转向管柱的碰撞安全设计(正式版)
汽车碰撞试验中方向管柱的动态分析
汽车碰撞试验中方向管柱的动态分析
商恩义;乌秀春
【期刊名称】《机床与液压》
【年(卷),期】2005(000)001
【摘要】以运动学的坐标转换理论为基础,对汽车方向管柱在高速碰撞试验中的位置和姿态进行了动态分析.
【总页数】2页(P182-183)
【作者】商恩义;乌秀春
【作者单位】锦州锦恒汽车安全系统股份有限公司,辽宁,锦州,121007;辽宁工学院汽车与交通工程学院,辽宁,锦州,121001
【正文语种】中文
【中图分类】U467.14
【相关文献】
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汽车转向管柱设计概述
汽车转向管柱设计概述转向系统是汽车底盘的重要系统之一，其中转向管柱是转向系统的重要部件，使驾驶员作用在转向盘上的力矩通过管柱、转向机、转向横拉杆等部件转化为车轮的运动，实现车辆转向的目的。
目前转向管柱的主要形式有液压助力、电动助力。
文章主要介绍转向系统中的转向管柱开发策略，根据不同车型特点，提出在开发过程中应注意的事项。
标签：转向系统；转向管柱；液压助力；电动助力前言转向管柱是车辆转向系统中的重要部件。
它的主要作用是通过驾驶员作用在方向盘上的扭矩，使方向盘的转动通过转向管柱及转向机、横拉杆、万向节等部件转化为车轮转动，实现车辆转向。
随着安全性的要求逐步提升，转向管柱还要承担二次碰撞中溃缩和能量吸收作用，以保护乘员的安全。
文章主要介绍转向系统中的转向管柱开发策略，提出了转向管柱特点及应注意的事项。
1 转向管柱开发的方向现代转向管柱集功能与节能环保为一体。
随着技术的不断发展，电动助力转向EPS日趋成熟，分为转向管柱式电动助力、齿轮轴式电动助力及齿条轴式电动助力。
其中带有助力电机的转向管柱式电动转向模式己经被逐步应用，该种方式是将助力电机安装在转向管柱上，电机的助力和驾驶员操纵力矩通过中间轴作用在转向机小齿上。
其最大优点是电机、ECU、减速机构等都安装在驾驶舱内，部件的工作环境较好。
但由于所有助力都将通过转向管柱传递到转向小齿轮和齿条上，转向管柱自身的受力较大，导致其助力的大小受到限制。
2 转向管柱的功能特征在确定开发方向采用机械式转向管柱后，需要确定管柱需实现的功能。
逆向设计不但可以减短开发周期，而且可以借鉴一些成熟的经验。
所以根据车型转向管柱布置硬点，通过借鉴市场上己有的成熟的结构进行开发。
在管柱开发中，针对多款竞争车型的产品进行样件分析，给出了分析报告，以全面了解转向管柱所应具有的功能（如表1所示）。
对标杆车型管柱对比分析，调节方式有手动调节和电动调节。
电动调节开发周期长，费用高。
轴向调节范围多在±25mm范围，角度调节在±30mm范围。
基于2021版C-NCAP仪表板五星膝碰研究
2024年第1期引 言C-NCAP按照乘员保护、行人保护和主动安全三个部分的综合得分率来进行星级评价，其中乘员保护中的100%正面碰撞和MPDB碰撞与膝碰相关，分值分别2分和4分，占比分值较大，按照C-NCAP星级评定方案，整车碰撞若要达到C-NCAP五星需要综合得分率达到超过83%且小于92%（如表1），同时乘员保护、行人保护和主doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2024.01.011 收稿日期：2023-11-15基于2021版C-NCAP仪表板五星膝碰研究李威，叶勤，亢胜利，王洪明，贺桥利（东风汽车集团有限公司研发总院，武汉 430058）摘 要：随着汽车工业的发展，汽车从“零死亡”向“零伤亡”再向“零事故”的终极目标不断前进，汽车的安全性尤其是碰撞安全越来越受到人们的关注。
相较于2018版C-NCAP，2021版仪表板knee-mapping试验采用正面50%重叠移动渐进变形壁障碰撞试验（MPDB）替代了正面40%重叠可变形壁障碰撞试验，同时引入了可变区域接触和集中力载荷的评分要求以及试验前提达成规则，评分要求越趋严格。
本文基于对2021版C-NCAP膝碰评分规程解读，探索并提出达成五星膝碰的仪表板设计方法。
关键词：C-NCAP；仪表板；五星膝碰中图分类号：U467.1+4 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2024）01-0061-09Based on the 2021 C-NCAP of IP Five-star Knee-mapping ResearchLI Wei, YE Qin, KANG Sheng-li, WANG Hong-ming, HE Qiao-li( Dongfeng Motor Corporation Research&Development Institute,Wuhan 430058, China)Abstract: With the development of the automobile industry, the ultimate goal of automobile from "zero death" to "zero casualties" and then to "zero accidents" continues to move forward, and the safety of automobiles, especially collision safety, has attracted more and more attention. Compared with C-NCAP 2018 version, knee mapping test of instrument panel 2021 version adopts front 50% overlap moving progressive deformation barrier crash test (MPDB) to replace front 40% overlap deformable barrier crash test, and introduces the scoring requirements of variable area contact and concentrated force load as well as the test prerequisite to achieve rules. Based on the interpretation of C-NCAP knee touch scoring procedures for 2021 edition, this paper explores and proposes a dashboard design method to achieve five-star knee-mapping.Key Words: C-NCAP; Instrument Panel; Five-Star Knee-Mapping李 威毕业于武汉理工大学，硕士研究生学历，现就职于东风汽车集团有限公司研发总院，任主管工程师，主要研究方向为汽车仪表板仪表板技术方案设计，曾发表相关论文3篇，并获得15项专利。
QBJC-CP-000-2008-轿车转向管柱技术条件
上海精粹机电科技有限公司企业标准QB/JC-CP-0 -2008转向管柱技术条件（试行）2008-XX-XX发布 2008-XX-XX 实施上海精粹机电科技有限公司发布前言本标准规定了上海精粹机电科技有限公司轿车吸能式转向管柱的企业标准，为保证产品质量特制订此标准.国家标准、行业标准已有明确规定且适合于本产品的，直接引用作为本标准的内容。
本标准按照GB/T1.3-1997《标准化工作导则第1单元：标准的起草与表述规则第3部分：产品标准编写规定》和GB/T1.1-2000《标准化导则第1部分：标准的结构和编写规则》的要求编写，是在满足市场需求和产品性能的实际情况下制定的。
本企业标准由范围、规范性引用文件、试验条件、试验方法、检验和试验规则、标志、包装、运输及贮存等部分组成。
本标准由上海精粹机电科技有限公司提出。
本标准由研发部底盘科负责起草。
本标准由研发部情报资料科归口。
本标准主要起草人:本标准校对人：本标准标准化审查人：本标准审核人：本标准批准人：转向管柱技术条件1、主题内容与适用范围本标准规定了汽车转向管柱总成的技术要求、试验方法、检验和试验规则、标识、包装、运输、储存及质量保证。
本标准适用于长丰汽车科技轿车转向管柱。
2、引用标准GB/T13384-1992 机电产品包装通用技术条件QC/T649-2000 汽车转向传动轴总成性能要求及试验方法QC/T647-2000 汽车转向万向节总成性能要求及试验方法3、定义本标准采用以下定义3.1万向节总成最大工作角转动万向节时,两万向节叉不产生相互干涉,万向节能够传递转向转矩的最大摆角。
3.2 万向节总成摆动力矩固定万向节的一个节叉,而另一个万向节叉绕十字轴摆动时的摆动力矩值。
3.3 万向节总成转动方向间隙在转动方向上万向节的间隙。
3.4 万向节总成十字轴轴向间隙万向节十字轴的端面和轴承或调整垫圈之间的间隙。
3.5 万向节与轴的拔拉力在装配状态下,在夹紧固定时，万向节叉和轴之间轴向拔拉至滑动时所需的负荷。
碰撞安全与转向管柱溃缩吸能结构开发
碰撞安全与转向管柱溃缩吸能结构开发作者：江天保沈岱武来源：《时代汽车》2019年第09期摘要：为使得在碰撞事故发生后减轻对驾驶员的伤害，从转向管柱溃缩吸能开发入手，本文介绍如何开发一种可溃缩的转向管柱，以及开发过程。
关键词：二次碰撞;转向管柱;溃缩;吸能1 前言随着汽车消费的普及，汽车安全事故越来越多，对汽车安全的要求也越来越高;本文主要介绍为使得在碰撞事故发生后减轻对驾驶员的伤害，从转向管柱溃缩吸能开发入手，介绍如何开发一种可溃缩的转向管柱。
当高速行驶的汽车撞击到低速或者静止的物体后，高速行驶的汽车就会有一个比较大的减速度，根据牛顿定律，驾驶员由于惯性的作用，会向前继续运动，怎么样来约束驾驶员继续向前运动并降低驾驶员受到伤害程度，是被动安全需要解决的问题，本文只介绍安全转向管柱在被动安全约束系统中起到的作用和开发过程。
2 被动安全约束系统简介在诸多约束系统中，转向管柱对驾驶员起到比较重要的作用。
对于中等尺寸的轿车，在被动约束系统中，据统计转向管柱吸收驾驶员总能量约18%左右。
转向管柱/方向盘是汽车发生碰撞时，驾驶员的头、颈、胸与之发生二次碰撞的重点区域，对于被动安全设计要点为：☆对气囊（DAB）有效支撑，并保持承压方向;☆对方向盘具有一定程度的塑形变形，以吸收人体碰撞的冲击能量（GB11557/ECER12）☆转向管柱具有溃缩特性，理论设计有效溃缩距离至少应≥60mm;☆在转向管柱/方向盘的溃缩路径上，应确保没有相关零部件影响溃缩，考虑到如点火开关、护罩、IP等影响，实际试验中溃缩距离应不低于40mm。
3 转向管柱溃缩性能开发流程3.1 项目定义项目启动后，根据立项输入中的整车安全等级，确认转向管柱的溃缩性能，根据需要，合理定义转向管柱溃缩性能。
需要明确转向管柱初始溃缩力，管柱总成溃距离和中间轴溃缩距离。
3.2 转向管柱溃缩方案选用转向管柱溃缩方案比较多，每种溃缩方式的控制方法和控制精度也不同。
转向管柱的碰撞安全设计
转向管柱的碰撞安全设计背景简介转向管柱（steering column）是汽车驾驶员与车轮之间的一根装置，它是汽车转向的媒介。
转向管柱的质量和安全设计，对汽车驾驶员的行车安全有着至关重要的作用。
在汽车行驶过程中，一个较高速度的碰撞，往往会引起转向管柱断裂，给驾驶员造成严重的伤害甚至致命。
因此，安全可靠的转向管柱设计变得格外重要。
碰撞安全设计的要素转向管柱材料的选择转向管柱通常使用钢材或铝材制作，其中钢材转向管柱具有更高的强度和耐腐蚀性，因此在大多数情况下，钢材转向管柱被视为更好的选择。
在材料选择时，还要考虑如何减轻转向管柱的重量，以便减少驾驶员在碰撞中的伤害，同时增加汽车的燃油效率。
转向管柱吸能设备的使用在汽车碰撞时，转向管柱承受的力量相当大，需要通过吸能装置来消耗碰撞能量，并将驾驶员的撞击力减少到最低水平。
吸能设备通常使用可压缩的材料，如泡沫碎片和聚乙烯塑料来实现吸能工作。
在设计吸能装置时，需要考虑吸能装置的大小和形状，以及吸能装置与转向管柱的连接方式。
转向管柱的强度和刚度转向管柱的强度和刚度对汽车驾驶员的安全至关重要。
强度是指转向管柱抵抗断裂的能力，刚度是指转向管柱抵抗弯曲和扭曲的能力。
在设计转向管柱时，需要考虑转向管柱的跨度、壁厚和直径，以确保其具有足够的强度和刚度。
转向管柱的位置和安装在汽车设计中，转向管柱的位置和安装必须考虑到驾驶员的人体工程学因素和空间因素。
为了最大限度保护驾驶员的安全，需要将转向管柱放置在驾驶员身体的中心线上，并确保转向管柱不会造成额外的伤害。
在安装转向管柱时，还需要确保其正确的固定和调整。
碰撞测试的模拟与验证在设计和制造新的转向管柱时，必须对其进行碰撞测试，以模拟不同碰撞情况下的驾驶员安全性能。
这些测试可以帮助设计人员优化转向管柱的材料、结构和安装，以确保其满足国家和行业标准的要求，并减少驾驶员受伤的风险。
结论转向管柱的碰撞安全设计是汽车行业中的一个重要领域，也是一项具有挑战性的设计任务。
汽车转向管柱设计概述
汽车转向管柱设计概述汽车是我们日常生活中必不可少的交通工具，它的转向系统是整个车辆的重要组成部分。
其中，转向管柱是汽车转向系统中至关重要的组件之一。
本文将深入探讨汽车转向管柱的设计原理及其作用。
一、汽车转向管柱的概述汽车转向管柱是连接方向盘和转向齿轮箱的重要部件。
它位于车辆的前部机舱内，translate出来的意思是“转向管柱”，这是汽车转向系统的中心部分。
下面，我们将针对它的工作原理和重要构成部分进行详细讲解。
二、汽车转向管柱的工作原理在汽车中，转向管柱的作用是用来传递驾驶员的方向盘输入，将其变成精确的车轮转向，控制汽车行驶方向。
当驾驶员转动方向盘时，方向盘杆就会发生移动，在管柱中进行传输，最终到达转向齿轮箱。
转向齿轮箱会转动前轮的方向并给发动机启动器供电，进而启动车辆。
三、汽车转向管柱的重要构成部分汽车转向管柱由多个构成部分组成，这些部分因车型而异。
这里，我们将为大家介绍汽车转向管柱的重要部分。
1.方向盘方向盘是驾驶员控制汽车方向的主要部件，它位于驾驶员的前方。
方向盘可以左右旋转，通过转向管柱的传动，将驾驶员的输入信号转化为车轮转向。
方向盘可以根据驾驶员的需要进行调整，以达到最舒适和最安全的驾驶状态。
2.转向管柱轴转向管柱轴是转向系统中最重要的部件之一。
它连接方向盘和转向齿轮箱，并传输驾驶员的方向盘输入信号。
转向管柱轴还需要具备一定的强度和硬度，以承受高速行驶产生的剧烈冲击和扭力。
3.转向管柱支架转向管柱支架是固定转向管柱轴的主要部分。
这个部件必须具备足够强度和稳定性，因为它需要承受车轮方向的巨大压力和扭力，同时还要保证驾驶员方向盘输入信号的精确传输。
四、汽车转向管柱的设计原则汽车转向管柱的设计必须符合一定的原则，以确保其可靠性和稳定性。
下面，我们将为大家介绍汽车转向管柱设计的主要原则。
1.强度要求转向管柱需要具备较高的强度和刚度，以推动车轮的转向。
在设计转向管柱时，制造商会考虑固定支架的尺寸和材质、管柱的截面形状和材质等因素，以满足强度要求。
转向管柱在整车碰撞中的分析与改进
转向管柱在整车碰撞中的分析与改进作者：郑宇王迪来源：《科学导报·学术》2020年第40期摘;要：转向管柱作为汽车转向系统的重要部分，其独特的性能与设计对整车的操纵性造成了很大的影响，在整个控制过程中发挥了巨大作用。
在汽车碰撞的测试之后，转向管柱出现了性能不足等问题，其运动速度以及相关的性能，需要在实际操作中进行进一步的分析与优化，以提升转向管柱的利用性，发挥其在整车操纵中的作用。
关键词：转向管柱;整车碰撞;转向系统;设计优化汽车底盘的系统构成有多个要素，其中最重要的便是转向系统，转向系统对车辆转向以及整车的实际操作都具有重要影响。
在整车操纵的过程中，良好的转向系统能够发挥其自身的性能优越性，保证汽车行驶的安全，同时系统的灵活性以及特有的转向管柱，也能够在汽车整车碰撞过程中起到一定的安全防护作用。
一、转向管柱在汽车碰撞中的作用1.1转向管柱的工作原理转向系统是汽车系统的重要组成部分，也是汽车的重要工作系统，转向系统的良好运行能够让汽车的优越性得到充分的发挥，让汽车的速度以及方向转变都更加灵活，也更加符合人员需求。
在具体的转向系统构成中，转向管柱是非常重要的，在转向行驶的关键环节中，便是转向管柱在发挥作用。
这一构成要素，对汽车的操纵性以及稳定性都会造成重要的影响这一构成要素，对汽车的操纵性以及稳定性都会造成重要的影响，也是影响转向轮之间的协调关系，进行人车互动的关键。
转向管柱的工作原理便是将方向盘和转向器之间进行有效的连接，发挥各个系统之间的转向作用，同时将这些作用传递到驾驶员手中，是人车之间能够进行有效的配合，将方向盘的输入转矩，也在转向系统中进行合理的优化，从而促使齿轮的移动，进而对整车的运动进行良好的控制，进行方向和速度上的把握。
1.2转向管柱在汽车碰撞中的性能发挥1.2.1控制整车方向，实现及时转向对于有可能发生的整车碰撞现象，转向管柱能够让驾驶员对车辆方向和车辆速度进行及时的控制。
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转向管柱的碰撞安全设
计(正式版)
转向管柱的碰撞安全设计(正式版)
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根据GB 11557《防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定》3.1及3.2要求：不装人体模块的整备车辆以48.3～53.1 km/h之间的车速正面撞击障碍壁时，转向柱管和转向轴的上端允许沿着平行于汽车纵向中心线的水平方向向后窜动，但其窜动量不得大于127 mm（在动态下测量）；人体模块以24.1+12
km/h的速度水平撞击转向盘时，作用在转向盘上的水平力不得大于11123N，因此，对转向盘及转向管柱提出了安全方面的要求。
图1所示为某车型转向管柱总成结构，转向管柱的安全设计体现在吸能和溃缩两个方面，最终目的是
减少对驾驶员的伤害，正面碰撞时方向盘、转向管柱和转向器组成的转向系统对驾驶员造成的损伤占到驾驶员损伤的46%。
对于转向系统对人的伤害来自于方向盘和转向管柱。
造成人员伤害的部位集中在头部、胸部及腿部。
所以，采取措施是碰撞时转向系零部件的塑性变形、弹性变形以及某些零部件相互分开不能传递运动和力或者利用零部件之间的摩擦来吸收冲击能量。
因此，如何使管柱实现溃缩吸能要求，以保护乘员安全，对管柱的设计提出了要求，同时，为了满足相应的要求，管柱各部分的结构设计和选型是关键。
对转向管柱一般设计参数要求如下：
（1）压缩行程：转向柱及中间轴的可压缩行程150mm以上；
（2）转向柱系统的最小临界压缩力：1.1～
2.5kN；
（3）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，转向柱上每个可断开联接盒一般有2～4个注塑销；
（4）除了保证规定的轴向压缩力外，还要有足够的抗弯强度，以提高轴向吸能效果；
（5）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；
典型的缓冲吸能转向系统结构上包括方向盘、转向轴套管、转向轴、转向器以及当方向盘受到撞击时能够吸收冲击能量的其他元件等（如图3所示）。
变形及溃缩部位分上节和下节（中间传动轴及下传动轴）两部分，一般以驾驶室前围为界限，可吸收来自于车前一次碰撞和来自于驾驶员的二次碰撞能。
（a）可压缩变形的转向柱
（b）可变形支架
转向管柱的上节溃缩结构繁多，但大都利用摩擦力、剪断力和变形力来吸收能量，轴向变形常用到的机构有花键轴及花键套式、尼龙销式、钢珠滚压式和套管挤压吸能式等，中间传动轴及下传动轴的结构常用的有花键式、波纹管式、胶盘式或多种结构配合。
由于转向管柱溃缩及吸能主要在轴向方向，而对于部分车型由于涉及原因导致碰撞过程中管柱受力方向并不都是轴向，从而导致轴向溃缩不能完全发挥作用，所以在设计中应考虑管柱的弯曲受力，减小弯矩同样可以达到碰撞对管柱的要求，防止碰撞过程中管柱轴向窜动过大波纹管在满足转矩要求的同时，还可同时满足碰撞轴向溃缩要求或弯曲溃缩功能。
因此，带波纹管形式的转向传动轴得到了广泛的应用。
结束语
通过扭转校核方法满足管柱的转向要求，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。
只有全面考虑，才能做到功能和效益的更好结合。
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