转向管柱带中间轴总成设计指南

转向管柱带中间轴总成

设计指南

底盘部

图1 转向管柱带中间轴总成示意图

1.概述

转向管柱带中间轴总成是连接转向盘与转向机的传动机构。

它基本上有两部分组成：一部分是转向管柱总成，另一部分是中间轴总成。它的作用是将作用在转向盘上的手力传递给转向机，并将转向轮受到的力和冲击回传到转向盘使驾驶员能够感知路面情况，对汽车采取正确的操控。

转向管柱上一般固定有方向盘、时钟弹簧、组合开关、点火开关以及组合开关护罩等件，所以设计时要做好各件配合部分的尺寸链计算。

从结构方面可以分为可调转向管柱和不可调转向管柱，可调转向管柱一般分角度可调、高度可调以及角度和高度均可调三种。

2.转向管柱带中间轴总成的布置要求

2.1空间角度要求

整车布置时考虑到人机工程以及为了避免与其他件干涉，转向管柱与中间轴总成布置时存在空间角度，即转向芯轴中心线、中间轴中心线、转向机输入轴中心线形成的空间角度，它们形成的夹角影响力矩波动和传动效率。

转向芯轴中心线与中间轴中心线形成的角度为β1

中间轴中心线与转向机输入轴中心线形成的角度为β2（如图2所示）

对于多段式空间布置的传动轴形式，我们首先考虑相邻三段轴的计算，按照下列公式可求得相邻三段的等效夹角：

β

e

2 ＝（（β

1

2

-β2

2⨯cos 2（2（ψα+）））2+β2

4⨯sin 4（2（ψα+）））21

1β―――输入轴（转向芯轴）与中间轴夹角 2β―――中间轴与输出轴（转向机输入轴）夹角

α―――输入轴（转向芯轴）和中间轴所在平面与中间轴和输出轴（转向机输入轴）所

在平面的夹角

ψ―――中间轴相位角

e β―――等效夹角

为了达到最佳的传动性能，等效夹角βe 应尽可能小，从上式可以看出，当α+ψ＝0时，等效夹角βe 取得最小值(β12 - β22 )1/2，也即是说ψ＝－α为中间轴下端连接叉的最佳相位角，在把传动轴调整到最佳相位角的基础上，三段式的传动轴可以简化成下式计算：

e β= (|β

1

2-β

2

2|)21

a.对传动效率的影响 为了获得较高的传动效率，要求1β、2β锐角小于等于0

30，此角度越小越好。

图2 夹角示意图

b.对力矩波动的要求 力矩波动影响到驾驶员对转向系统的感觉，尤其原地打方向，驾驶员对力矩波动比较敏感，力矩波动越小越好。

主动轴、从动轴力矩分别为M 1和M 2，则

M m ax 2 = M 1 / cos （m in e β）

M m in 2= M 1 × cos （m in e β）

所以，方向盘的力矩波动范围是在最大力矩和最小力矩之间，即

cos （m in e β）～1 / cos （m in e β），为了使方向盘力矩波动在尽可能小的范围内，应该使输入轴和中间轴所在平面与中间轴和输出轴所在平面的夹角α和中间轴下端连接叉的相位角ψ大小相等方向相反，而且使1β和2β尽可能得小。

定义力矩波动： δ= M 2/M 1。

为了达到一个较好的方向盘手感，对δ的波动要求如下： |δ-1| ≤ 0.05 目标要求 |δ-1| ≤ 0.10 让步可以接受 |δ-1| ＞0.10 不可接受 c ．介绍相位角的概念：

相位角：转向柱中心线（Line I ）和中间轴中心线（Line II ）形成的平面（PlaneI ）

与转向机输入轴中心线（Line Ⅱ）和中间轴中心线（Line II ）形成的平面(Plane Ⅱ)之间的交角。

图3 相位角示意图

★注意点：为了使力矩波动达到最小，要求图2中的1β=2β；相位角要确保正确，相位角的公差越小越好，考虑到工艺实现，推荐值为0

1±。

考虑的整车布置防止干涉等因素，根据目标要求，可以按2.1中的计算方法计算力矩波动|δ-1|。

c.对转向管柱夹角的要求 根据人机工程及碰撞的要求，转向芯轴与整车的XY 平面的交

角α，推荐值为0

26~20，如下图所示，一般由总布置根据人机工程布置要求给定。

图5 转向管柱布置角度图 2.2 可调转向管柱调节范围要求

对于可调转向管柱，在满足总布置（仪表的可视范围等）的条件下，方向盘调节的范围越大，越能满足更多顾客的需要，即调节范围越大越好，推荐值AB （方向盘中心在调节过程中的移动距离）取35mm ～45mm ，对于可以伸缩的转向柱，伸缩的行程推荐值为40mm 左右（如上图所示）。

★注意点：由于存在制造公差和装配误差，避免调节过程中的卡死，确保滑动销能在固定滑道里顺利滑动，要使12R R > （为滑动销圆弧半径为固定滑道圆弧半径，12R R ）；调节手柄的调节力建议小于等于80N ，调节机构锁紧后，转向管柱调节机构保持力不小于690N ，

3 转向管柱带中间轴总成接口尺寸要求

为了通用化、标准化，使转向管柱带中间轴总成与转向机、方向盘连接更稳定、更可靠，减少设计及校核的工作量，根据目前已经批量生产而且稳定车型接口尺寸的数据，特制定以下接口尺寸规范。

3.1 转向管柱与方向盘的接口尺寸

图6 转向管柱与方向盘接口尺寸图

★ 注意点：转向管柱的锥面长度要大于方向盘的锥面长度，且锥面的贴合长度（沿轴线）大于10mm ；转向管柱与方向盘的连接螺母采用B11-3404207，锁紧力矩（35Nm 3 ） 3.2 中间轴的设计

为了便于整车装配，中间轴与转向管柱常采用滑动机构相连接，装配后，采用带弹垫螺栓或者卡箍将两者锁紧。

如果用类S21、S22等花键结构联接，设计时要保证整车装配后，螺栓处于滑动槽的中间位置（此时中间轴的长度为理论长度），如图7所示。

图7 转向管柱与中间轴连接示意图 3.3 中间轴与转向机的接口尺寸

采用两种连接方式：扁位或花键。其接口尺寸如图8所示。