汽車(chē)轉(zhuǎn)向管柱的有限元分析

唐琳

摘要：運(yùn)用有限元分析軟件，對(duì)某新型轎車(chē)的轉(zhuǎn)向管柱支架進(jìn)行了分析。有限元分析結(jié)論與實(shí)測(cè)情況相符，確認(rèn)原有管柱支架結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行改進(jìn)。文章通過(guò)分析原有管柱支架的應(yīng)力分布情況，提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，再用有限元分析法從眾多的備選方案找到最佳改進(jìn)方案。改進(jìn)后的管柱支架樣件經(jīng)裝車(chē)測(cè)試，達(dá)到使用要求，改善效果明顯。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向管柱；有限元；分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)變得越來(lái)越普及。汽車(chē)轉(zhuǎn)向管柱作為駕駛員操控汽車(chē)的重要部件，其安全性和可靠性顯得尤為重要。在汽車(chē)行駛的過(guò)程中，任何來(lái)自轉(zhuǎn)向管柱的異響、卡滯和變形過(guò)大都會(huì)給駕駛員造成很大的心理壓力，影響行車(chē)安全。

轉(zhuǎn)向管柱主要包括轉(zhuǎn)向軸總成、上柱管、管柱支架、緊定螺栓、拉脫鎖、下柱管、下支架、旋鉚銷(xiāo)軸、鎖定手柄等。轉(zhuǎn)向軸總成通常是上端加工有連接花鍵，用來(lái)安裝方向盤(pán)；下端焊接有萬(wàn)向節(jié)總成，與轉(zhuǎn)向器連接，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向扭矩的傳遞。上、下柱管裝配在一起，通過(guò)管柱支架和下支架安裝在車(chē)架上。拉脫鎖與管柱支架通過(guò)注塑裝配在一起。

1 問(wèn)題提出

某新型轎車(chē)在轉(zhuǎn)向管柱試裝車(chē)時(shí)發(fā)現(xiàn)，用力晃動(dòng)方向盤(pán)，可以感覺(jué)到方向盤(pán)有較明顯的上下位移。當(dāng)一個(gè)體重約60kg的測(cè)試人員完全懸吊在方向盤(pán)上時(shí)，可觀察到管柱支架的拉脫鎖安裝位內(nèi)側(cè)有明顯的永久變形。由于我國(guó)現(xiàn)行的汽車(chē)轉(zhuǎn)向管柱總成標(biāo)準(zhǔn)中，沒(méi)有對(duì)該變形量的檢驗(yàn)方法和指標(biāo)，因此，參考某轎車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在轉(zhuǎn)向軸頂部（即輸入端）裝上方向盤(pán)，沿垂直于軸線方向施加280N的靜載荷。測(cè)得方向盤(pán)中心點(diǎn)的位移為2.3mm，有較明顯的移動(dòng)手感.通過(guò)觀察和測(cè)量，可初步確定其原因?yàn)橹Ъ艿膹?qiáng)度和剛度不夠。

2 原結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1模型簡(jiǎn)化

管柱支架構(gòu)比較復(fù)雜，支架翼板與立板焊接，拉脫鎖與翼板間通過(guò)注塑銷(xiāo)連接，彈簧掛孔處于翼板與立板焊縫旁邊。通過(guò)分析其工作狀態(tài)和外載荷情況，在不影響分析結(jié)果的前提下，對(duì)模型作如下簡(jiǎn)化：不考慮管柱支架重力的作用；忽略焊縫的影響；忽略遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)的復(fù)雜局部結(jié)構(gòu)影響；根據(jù)圣維南理論，將豎直方向的兩個(gè)安裝板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，同時(shí)將集中載荷換算為等效的面載荷。

2.2 材料特性參數(shù)

用線彈性材料本構(gòu)模型模擬支架鋼材，管柱支架的材料為：SPHC熱軋鋼板，F(xiàn)B3.2（PT.B）×1200（EC）；彈性模量：E=200GPa，泊松比：μ=0.3；屈服極限：σS=410Mpa。

2.3 模型網(wǎng)格劃分

選用8節(jié)點(diǎn)solid92單元，以智能網(wǎng)格與局部加密的方法，將模型劃分為網(wǎng)格形。

2.4 載荷與約束

根據(jù)管柱支架受力分析，在轉(zhuǎn)向盤(pán)的中心施加280N的靜載荷，可轉(zhuǎn)化為管柱支架安裝板受到豎直方向的等效均布載荷7.6MPa。由于拉脫鎖對(duì)支架的約束，限制了支架Y方向（豎直方向）的位移，所以，在安裝拉脫鎖區(qū)域施加UY 約束。拉脫鎖的V面限制了支架在前后和左右方向的位移，因此在V面上施加全約束。

2.5 結(jié)果與分析

模型劃分網(wǎng)格后，施加約束和載荷，分析得到的結(jié)果如下：

最大合成應(yīng)力出現(xiàn)在彈簧掛孔處，其值為474MPa，大于材料的屈服強(qiáng)度（σS=410MPa）。支架的最大合成應(yīng)變?yōu)?.3mm，最大合成應(yīng)變出現(xiàn)在遠(yuǎn)離V型槽的部分。支架的應(yīng)變反映到轉(zhuǎn)向盤(pán)中心點(diǎn)，其位移為2.27mm，與實(shí)測(cè)結(jié)果相符，說(shuō)明該有限元模型的分析結(jié)果是可信的。該結(jié)構(gòu)的支架應(yīng)力集中情況明顯，在方向盤(pán)上280N負(fù)載的作用下，應(yīng)力集中的部位會(huì)產(chǎn)生塑性變形。因此，通過(guò)有限元分析可以認(rèn)定，原結(jié)構(gòu)的支架強(qiáng)度和剛度都不夠。

3 支架結(jié)構(gòu)改進(jìn)與有限元分析

鑒于管柱支架原結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足使用要求，有必要在不影響管柱及其相關(guān)部件裝配的前提下，對(duì)管柱支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)可從以下方面進(jìn)行考慮：

（1）支架翼板的厚度偏小是造成強(qiáng)度和剛度不夠的原因之一，可以通過(guò)適當(dāng)增加翼板厚度來(lái)改善結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。

（2）由于應(yīng)力集中點(diǎn)出現(xiàn)在彈簧掛孔處，因此，可以在不影響功能的情況下，將該彈簧掛孔到移出應(yīng)力大的區(qū)域，降低局部應(yīng)力。

（3）支架立板與翼板的連接長(zhǎng)度偏小，使得應(yīng)力集中在彈簧掛孔處。如果適當(dāng)增加連接長(zhǎng)度，可以使應(yīng)力分布趨于均勻。

（4）彈簧掛孔附近的圓角和直角也是造成該處應(yīng)力集中的因素之一，取消圓角和直角不但能緩解應(yīng)力集中，也能降低加工難度。

（5）支架翼板左右兩端的翻邊應(yīng)力很小，而且加工比較困難，可以將該處的翻邊直接省去。尤其是在增加翼板厚度的情況下，更有必要省去翻邊。

綜合考慮管柱支架的安裝和連接、板材選用、沖模更改、工藝改善、成本估算等各方面因素后，對(duì)管柱支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)使用有限元分析軟件對(duì)大量備選方案進(jìn)行分析和調(diào)整，最終確定改進(jìn)方案為：翼板厚度由3.2mm增加到4.8mm；彈簧掛孔后移25mm；支架立板長(zhǎng)度加長(zhǎng)10mm；彈簧掛孔旁的棱邊外移，直到與V槽口相連；支架翼板左右兩端不翻邊。通過(guò)對(duì)選定的改進(jìn)方案進(jìn)行有限元模型建立、劃分網(wǎng)格、施加載荷和分析求解后，得到的分析結(jié)果如下：最大合成應(yīng)力出現(xiàn)在兩邊V型槽口處，其值為275MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度（σS=410MPa）。支架的最大合成應(yīng)變?yōu)?.12mm，支架的位移反映到轉(zhuǎn)向盤(pán)中心點(diǎn)，其位移為0.9mm，移動(dòng)的手感不明顯。

因此，改進(jìn)后的支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度足夠，加工方便，能滿(mǎn)足安全使用要求。

4 結(jié)論

本文采用有限元分析軟件，對(duì)某新型轎車(chē)的轉(zhuǎn)向管柱支架進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度和剛度不夠。有限分析結(jié)論與實(shí)測(cè)情況相符，因此確認(rèn)了原有管柱支架結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)分析原有管柱支架的應(yīng)力發(fā)布情況，提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，再用有限元分析法從眾多的備選方案找到最佳改進(jìn)方案。縮短了改型設(shè)計(jì)周期，節(jié)約了成本。改進(jìn)后的管柱支架樣件經(jīng)裝車(chē)測(cè)試，剛度和強(qiáng)度均達(dá)到使用要求，變形情況得到了明顯的改善。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，虛擬設(shè)計(jì)在汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將更加廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧飛.汽車(chē)轉(zhuǎn)向管柱總成標(biāo)準(zhǔn)的分析研究.汽車(chē)與船舶[J].2008，（4）：10-11.

[2]張洪信.有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006，2.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第三版[M].化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

[4]寇曉東，唐可.田彩軍.ALGOR結(jié)梅分析高級(jí)教程[M].北京：清華大學(xué)出版杜.2008.endprint