基于ABAQUS的汽車轉向管柱上段總成的分析與研究

于富冬，張曄

(合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽合肥 230009)

基于ABAQUS的汽車轉向管柱上段總成的分析與研究

于富冬，張曄

(合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽合肥 230009)

轉向管柱上段總成是汽車轉向系統的重要組成部分，轉向性能的好壞直接影響汽車行駛的安全和操縱性。采用ABAQUS分析軟件，對汽車轉向管柱上段及轉向管柱上段總成進行了模態分析，根據行業標準TS16949體系對轉向管柱上段總成軸向位移進行標準分析、對方向鎖進行鎖止強度試驗、對轉向柱管進行了溫度試驗，驗證了其結構設計的合理性。

轉向管柱上段總成；ABAQUS；TS16949體系

0 引言

近年來，我國汽車行業發展迅速，各種各樣的汽車已經漸漸進入人們的日常生活中，而汽車的安全性能問題也在不斷受到消費者們的關注。轉向系統作為汽車的重要組成部分，在汽車結構功能方面發揮著巨大作用。轉向系統是指由駕駛人員操縱、能實現轉向輪偏轉和回位的一套機構。而轉向管柱上段總成作為汽車轉向系統的重要組成部分，對于汽車轉向性能好壞有著重要影響，直接影響著汽車行駛的安全性和操縱性。

轉向管柱上段總成主要由轉向上下軸分總成、轉向管柱三角支架、支架座、轉向管柱支架、懸架、左右支架、萬向節叉等部件構成(見圖1—2)。

轉向上下軸分總成上端有連接花鍵，用來安裝方向盤；下端是焊接的萬向節叉，連結到轉向器后，這樣就可以達到傳遞扭矩的效果。上、下柱管配合在一起，通過轉向管柱支架安裝在車架上。

1 行業標準TS16949體系

ISO/TS16949是國際汽車行業的技術規范，是在ISO9001的基礎上加進了汽車行業的技術規范。其針對性和使用性非常明確：此規范只適用于汽車整車廠和其直接的零備件制造商。TS16949特別注重廠家的完成品及實現這個完成品的質量系統能力。它認為這是整個制造過程活動的基礎。此外，它還特別注重一個機構的質量管理系統的有效性。

文中的轉向管柱上段總成質量已達到ISO/TS16949質量管理體系認證，通過有限元軟件ABAQUS對其進行相關分析，證明其滿足質量要求。

2 結構模態分析

作為動力學分析的基礎內容——模態分析在進行其他動力學分析之前有著重要意義。通過對物體進行模態分析：(1)可以使結構設計避免共振或按照特定的頻率進行振動；(2)可以使工程師認識到不同類型的動力載荷結構是如何響應的；(3)有助于在其他動力學分析中估算求解控制參數。

模態分析中的主要4個步驟是：(1)建模。定義材料密度，忽略非線性性質，只能使用線性單元和線性材料；(2)選擇分析步類型并設置模態提取選項；須定義一個線性攝動分析步的頻率提取分析步；(3)施加邊界條件、載荷并求解；(4)結果處理。

為了保證模態分析結果的準確性，對模型進行了部分簡化：

(1)上下支撐軸承部分。轉向管柱上段總成上軸安裝深溝球軸承，下軸采用彈性材料的滾針軸承。由于軸承內部有許多復雜實體，存在復雜的接觸問題，因此，將其簡化為具有該彈性模量的勻質實體，這樣會減少建模和分析工作量，提高了分析結果的準確性。

(2)利用ABAQUS軟件中的綁定約束簡化支架與管柱體焊接、管柱三角支架與管柱體焊接、懸架與管柱體焊接。

部分零件材料性能參數見表1。

表1 材料性能參數

圖3是轉向管柱的模態圖，圖4是轉向管柱上段總成的二階模態圖。

對轉向管柱上段總成進行了模態分析后，企業設計人員在設計轉向管柱時可以主動避開這些頻率，這樣可以盡可能地減小這些頻率上的激勵，進而消除過度噪聲和振動，對后面的共振頻率、噪聲試驗等有著重要意義。

3 轉向管柱上段總成標準分析

在汽車裝配中，轉向上軸與汽車方向盤相連接。汽車在運動過程中，轉向上軸經常會受到來自軸向的力。因此對轉向管柱上段總成在軸向施加載荷，對其進行軸向位移分析，觀察其軸向位移量如圖6所示，在其允許范圍之內，滿足性能要求。

4 方向鎖鎖止強度試驗

在汽車轉向管柱上段總成中，方向鎖已經成為一個標準配置，其強度測試試驗方法一般為：按實車位置安裝方向鎖，在軸向鎖套上施加扭矩，鎖套與管柱配合區域應無損傷。在ABAQUS軟件中，在鎖套與軸之間采用綁定約束，接著在鎖套的鍵槽處施加扭矩，然后進行結果后處理，觀察鎖套在配合區域的受力情況。應力圖和位移圖分別如圖7—8所示。

可以看出：鎖套在承受扭矩處所受到的最大應力和位移均在允許范圍內，符合質量性能要求。

5 溫度試驗

由于我國地域遼闊，緯度跨越比較大，南北方溫差較大，因此，在對汽車轉向管柱進行測試時必須對轉向柱管進行溫度試驗，要求轉向管柱必須滿足下面的基本性能：

(1)低溫環境測試。在低溫環境中(-40 ℃)放置一段時間(70 h)，然后轉移到常溫環境下(20 ℃)放置2 h。

(2)高溫環境測試。在高溫環境中(85 ℃)放置一段時間(96 h)，然后轉移到常溫環境下(20 ℃)放置2 h。

(3)常溫試驗。將轉向管柱上段總成在20 ℃的環境下放置72 h，作為對比試驗。

文中取轉向柱管進行分析，利用ABAQUS的溫度場對其進行分析。轉向柱管的彈性模量210 000 MPa，泊松比0.3，線膨脹系數1.38×10-5/℃。下面是在低溫、高溫環境下選取一點繪制的時間-應力圖。

由圖10可以看出：在-40 ℃的環境下，隨著壓力的不斷增加，選取節點上應力不斷增大，當到70 h后，應力達到最大，此后受力不再變化，但是溫度回到20 ℃，這時節點上的應力會不斷變小，當一段時間后應力又會變大，最后達到穩定狀態。

圖11是同一節點在20 ℃下90 h的時間-應力圖，可以看出:在常溫下受到壓力時轉向管柱的應力是穩定變化的。

由圖10—12可以看出高低溫對轉向管柱的影響，因此在設計轉向管柱時應充分考慮溫度變化對它的影響。

6 結束語

借助有限元分析軟件ABAQUS分別對轉向管柱上段總成進行了模態分析、對轉向上軸進行了軸向位移分析、對方向鎖進行了鎖止強度分析，最后利用ABAQUS的熱分析模塊對轉向管柱進行了溫度場分析。利用有限元分析軟件，在產品投入使用前分析其結構設計的合理性，可確保設計安全可靠，減少設計成本。汽車轉向管柱上段總成作為汽車轉向系統的一個重要組成部分，在使用前對其進行虛擬分析發現存在的潛在問題，可以減少現實中出現安全隱患的概率，對汽車行業有著重要意義。

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AnalysisandResearchforCarSteeringColumnAssemblyBasedonABAQUS

YU Fudong， ZHANG Ye

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China)

Automotive steering column assembly is an important part of vehicle steering system. The steering performance will directly affect safety and handling of a car. Using ABAQUS software, modal analyses for the car steering column and steering column assembly were done. According to industry standard TS16949 system, axial displacement standard analysis was made for the steering column assembly, locking strength test was made for the direction lock, temperature test was made for steering pillar tube. The results illustrate the rationality of its structure design.

Steering column assembly; ABAQUS; TS16949 system

2015-01-10

于富冬(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為數字化設計及其理論。E-mail：1276720173@qq.com。