管与下管柱的摩擦面之间分别设有设于下柱管上的内管摩擦层和设于上管柱上且与内管摩擦层相适配的外管摩擦层，所述下柱管上的内管摩擦层的厚度和摩擦系数均逐渐增大。
10.根据权利要求6所述的一种转向管柱的设计方法，其特征在于，所述步骤3)中使上管柱与安装支架的摩擦面之间的摩擦力满足设计要求的方法为：在所述上管柱与安装支架的摩擦面之间分别设有设于上管柱上的摩擦层Ⅰ和设于安装支架上的摩擦层Ⅱ。
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Application publication date: 20200728