乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计(编辑修改稿)

乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计(编辑修改稿)内容摘要：

台架平面结构虽然有足够的刚度和强度，但是体积较大，质量较重，不宜安装。 现在将台架平面设计成可拆卸式，将支架与平面分离，采用螺栓连接，便与安装；连接处采用椭圆槽结构，分担了部分 Y 轴上的调节任务，并且提高了台架的适用性，可以使用在不同车型的试验车内。 台架平面支架 支 架部分由上下二部分组成。 下支架角铁：一面分别在二端开一个孔和二个孔，一孔端与底架配合上海工程技术大学毕业设计（论文） 乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计 20 固定，二孔端与上支架配合；另一面在二孔端处再开三个孔，用来固定台架。 上支架角铁，在一面的一端开二个椭圆槽，与下支架二孔端配合固定，且具有调节功能，分担了部分 Y 轴上的调节任务，增加了 X 轴上的调节范围；另一面在二孔端处开二个椭圆槽，中间位置和另一端各开三个孔，固定台架平面。 上下支架装配，见图。 图 台架平面支架装配示意图 台架平面钢板 台架平面由上下二块钢板组成。 上钢板主要用来安装左右加载装置和下加载装置所对应的位移传感上海工程技术大学毕业设计（论文） 乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计 21 装置；在钢板左上部打四个孔用来与车体外部刚性体连接。 因为在对转向盘施加加载力的时候，转向盘与车体是刚性连接，而车体与地面却不是，而此时加载力有使车体平移的趋势，因此需要将试验台架与外部刚体进行刚性连接，见图。 图 台架与外部刚体连接示意图 下钢板主要用来安装下加载力装置和左 右加载装置所对应的位移传感装置。 加载装置所安装的位置除了钢板外，没有其他固定装置，因此加载装置下还需要设计一些加强肋，见图。 台架平面支架与台架平面钢板的连接 由于打孔、开槽等加工上的误差，在采用螺栓连接的时候，存在一定的间隙，从而导致试验测量数据的不准确。 为了将误差减小到最低，采用定位销定位。 力传感器 激光位移传感器 外刚体 试验台架 上海工程技术大学毕业设计（论文） 乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计 22 图 加载装置的加强肋 台架支架 图 台架平面与支架连接部位 由于台架平面支架不等边角铁的长边用来配合台架平面的固定，并且上海工程技术大学毕业设计（论文） 乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计 23 在施加左右载荷的时候能够有很好的抗弯截面系数。 所以台架支架与台架平面的连接需要安装连接角铁，见图。 支架结构非常简单，只需在一面的二端各开一个孔，并在适当的位置倒角，避免支架旋转时与底面和台架平面发生干涉。 转向盘中间位置参考点的设置 图 球针螺栓 图 参考点球针 螺栓安装示意图 参考点必须与转向盘在同一平面内，与转向柱中心在同一轴线上，且上海工程技术大学毕业设计（论文） 乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计 24 要牢固稳定。 根据上述要求，设计一个特殊螺栓代替原来的转向盘定位螺栓。 该螺栓是在定位螺栓的基础上，多加了一个球针上体，见图。 试验时拔出转向盘定位螺栓，将球针螺栓固定在转向盘上，见图。 测量装置的选择 原先考虑的是使用拉线式传感器来测量中心点的位移，拉线式测量方便、快捷，但是在径向弹力试验中，如果用拉线式测量将会存在一定的问题。 当对转向盘进行径向加载的时候，由于转向柱刚度并不均匀以及其他支架支撑力的大小不同，中 心点并不是完全沿着加载力的方向移动，而会有一定的上下偏移，见图。 F 图 拉线式传感器测量原理示意 上海工程技术大学毕业设计（论文） 乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计 25 这时拉线式测量将会有较大的偏差，所需测量的应该是 X轴方向上的位移，即所需测量的位移是直角边；而实际测量到的是中心点所经过的轨迹是斜边。 所以必须使用更为精确的测量方法和仪器。 使用千分表和激光位移传感器，能够避免上述问题，见图。 中心点所经过的轨迹无论是怎样的，千分表测量到的始终是 X轴方向上的位移，保证了测量要求。 测量仪器用吸 石吸附在台架平面的支架上。 图 千分表和激光位移传感器测量原理示意 加载装置的设计 加载力需要保证平稳循环施加和释放，并且处于转向盘所在平面，与中心参考点处于同一轴线上。 设计装置见图。 装置 1是一个 U型锁，与装置 2力传感器用螺栓连接，传感器另一端连一个套环 3,套环 3与套环 4相连，套环 4焊接在加载装置 5的一端上 ,加载装置安装在固定架 6上。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计 26 1－ U型锁； 2－ 力传感器； 4－套环； 5－加载装置； 6－固定架 图 试验加载装置 由于安装的误差，加载力所在平面和转向盘中心所在平面并不重合，它们上下偏移产生了偏差 ， 见图。 图 转向盘平面与加载装置平面的安装误差 上海工程技术大学毕业设计（论文） 乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计 27 如果此时采用刚性连接，就会产生图。 向上的作用力势必会导致方向盘有向上反转的趋势；加载力在 X轴上的分力是转向盘实际受到的径向力，而传感器测量到的是实际施加的加载力，即当力传感器显示施加的力为 600N时，转向盘 受到的实际径向载荷要小与这个数值，这也就意味着测量到加载力 —— 位移关系不准确。 为了尽量减少误差对测量数据的影响，采用二个套环配合的软性连接。 FFyFx 图 转向盘平面与加载力不同面时，加载力分析示意图 绘制载荷与位移关系图 根据从传感器上测量到的数据分别绘制出向左、向右和向下时的载荷与位移关系图，见图 、。 本试验是一个循环加载过程，首先从零加载到试验所需载荷，再释放载荷，这样将会得到二根函数图象，在理想状态下 ，这二根图象应该是重合的，但是在试验时，会有如下原因导致释放加载函数图象的零位偏移： 1. 转向柱总成安装误差； 上海工程技术大学毕业设计（论文） 乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计 28 2. 试验台架的安装误差。 图 向左径向弹性变形 图 向右径向弹性变形 上海工程技术大学毕业设计（论文） 乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计 29 图 向下径向弹性变形 根据 TPC提供的报告 BMW330iLenksaeule，以及本试验所得 Touran转向盘径向弹性数据，进行结果对比，见表。 表 不同车辆径向弹性比较 方向 \ 车型 Touran BMW 330i VW 350 (PrestaLS) 向左 mm mm mm 向右 mm mm mm 向下 mm mm mm 5 刚度和强度校核 台架测量数据的准确性最为重要，台架的受力变形会给测量带来很大的误差，因此台架的刚度尤其重要。 整个台架会受到向左、向右和向下三个方向的加载力，现在分别对此三个加载力施加时台架的受力和变形进行上海工程技术大学毕业设计（论文） 乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计 30 分析计算，并校核刚度和强度。 分析与计算说明 1． B点假设为支撑杆与台架平面的交点，便于结构 分析； 2．当加载方向为向左、或右时，只需要校核一次即可，空间力矩合成较为复杂，故将左右加载力统一作用在 B点； 3．计算公式及方法均来自于《材料力学》； 4．台架受力简图，见图。 ABCG 1FG 2DE 1G 是台架平面支架 CE的重量， D是重心； 2G 是台架支架 AB的重量，重心在 AB中点。 图 台架受力简图 参数计算 台架平面支架长度为 690mm，台 架支架为 500mm。 根据型钢表可知，角铁 GB9788－ 88（ 8/5）的理论质量等于。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计 31 台架平面总质量 =台架平面支架质量 +台架钢板质量 0 . 6 9 5 . 9 3 5 4 1 6 . 3 8M k g   台 支 ， kg板 ； 5 1 . 3 4M M M kg  总 台 支 板 1 5 1 . 3 4 9 . 8 5 0 3G M g N    总 将重力 1G 简化到 B点，此时在 B点产生一个逆时针方向的力矩 BM 1 1( ) c o s 6 0 5 0 3 0 . 2 6 6 5 . 3 92BM G D C B C N m          台架支架质量 M支 =0 .5 5 .9 3 5 2 .9 7 kg 2 2 . 9 7 9 . 8 2 9 . 1G M g N    支 将上述计算结果汇总，得 1 503GN ， 2  ， N m， 460abl mm ， 540cbl mm ，800cdl mm ； 77CAB  ， 60BCA  。 加载方向向下时的台架校核 B点受力情况，见图。 BFF BAF CBBG 1F ABF CBM B(b)(a) 图 向下加载时 B点受力情况 上海工程技术大学毕业设计（论文） 乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计 32 图 只作用向下的加载力 F时，设 F方向为 y轴方向，垂直于 F方向为 x轴方向。 显然在 x轴方向上的分力只有 BAF 提供，即 0BAF  ； 图 只作用重力时，设 1G 方向为 y 轴方向，垂直于 1G 方向为 x 轴方向，根据 B点平衡方程 c o s c o sC B A BX B C A F C A B F       1 s i n s i nA B C BY G F C A B F B C A        得  ，  台架支架校核 台架支架 AB的受力情况，见图。 (b)(a)BF BAG 2M AAMF AyF AxZ 图 台架支架受力图与截面图 已知条件： 上海工程技术大学毕业设计（论文） 乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计 33 由于有二根台架支架，得 1 1 8 4 .42B A A BF F N， 1 3 2 .72 BM M N m   根据型钢表可知 cm ， cm ， 80h mm ， 50b mm ， 6d mm 1． 计算支反力 2c o s 7 7 6 .7AyF G N   ， 2s i n 7 7 2 1 2 . 8A x B AF F G N     2c o s 7 7 3 1 . 22A ABM M G N      2． 轴力、剪力与弯矩图，见图。 F NF SM(a)(b)(c) 图 轴力、剪力与弯矩图 刚度校核 上海工程技术大学毕业设计（论文） 乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计 34 1． 建立挠曲轴近似微分方程并积分 根据图 AB的弯矩方程为 11( ) (0 )2A y A lM x F x M x     „„„„„„„„„„„„„„„„ () 2( ) (0 )2lM x M x   „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ () 挠曲轴近似微分方程为 2 12 ()d Mxdx EI  „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ () E — 材料的弹性模量 Q235的弹性模量为 200GPa I — 惯性矩 将式 2 1112 () ( 0 )2A y AF x Md M x lxd x E I E I     2 222 ( 0 )2d Mlxdx E I    将上述微分方程相继积分二次，依次得 21111 1 112 ( 0 )2A y AF x M xd lCxd x E I      „„„„„„„„„„ () 222 2 2(0 )2d M x lCxd x E I      „„„„„„„„„„„„„„„ () 32111 1 1 1 11162 (0 )2A y AF x M x lC x D xEI      „„„„„„„„ () 上海工程技术大学毕业设计（论文） 乘用车转向柱径向弹性试验装置的设计 35 222 2 2 2 212 (。