转向管柱是转向系统的重要部件，本文对转向管柱扭转功能校核设计及安全结构设计方面进行了阐述，通过功能分析的方法说明各种结构对转向管柱转矩传递及碰撞安全的影响。

汽车转向管柱上接方向盘，下接转向机，起着承上启下的作用，在正常使用中承担着把方向盘传来的转矩传到转向机的任务，另外管柱上还附带了常用的组合开关等电子组件。

近年来，由于材料技术、电子技术不断进步以及用户要求的不断提高，转向管柱承担的任务和可实现的功能也越来越多。这就使得对转向管柱的要求也越来越高，如管柱的轴向（长度）及角度调节功能越来越普及，转向管柱及其助力系统参与集成ESP系统等，但转向管柱最基本的两个功能没有改变：一是传递方向盘传来的转矩，保证驾驶员的意图能正确地传递到转向机及转向轮；二是在意外碰撞过程中保护驾驶员安全，确保在发生意外碰撞过程中不对驾驶人员造成损害。图1为某车型转向系统组成，下面我们对管柱的这两项功能进行分析。

图2 某车型转向管柱总成

转矩传递功能设计

转向管柱主要的功能之一是传递转矩。如何传递转矩，如何安全地传递转矩是我们要研究的。我们知道，转向系统按转向能源不同可分为机械式转向和助力式转向。为了保障转向安全，不管哪种转向管柱都需要满足在无助力情况下转向力要求，同时要有一定的安全系数，一般要求转向管柱满足转向破坏转矩不小于280～300Nm。但是不是破坏转矩越大越好呢，也不是，过大的破坏转矩会造成重量成本增加，还可能会对安全造成影响。由于现代转向系统多采用助力转向系统，根据GB 17675要求，不带助力转向时，其转向力应小于245Nm，乘用车在无助力情况下转向力一般都远低于此值，一般在200Nm之下。常用的液压助力系统，由于正常使用过程中转向管柱及传动轴所承受的转向力很小，一般都小于7Nm。对于液压助力转向系统，转向管柱及传动轴的破坏转矩要求根据不同的车型与前轴荷，其要求所能达到的转矩也不同（可参考QC/T 649-2000的静扭试验转矩的规定计算方法），但对于普通轿车一般在180Nm以上就可以满足使用要求。转向管柱的转矩计算及校核方法如下：

首先是转向管柱轴在无助力时的转向力矩

转向阻力矩计算，目前常用经验公式如下：

式中  Mr——在沥青或混凝土路面上的原地转向阻力矩；

f ——轮胎与地面间的滑动摩擦系数，取0.7；

G1——转向轴负荷；

P ——轮胎气压；

作用在转向盘上的手力可用下式得出：

其中  Fh——作用在转向盘上的手力（N）；

iw——转向系角传动比；

R——转向盘半径 ；

η——转向系效率取0.75；

Fh应小于245Nm，然后计算管柱静扭试验转矩是否满足安全试验转矩。

转向管柱的静扭试验转矩可按公式（1）或（2）计算，也可按设计要求确定。

（a） 安装齿轮齿条转向器的汽车用转向传动轴总成的静扭试验转矩按公式（3）计算。

M j =2Fr S/ηp（3）

式中  M j——静扭试验转矩值（Nm）；

F——转向器额定输出力（N）；

ηp——转向器平均正传动效率值，建议取 0.75；

r——齿轮节圆半径（m）；

S——安全系数，取3。

（b） 其他汽车转向传动轴总成的静扭试验转矩按公式（4）计算。

Mj =2M0 S/iωηp         （4）

式中  Mj——静扭试验转矩值（Nm）；

M0 ——转向器定输出转矩（Nm），额定输出转矩大于1700Nm者，以1700Nm计算；

iω——转向器的角传动比；

ηp ——转向器的平均正传动效率值，建议取 0.70；

S——安全系数，取3。

转向管柱一般为实心或空心轴，需根据静扭试验转矩校核其安全性，所以根据材料的扭转剪切原理计算如下：

1．极惯性矩和抗扭截面系数的计算

2．强度条件

其中，要按静扭试验转矩Mj计算，τ可以从金属材料机械性能手册中查出，由于材料机械性能差异，最终得出的直径D或d大小会随材料的不同而有不同的结果，常用实心轴采用35钢，也有用40Cr的，波纹管采用不锈钢1Cr18Ni9Ti等材料。不同材料对直径或壁厚的影响有时会涉及安全方面的考虑，对碰撞时管柱的溃缩或吸能存在影响。无论哪种结构，在满足转矩传递要求的基础上，应尽量减少管柱的重量来减轻重量及降低成本，如可尽量采用空心轴代替实心轴，用冲压件代替铸件。

碰撞安全设计

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2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。

图3 典型的缓冲吸能转向系统

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。