一种转向管柱的设计方法以及转向器节叉与流程

1.本技术涉及车辆设计技术领域，具体涉及一种转向管柱的设计方法以及转向器节叉。


背景技术：

2.车辆转向系统是控制车辆横向运动轨迹的重要部件。而转向管柱作为车辆转向系统传动机构的重要部件，在设计过程中，对转向力传动的连续性、稳定性，会有特定的要求。以达到转向舒适、手感平顺的目的。
3.转向管柱带中间轴总成是转向系统传动机构中最普遍的一种结构型式，其通过两个十字万向节把转向管柱与转向器连接起来，一般靠近转向器一端称为转向器节叉，靠近方向盘的一端称为方向盘节叉。当传动件之间存在夹角的时候，系统会产生附加载荷、振动和噪声现象。如果这种现象严重时，驾驶员明显感觉到操作不舒适，容易产生驾驶疲劳。
4.转向管柱主要的设计评估方式是在满足布置空间要求、以及工艺装配要求的前提下，在3个调节位置，达到转向管柱旋转过程中传递的力矩波动达到最小，并且在管柱的启动位置手感均匀。
5.但是在实际的开发中，很难兼顾布置最优、工艺方便、波动最小、中间位置手感最优的要求。
6.同时，由于转向器节叉的安装空间受限，常受到制动踏板、油门踏板等结构的干涉，同时转向管柱的下节叉与转向器的连接螺栓需要方便装配及紧固。所以在常规的设计中一般会在最优的操纵手感要求下的管柱下节叉角度与满足装配要求的管柱下节叉角度之间找一个平衡，或者优先满足装配要求的角度。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的缺陷，本技术的目的在于提供一种转向管柱的设计方法以及转向器节叉，一方面本技术的方法可以选出最优的方向盘节叉初始角和转向器节叉初始角，使得驾驶员操控方向盘手感最佳，另一方面本技术提供的节叉可以将安装孔调节至方便安装的角度，解决了安装空间受限导致最优的转向器节叉初始角无法实施的问题。
8.为达到以上目的，一方面，采取的技术方案是：
9.本技术提供一种转向管柱的设计方法，包括以下步骤：
10.确定转向管柱的上极限位、中间位和下极限位，再根据预设硬点确定转向管柱的相位角；
11.计算转向管柱分别处于上极限位、中间位和下极限位时，转向管柱的力矩波动曲线；
12.根据力矩波动曲线求解上极限位、中间位和下极限位对应的力矩波动梯度曲线，根据上极限位、中间位和下极限位对应的力矩波动梯度曲线绘制最大波动梯度曲线，选择最大波动梯度曲线中极大值或极小值对应的角度作为该硬点下转向管柱的方向盘节叉初
始角；
13.通过相位角和方向盘节叉初始角计算得到转向管柱的转向器节叉初始角。
14.优选的，所述力矩波动曲线由如下方法得到：
15.通过转向管柱处于中间位时的相位角、方向盘节叉轴线和中间轴轴线的夹角以及转向器轴线节叉和中间轴轴线的夹角，计算中间位对应的力矩波动曲线；
16.通过转向管柱处于上极限位时的相位角、方向盘节叉轴线和中间轴轴线的夹角以及转向器节叉轴线和中间轴轴线的夹角，计算上极限位对应的力矩波动曲线；
17.通过转向管柱处于下极限位时的相位角、方向盘节叉轴线和中间轴轴线的夹角以及转向器节叉轴线和中间轴轴线的夹角，计算下极限位对应的力矩波动曲线。
18.优选的，所述力矩波动梯度曲线由如下步骤得到：
19.将力矩波动曲线上每一个点对转动角度求导数并取绝对值，得到对应的力矩波动梯度，将力矩波动梯度和对应转动角度绘制成力矩波动梯度曲线。
20.优选的，所述最大波动梯度曲线由如下步骤得到：
21.将上极限位、中间位和下极限位对应的力矩波动梯度曲线绘制在同一张图上；
22.连续选择多个转动角度，在每一个转动角度下，将上极限位、中间位和下极限位对应的力矩波动梯度曲线中的最高点标记出来，并依次平滑连接，得到最大波动梯度曲线。
23.优选的，利用预设硬点、转向管柱的相位角、方向盘节叉初始角和转向器节叉初始角，对转向管柱进行工艺校核和转向系统校核，确定转向器节叉和车身之间的安装角度。
24.优选的，所述工艺校核和转向系统校核包括如下步骤：
25.根据转向器节叉安装位置的障碍物分布情况确定安装工具可伸入空间；
26.根据转向器节叉和安装工具之间的匹配关系以及安装工具可伸入空间，确定转向器节叉旋转角度范围；
27.从转向器节叉旋转角度范围中选择一个值作为转向器节叉和车身之间的安装角度。
28.优选的，还包括如下步骤：
29.所述预设硬点根据人机布置要求、转向梯形位置和制动踏板初步位置确定。
30.优选的，若力矩波动曲线中存在一点的力矩波动数值大于5％，或者相邻波峰波谷之间的数值差大于10％，则调整预设硬点，重新计算。
31.本技术还提供一种基于前述转向管柱的设计方法的转向器节叉，其特征在于，包括：
32.中间轴节叉，其用于与转向管柱的中间轴连接；
33.输入轴节叉，其用于与汽车转向器的输入轴连接；
34.所述中间轴节叉的安装孔轴线方向与输入轴节叉安装孔轴线方向之间的夹角由转向器节叉初始角和输入轴节叉工艺限制角所决定。
35.优选的，所述输入轴节叉上设置有连接轴，连接轴指向中间轴节叉；
36.所述连接轴和中间轴节叉之间通过花键过盈配合。
37.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
38.本技术的提供的一种转向管柱的设计方法，通过计算力矩波动曲线和最大波动梯度曲线，非常便捷的寻找出了转向管柱的最优的方向盘节叉初始角和转向器节叉初始角，
使得司机在左右转动方向盘时手感对称，提高了驾驶员的驾驶体验。
39.本技术提供的一种转向管柱的节叉，通过分体式的中间轴节叉和输入轴节叉，直接安装形成所需要的转向管柱的节叉，其中中间轴节叉和中间轴之间安装相对角度由转向管柱的设计方法所确定，输入轴节叉相对于汽车坐标系yz平面的角度由安装空间所确定，因此中间轴节叉和输入轴节叉之间的相对旋转角度也同时确定下来。进而确定了转向管柱的节叉的结构。
40.同时，利用本技术所提供的转向管柱的节叉，避免了设计出转向管柱的转向器节叉却无法装配的问题，使得本技术提供的转向管柱的设计方法可以在产品设计中使用。
附图说明
41.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
42.图1为本技术中一个转向管柱的设计方法实施例的流程示意图。
43.图2为本技术中一个实施例的硬点设置图。
44.图3为图2所示实施例计算得到的力矩波动曲线的示意图。
45.图4为图2所示实施例计算得到的力矩波动梯度曲线和最大波动梯度曲线的示意图。
46.图5为本技术中一个转向管柱的节叉实施例的结构示意图。
47.图6为图5所示实施例在装配成转向管柱时的结构示意图。
48.附图标记：
49.1、中间轴节叉；2、输入轴节叉；3、连接轴。
具体实施方式
50.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
51.本技术提供一种转向管柱的设计方法的实施例，如图1所示，包括以下步骤：
52.s1.确定转向管柱的上极限位、中间位和下极限位，再根据预设硬点确定转向管柱的相位角。具体的，设计硬点是总布置设计过程中，为保证零部件之间的协调和装配，及造型风格要求所确定的控制点(或坐标)、控制线、控制面及控制结构的总称。主要是依据整车外廓形状及尺寸、驾驶区控制尺寸和整车乘员空间内部尺寸所决定，一般都是预先选定好，因此在一些优选的实施例中，所述预设硬点根据人机布置要求、转向梯形位置和制动踏板初步位置确定。
53.s2.计算转向管柱分别处于上极限位、中间位和下极限位时，转向管柱的力矩波动曲线。
54.s3.根据力矩波动曲线求解上极限位、中间位和下极限位对应的力矩波动梯度曲
线，根据上极限位、中间位和下极限位对应的力矩波动梯度曲线绘制最大波动梯度曲线，选择最大波动梯度极大值或极小值对应的角度作为该硬点下转向管柱的方向盘节叉初始角。具体的，因为转向系统中采用了多个十字轴万向节传递力矩而致。因其十字轴万向节本身的不等速传递，会产生力矩波动，同时也由于车辆两侧不完全对称，而在现有技术里，转向管柱处于初始状态，此时方向盘向两侧转向产生的力矩不完全相同，所以会导致手感不佳，而在最大波动梯度曲线中最低点和最高点的位置时，会使得方向盘向两侧转动产生的输出力矩尽可能相近或相同，使得驾驶员向两侧转动方向盘导致的汽车转向角度尽可能相同，可以有效的提升驾驶手感。
55.s4.通过相位角和方向盘节叉初始角计算得到转向管柱的转向器节叉初始角，具体的，如图6所示，当相位角确定时，转向管柱的形状就确定了，而确定了方向盘节叉初始角后根据转向管柱的形状就计算出转向器节叉初始角。而在应用时，需要将转向管柱输出端的节叉按照转向器节叉初始角安装于转向轴上。
56.其中，方向盘节叉初始角为连接方向盘的节叉与中间轴之间的旋转角度，转向器节叉初始角是中间轴和转向器节叉之间的旋转角度，一般的实施例中可以依照计算方便的要求选定0
°
的位置以及正方向，将如图6所示实施例中，将中间轴两端的安装孔的轴线均指向汽车坐标系中y轴方向时当做0
°
，顺时针旋转作为正方向。
57.而进一步的，采集力矩波动曲线包括以下步骤：
58.通过转向管柱处于中间位时的相位角、方向盘节叉轴线和中间轴轴线的夹角以及转向器轴线节叉和中间轴轴线的夹角，计算中间位对应的力矩波动曲线；
59.通过转向管柱处于上极限位时的相位角、方向盘节叉轴线和中间轴轴线的夹角以及转向器节叉轴线和中间轴轴线的夹角，计算上极限位对应的力矩波动曲线；
60.通过转向管柱处于下极限位时的相位角、方向盘节叉轴线和中间轴轴线的夹角以及转向器节叉轴线和中间轴轴线的夹角，计算下极限位对应的力矩波动曲线。
61.具体的，选择转向管柱处于上极限位时的参数。
62.记录方向盘节叉轴线和中间轴轴线之间的夹角α、输入轴节叉轴线和中间轴轴线之间的夹角β，以及相位角φ。
63.力矩波动曲线的计算方式有多种，在本实施例中按照以下公式进行计算：
[0064][0065]
其中：
[0066]
为转动角度。
[0067]
m
out
为输出力矩。
[0068]
m
in
为输入力矩。
[0069]
γ是方向盘节叉和中间轴构成的平面与输入轴节叉和中间轴构成的平面之间的平面角，当硬点确定后，γ为一个可直接得到的定值。
[0070]
力矩波动一般安装百分比值进行记录和计算，而计算得到的力矩波动值m
out
/m
in
是一个在1附近波动的值，在不便于直观的表述力矩在传递过程中的波动，因此在本实施例中将其减去1，按照公式：
[0071][0072]
得到的曲线可以直观的表示出力矩在传递过程中变大或变小的趋势，即为如图3所示的力矩波动曲线。
[0073]
将力矩波动作为纵坐标，转动角度作为横坐标绘图，并将上述计算到的数据进行描点并以平滑曲线连接，就得到上极限位对应的力矩波动曲线同时因为转向管柱的力学特性收到其位置所限制，上极限位对应的力矩波动曲线不能代表其他位置的力矩波动曲线，例如图3，因此需要选择转向管柱处于中间位和下极限位时的参数，重复上述步骤，得到中间位对应的力矩波动曲线和下极限位对应的力矩波动曲线
[0074]
而力矩波动梯度曲线由如下步骤得到：
[0075]
将力矩波动曲线上每一个点对转动角度求导数并取绝对值，得到对应的力矩波动梯度，将力矩波动梯度和对应转动角度绘制成力矩波动梯度曲线。具体的，计算按照以下公式计算力矩波动梯度：
[0076][0077]
将力矩波动梯度和对应转动角度绘制成力矩波动梯度曲线，并且按照转向管柱处于上极限位、中间位和下极限位分为上极限位力矩波动梯度曲线中间位力矩波动梯度曲线和下极限位力矩波动梯度曲线
[0078]
所述最大波动梯度曲线由如下步骤得到：
[0079]
将上极限位、中间位和下极限位对应的力矩波动梯度曲线绘制在同一张图上；
[0080]
选择若干个转动角度，在每一个转动角度下，将上极限位、中间位和下极限位对应的力矩波动梯度曲线中的最高点标记出来，并依次平滑连接，得到最大波动梯度曲线。
[0081]
具体的，如图4所示，需要将前述和绘制在同一张图上，然后将每个点上最高点所在曲线选取出来并平滑连接，得到了如图4中黑色部分，即为最大波动梯度曲线。另一种实现方式是从起点开始按照每个交点分为若干个区域，将每个区域最高的曲线选做该区域内的最大波动梯度曲线，将所有区域内的最大波动梯度曲线连接得到完整的最大波动梯度曲线。
[0082]
在设计完成后，需要对模型进行校核，以避免设计出来的结构无法进行安装，形成无效设计，因此在上述步骤结束后，还具有如下步骤：
[0083]
按照预设硬点和转向管柱的相位角、方向盘节叉初始角和转向器节叉初始角对转向管柱建模；
[0084]
利用预设硬点、转向管柱的相位角、方向盘节叉初始角和转向器节叉初始角，对转向管柱进行工艺校核和转向系统校核，确定转向器节叉和车身之间的安装角度。
[0085]
在转向管柱与车辆的连接处，只有很小的可调节空间来满足拧紧工具的空间布置要求，为了方便转动轴节叉的下节叉部分的安装，一般需要确定转向器节叉和车身之间的安装角度，以便于将下节叉的安装孔正对着安装工具可操作的空间。
[0086]
一般的实施例中，工艺校核和转向系统校核包括如下步骤：
[0087]
根据转向器节叉安装位置的障碍物分布情况确定安装工具可伸入空间；
[0088]
根据转向器节叉和安装工具之间的匹配关系以及安装工具可伸入空间，确定转向器节叉旋转角度范围；
[0089]
从转向器节叉旋转角度范围中选择一个值作为转向器节叉和车身之间的安装角度。
[0090]
具体的，根据油门踏板和制动踏板之间的空隙，可以挑选出安装工具能伸入的空位，而下节叉在安装位置可以进行旋转，其中只有一些特定角度使得下节叉和安装工具间可以适配，就是转向器节叉旋转角度范围，从中可以选出一个角度作为安装角度。
[0091]
在一些实施例中下节叉即为前述转向器节叉中的输入轴节叉。
[0092]
同时，为了避免力矩波动过大导致方向盘的转动不能很准确的转化成车辆的转向，在一些优选的实施例中，若力矩波动曲线中存在一点的力矩波动数值大于5％，或者相邻波峰波谷之间的数值差大于10％，则调整预设硬点，重新计算。
[0093]
同时，在根据预设硬点确定转向管柱的上极限位、中间位和下极限位后，根据中间位确定最优相位角，作为转向管柱的相位角。
[0094]
在前述转向管柱的设计方法中，会出现选择出最优的转向器节叉初始角，以及相应的硬点、相位角。但是因驾驶舱下部空间狭小，转向器节叉的紧固受到制动踏板、油门踏板、车身以及拧紧工具的限制，能够满足工艺装配要求的紧固位置一般仅限于非常局限的少量位置，导致以筛选出来的最优转向器节叉初始角设计的转向管柱无法应用。
[0095]
因此，本技术还提供一种转向器节叉的实施例，主要用于帮助如前述转向管柱的设计方法的具体实施，如图5和图6所示，包括：中间轴节叉和输入轴节叉。
[0096]
其中，中间轴节叉1类似于一个y形，主要通过十字轴连接到转向管柱的中间轴，中间轴节叉1的y型两臂上设置有用于安装十字轴的安装孔。输入轴节叉2主体为一个圆桶形，侧面向外凸出并设置有用于与转向系统输入轴连接的安装孔。中间轴节叉1和输入轴节叉2之间在进行安装前先行拼接成所需要的节叉，并且中间轴节叉1两个安装孔的中心点连线与输入轴节叉2安装孔的轴线之间存在一个夹角，夹角的角度由两方面所确定，一方面是中间轴节叉1相对于中间轴的旋转角，另一方面是输入轴节叉2的工艺限制角。具体的可以参见图5，中间轴节叉1和输入轴节叉2连接时存在一个相对旋转角度，其中中间轴节叉1和中间轴之间的旋转角度需要满足前述转向管柱的设计方法中所计算得到的转向器节叉初始角，而输入轴节叉2因为安装空间有限，需要满足工艺限制角，安装工具在安装时受到油门踏板、制动踏板以及其他机械机构所限制的情况下，仅有特定的范围能使得安装工具伸入，相应的输入轴节叉2也仅有特定的角度可以与安装工具相匹配，这些特定的角度即为工艺限制角的取值范围，一般在范围值内选取一个定值作为工艺限制角即可。转向器节叉初始角和工艺限制角在选定后，中间轴节叉1和输入轴节叉2之间自然会在转动方向错开一个角度，表现为中间轴节叉1的安装孔轴线方向与输入轴节叉2安装孔轴线方向之间的夹角。
[0097]
一般的实施例中，我们以图6所示的转向器节叉的情况为0
°
，此时中间轴节叉1和输入轴节叉2的安装孔的轴线互相平行，夹角为0，且输入轴节叉2的安装孔轴线指向车辆前方，在这个状态下将方向盘向右旋转为正向，最终安装的时候，先将输入轴节叉2按照前述方法计算得到的角度与中间轴节叉1安装，中间轴节叉1再与中间轴安装，形成转向管柱，最终将转向管柱与转向器安装，即可完成安装。也有一些实施例中向左旋转为正向，仅符号的
区别，不影响最终结果。
[0098]
进一步的，为了方便连接，在一些更优选的实施例中，所述输入轴节叉部分伸出一个连接轴，连接轴和输入轴节叉之间可以是固定连接，也可以是分体式，所述连接轴上设置有花键，中间轴节叉底部设置有孔，孔内壁设置有相匹配的花键，上述连接轴和中间轴节叉之间通过花键过盈配合，配合以后，连接轴和中间轴节叉之间就形成形成一个无法分离的整体，而只需要花键足够密集，就可以按照预任意设角度进行安装。
[0099]
在连接轴和输入轴节叉之间是分体式的实施例中，连接轴和输入轴节叉之间在安装前需要先行固定连接，一般为焊接，也有一些实施例采用过盈装配等其他固定连接的方法。
[0100]
利用本实施例可以准确方便的按照前述实施例中计算的角度将中间轴节叉和输入轴节叉连接，减少了施工流程。
[0101]
具体的，本技术还提供一种转向管柱的实施例，该实施例是基于上述转向器节叉而进行实施的，步骤如下：
[0102]
首先选定车型，根据车辆的人机布置要求、转向梯形位置和制动踏板初步位置构件预设硬点，在本实施例中预设硬点的抽象结构示意图如图2所示，该图中a点为方向盘中心点，b点为转向管柱的上十字轴中心点，c点为管柱下十字轴中心点，d点为转向管柱与转向器的连接点，而以a点的高低分为上极限位，中间位和下极限位，其中上极限位和下极限位是根据车辆结构所限制，中间位的方向盘中心点是上极限位和下极限位的中点所确定。
[0103]
按照下述公式计算力矩波动：
[0104][0105]
具体的α、β和γ由图2所示的硬点所确定，相位角由中间位的硬点所确定。分别处理成上极限位对应的力矩波动曲线中间位对应的力矩波动曲线和下极限位对应的力矩波动曲线
[0106]
确定了和后，将其绘制在同一张图上，在本实施例中为图3，即为转向管柱的力矩波动曲线，此时需要确认力矩波动曲线上任意一点的绝对值都不大于5％，且相邻波峰波谷之间的差值不大于10％，否则需要重新选择硬点。
[0107]
然后再对上极限位、中间位和下极限位对应的力矩波动曲线分别堆转动角度求导数并取绝对值，具体计算式如下：
[0108][0109]
一般情况下，需要通过计算软件拟合出力矩波动曲线对应的公式进行计算
[0110]
由上式求得和对应的力矩波动梯度曲线和其结果如图4中虚线部分，应当注意的是，在此处无需分辨具体曲线是哪一个，所以和均采用相同的虚线样式进行
表示。
[0111]
然后对位于最高处的曲线段进行描黑处理，得到如图4所示的黑色曲线部分，即为最大波动梯度曲线，取最大波动梯度曲线的极值，在本实施例中取极小值，对应角度为76
°
以及166
°
，即作为方向盘节叉初始角，也即在该计算方法下得到的最优方向盘连接节叉初始角。
[0112]
上述转向管柱的相位角和方向盘节叉初始角都已经确定，那么转向器节叉初始角的角度理论上也是固定的，可以通过转向管柱的相位角和方向盘节叉初始角计算得到转向器节叉初始角，也可以根据建模或者模拟实验等其他方式来确定角度。
[0113]
然后通过转向管柱的相位角、方向盘节叉初始角和转向器节叉初始角对转向管柱进行建模，然后对转向管柱的模型进行工艺校核和转向系统校核，确认一个输入轴节叉的可供安装的安装空间，从中选取一个输入轴节叉的安装孔可以适配安装工具的具体角度值，作为输入轴节叉的工艺限制角。
[0114]
确认了最优的转向器节叉初始角和后工艺限制角，在转向管柱的安装过程中，先将转向管柱的输入轴节叉2和中间轴节叉1之间按照计算，将输入轴节叉2安装在转向装置的输入轴上，在安装时先旋转工艺限制角的角度，以便于安装孔正对着安装人员，再将中间轴节叉1与连接轴3的角度调整好，并将中间轴节叉1与连接轴3的花键过盈配合，并安装方向盘。
[0115]
本技术不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。
[0116]
在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0117]
需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0118]
以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。