Рулевая колонка транспортного средства Советский патент 1983 года по МПК B62D1/187 

Изобретение относится к автомобильному транспорту, в частности к безопасному рулевому управлению, и может быть использовано в транспортных средствах с фронтальным или близким к фронтальному расположением рулевой колонки, при котором последняя образует с вертикалью небольшой угол, в том числе для автомобилей с опрокидывающейся кабиной. Известна рулевая колонка транспортного средства с энергопрглощающим устройством, включающая корпус с пластически деформируемым изгибаемым участком. При воздействии на рулевое колесо ударной силы этот участок деформируется, обеспечивая угловое перемещение верхней части рулевой колонки, расположенной над кронштейном крепления и, соответственно, поглощение энергии удара 1.; , Для данного устройства характерна недостаточная энергоемкость энергопоглощающего устройства рулевой колонки, обусловленная расположением ослабленных участков корпуса рулевой колонки в зоне центра поворота рулевой колонки. Известна также рулевая колонка транспортного средства, содержащая рулевое колесо, закрепленное на рулевом валу, установленном с возможностью вращения в корпусе рулевой колонки и шарнирно связанным с рулевым механизмом через карданный вал со щлицевЫм соединением, П-образный кронштейн крепления рулевой колонки к передней панели кузова, соединенный с рулевой колонкой при помощи шарнира, являющегося осью новорота рулевой колонки, и энергопоглон1ающее устройство, выполненное в виде связанных с рулевой колонкой пальцев, взаимодействующих с кромками криволинейных пазов, выполненных на боковых сторон кронштейна по дуге окружности. Недостатком известного устройства является то, что характеристика энергопоглощения неоптимальна, поскольку носит постоянный характер по времени и углу поворота рулевой колонки, так как реактивное амортизирующее усилие, а также момент, создаваемый этим усилием, постоянный на всем промежутке времени срабатывания энергопоглощающего устройства. Вследствие этого не обеспечивается плавное возрастание ударного усилия (момента), приходящегося на грудную клетку водителя. Кроме того, в известном устройстве также не достигается достаточное полное поглощение энергии удара. Эти недостатки снижают безопасность рулевого управления. Цель изобретения - повыщение безопасности путем оптимизации характеристики эне ргопоглощения. Поставленная цель достигается тем, что в рулевой колонке транспортного средства, содержащей рулевое колесо, закрепленное на рулевом валу, установленно . с возможностью вращения в корпусе рулевой колонки и щарнирно связанным с рулевым механизмом через карданный вал со щлицевым соединением, П-образный кронштейн крепления рулевой колонки к передней панели кузова, соединенный с рулевой колонкой .при помощи шарнира, являющегося осью поворота рулевой колонки, и энергопоглощающее устройство, выполненное в виде связанных с рулевой колонкой пальцев, взаимодействующих с кромками криволинейных пазов, выполненньрс на боковых сторонах кронштейна по дуге окружности, она снабжена скользящей опорой, установленной на корпусе рулевой колонки, в которой жестко закреплены пальцы энергопоглощающего устройства, в корпусе рулевой колонки выполнены аксиальные пазы с кромками для взаимодействия с пальцами энергопоглощающего устройства, а центр окружности криволинейных пазов расположен в равноудаленной от оси шарнира и оси пальцев точке, проекция которой лежит на оси рулевой колонки при ее конечном положении. Кроме того, криволинейные пазы выполнены на начальном по направлению поворота рулевой колонки участке сужающимися от 0,8-0,85 до 0,7-0,75 диаметра поперечного сечения пальца, на среднем участке - постоянными по ширине, равной 0,7-0,75 диаметра поперечного сечения пйльца, а на конечном участке - расширяющимися от 0,7-0,75 до 1,0 диаметра поперечного сечения пальца. На фиг. 1 изображена рулевая колонка транспортного средства, общий вид; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - кинематическая схема поворота рулевой колонки в процессе срабатывания энергопоглощающего устройства; на фиг. 5 - сравнительный график энергопоглощения в предлагаемом . устройстве и устройстве-прототипе. По оси абсцисс отложены время, прошедшее с момента столкновения, и. угол поворота рулевой колонки, а по оси ординат - моменты ударных и реактивных сил. Рулевая колонка транспортного средства содержит рулевое колесо 1, закрепленное на рулевом валу 2, установленном с возможностью вращения в корпусе 3 рулевой колонки. Рулевая колонка прикреплена -к передней панели 4 кузова транспортного средства при помощи кронштейна 5 с П-образным поперечным сечением. На боковых сторонах кронщтейна 5 имеются симметричные криволинейные пазы 6, в которых установлены пальцы 7, закрепленные в бобышках скользящей опоры 8, охватывающей корпус 3 рулевой колонки (фиг. 2). Концевые участки пальцев 7 расположены в аксиальных пазах 9 корпуса 3 рулевой колонки. Аналогично скользящей опоре 8 на корпусе 3. рулевой колонки установлена неподвижная опора 10, в которой закреплены шарниры в виде болтов 11. Таким образом, пальцы 7 имеют возможность перемещения как по криволинейной траектории, заданной криволинейными пазами 6, так и вдоль оси рулевой колонки в аксиальных пазах 9, а болты 11 установлены неподвижно относительно оси рулевой колонки и кронштейна 5 и выполняют роль шарнира, служащего осью поворота рулевой колонки. Криволинейные пазы 6 выполнены по дуге окружности, центр которой расположен в точке, равноудаленной от оси пальцев 7 и оси шарнира в виде болтов И, а проекция этой точки лежит на оси рулевой колонки при ее конечном повернутом положении (фиг. 1 и 4). Пальцы 7, взаимодействующие с кромками криволинейных пазов 6, выполненных в кронщтейне 5, и аксиальных пазов 9, выполненных в корпусе 3 рулевой колонки, образуют энергопоглощающее устройство. Ширина криволинейных пазов 6 по длине плавно меняется. Всю длину криволинейного паза 6 можно условно разделить на три участка, соответствующих равным центральным углам Ы И/И1Г: начальный, средний и конечный (по направлению поворота рулевой колонки). Ширина паза 6 на начальном участке уменьшается, составляя в начале участка 0,8-0,85 диаметра поперечного сечения пальца 7, а в конце участка - 0,7-0,75 диаметра. На всем среднем участке ширина паза 6 остается постоянной, равной 0,7-0,75 диаметра поперечного сечения пальца 7. На конечном учайтке ширина паза 6 увеличивается, достигая в конечномположении рулевой колонки максимальной величины, равной диаметру поперечного сечения пальца 7. Нижний конец рулевого вала 2 шарнир.но связан с верхней частью 12 карданного вала, являющегося промежуточным звеном в силовой цепи передачи крутящего момента от рулевого вала 2, к входному валу 13 рулевого, механизма (не показан). Верхняя часть 12 карданного вала связана с нижней частью 14 карданного вала подвижным щлицевым соединением (не показано), обеспечивающим их относительное перемещение при повороте рулевой колонки. При ударе тела водителя о край руле; вого колеса 1 в момент лобового столкновения транспортного средства с препятствием на рулевую колонку действует реактивный момент, обусловленный возникновением реактивных сил сопротивления в сечениях пальцев 7 со стороны криволинейных пазов 6 на боковых сторонах кронштейна 5 и аксиальных пазов 9 в корпусе 3 рулевой колонки. Когда ударный момент, воздействующий на рулевое колесо 1 со стороны тела водителя, достигнет определенной величины рулевая колонка начинает поворачиваться относительно шарнира, при этом пальцы 7 перемещаются в криволинейных пазах бив аксиальных пазах 9, совершая при этом сложное движение; по дуге окружности (совместно с рулевой колонкой) и прямолинейное (вдоль оси рулевой колонки). Поскольку щирина криволинейных пазов 6 в начале движения рулевой колонки составляет 0,8-0,85 диаметра поперечного сечения нерезьбовой части пальцев 7, а ширина аксиальных пазов 9 составляет по всей длине пазов 0,8-0,85 диаметра поперечного сечения концевых участков пальцев 7, то при перемещении последних происходит пластическая деформация кромок пазов 6 и 9, в результате чего поглощается энергия удара. Основная часть энергии удара поглощается при пластической деформации кромок криволинейных пазов 6, причем переменная ширина криволинейных .пазов 6 обуславливает оптимальный характер изменения ВОЗНИКЗЮ1ЦИХ реактивчьх утичпл. Ro. имодействие концевых участксл; пальцев 7 с кромками аксиальных пазов 9 обеспечивает дополнительное поглощение энергии. По мере отклонения вперед рулевого колеса 1 центр карданного сочленения рулевого вала 2 и верхней части 12 карданного вала перемещается по дуге окружности, центр которой совпадает с осью -поворота рулевой колонки, т.е. с осью шарнира. При этом общая длина карданного вала увеличивается благодаря подвижному шлицево-. му соединению, обеспечивающе.му перемещение верхней части 12 карданного вала относительно его нижней части 14. На фиг. 4 показана схема поворота рулевой колонки с промежуточными положениями О, I, 11, III, соответствующими углам ciH- + y поворота (,. с, , °fi 2 2- 2 2. 2 . В каждом положении рулевой колонки показаны реактивные силы сопротивления, возникающее в точках контакта пальцев 7 с кромками криволинейных пазов 6, где F и РЗ - нормальная и касательная составляющие результирующей силы реакции стороны кромок аксиальных пазов 9; Rg - составляющая результирующей силы сопротивления F, равная по модулю силе F2, но противоположно направленная; FI - сила сопротивления, направленная по касательной к продольной оси криволинейного паза; F - результирующая реактивная сила сопротивления; ho, h|, ha, ha - плечи действия результирующей силы F соответственно в различных положениях рулевой колон и от О до III Величина реактивного амортизирующего момента при угловом перемещении рулевой колонки является функцией двух переменных: результирующей силы сопротивления F и плеча ее действия h. л-1...1 Технический положительный эффект, обе-, спечиваемый предлагаемой конструкцией рулевого управления, наглядно иллюстрируется графиком энергопоглощёния, изображенным на фиг. 5.

Кинематическая энергия движущейся массы тела водителя в момент столкновения транспортного средства с препятствием затрачивается на преодоление сил сопротивления, возникающих в энергопоглощающем устройстве.

На фиг. 5 кривая 1 представляет собой зависимость момента Мр ударной силы инерции, действующей на тело водителя в момент времени t, от угла поворота ч оси рулевой колонки; кривая 2 - зависимость момента М реактивных (амортизирующих) сил от угла поворота f оси рулевой колонки. Как видно на фиг. 5, максимальные значения момента М смещены в область тех значений Мр, когда, момент от ударной силы инерции постепенно убывает.

Силами трения, возникающими на поверхностях скольжения подвижной опоры 8 по корпусу 3 рулевой колонки и плоских щайб по боковым щекам сторонам кронщтейна 5, условно пренебрегаем, как величинами сравнительно малыми и не оказывающими существенного влияния на характер изменения момента реактивных сил.

Поскольку произведено М на cf представляет собой работу силы при вращательном движении, то в данном случае имеет место равенство работ изменяющихся по времени ударных и реактивных сил, действующих в течение всего поворота рулевой колонки из начального положения, соответствующего моменту возникновения ударного импульса, в конечное положение, при котором действие ударного момента сил инерции закончилось. Таким образом, -площади (фиг. 5) ограниченные кривыми 1 и 2 и осями координат, будут равны между собой, что свидетельствует о практически полном поглощении энергии удара в предлагаемом устройстве.

Пунктирная линия 3, параллельная оси абсцисс, представляет собой график энергопоглощения устройства-прототипа характеризующегося одинаковой по Сравнению с предлагаемым устройством величиной начального момента Mf реактивных сил. Сравнивая площадь, соответствующую работе реактивных сил в известном устройстве

(прямоугольник, заштрихованный вправо), с площадью, соответствующей работе ударных сил (фигура, ограниченная кривой 1 и осями координат) можно сделать следующий вывод; в известном устройстве часть энергии удара, характеризуемая на графике площадью 4, остается нёпоглощенной, и для обеспечения полного поглощения энергии удара необходимо дополнительное энергопоглощающее устройство.

Если в известном устройстве для обеспечения .условия равенства работ ударных и реактивных сил увеличить реактивный момент (Mirj M,Tj), то это приведет к неоправданному увеличению коэффициента риска для жизни водителя. Данный случай показан на графике пунктирной линией 5, а работа реактивных сил характеризуется пдощадью прямоугольника, защтрихованного влево. Начальный участок кривой 1, соответствующей этому случаю, показан щтриховой линией.

Сравнение площадей, характеризующих работу реактивных сил в известном и предлагаемом устройствах, показало, что в предлагаемом устройстве энергопоглощение возрастает на 38%.

Благодаря конструктивным особенностям криволинейных и аксиальных пазов 6 и 9 обеспечивается плавное возрастание реактивндго амортизирующего усилия, начиная с момента возникновения ударного импульса, и последующее уменьщение его величины до нуля в момент, когда действие ударного усилия закончилось, а рулевая колонка заняла конечное положение. Это обуславливает повышение энергоемкости энергопоглощающего устройства и предотвращает травму водителя под действием резкого динамического удара.

Основным преимуществом предлагаемого устройства является повышение безопасности рулевого управления за счет более полного поглощения энергии удара. Это преимущество обеспечивается благодаря тому, что величина реактивного момента, возникающего при повороте рулевой колонки, является функцией двух переменных: результирующей силы сопротивления и плеча ее действия. Тем самым достигается оптимизация характеристики энергопоглощения.

РУЛЕВАЯ КОЛОНКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, содержащая рулевое колесо, закрепленное на рулевом валу, установленном с возможностью вращения в корпусе рулевой колонки и шарнирно-связанным с рулевым механизмом через карданный вал со шлицевым соединением, П-образный кронштейн крепления рулевой колонки к передней панели кузова, соединенный с рулевой колонкой при помощи шарнира, являющегося осью поворота рулевой колонки, и энергопоглощающее устройство: выполненное в виде связанных с рулевой колонкой пальцев, взаимодействующих с кромками криволинейных пазов, выполненных на боковых сторонах кронштейна по дуге окружности, отличающаяся тем, что, с целью повышения безопасности путем оптимизации характеристики энергопоглощения, она снабжена скользящей опорой, установленной на корпусе рулевой колонки, в которой жестко закреплены пальцы энергопоглощающего устройства, в корпусе рулевой колонки выполнены аксиальные пазы с кромками для взаимодействия с пальцами энергопоглощающего устройства, а центр окружности криволинейных пазов расположен в равноудаленной от оси щарнира и оси пальцев точке, проекция которой лежит на оси рулевой колонки при ее конечном положении. 2. Рулевая колонка по п. 1, отличающас SS яся тем, что криволинейные пазы выполнены на начальном по направлению поворота рулевой колонки участке сужающимися от (Л 0,8-0,85 до 0,7-0,75 диаметра поперечного сечения пальца, на среднем участке - постояньши по ширине, равной 0,7-0,75 диаметра поперечного сечения пальца, а на конечном участке - расширяющимися от 0,7-0,75 до 1,0 диаметра поперечного сечения пальца. to ел 01 05 05

О

Фиг.&

О