碰撞安全與轉向管柱潰縮吸能結構開發(fā)

江天保 沈岱武

奇瑞新能源汽車 安徽省蕪湖市 241002

1 前言

隨著汽車消費的普及，汽車安全事故越來越多，對汽車安全的要求也越來越高；本文主要介紹為使得在碰撞事故發(fā)生后減輕對駕駛員的傷害，從轉向管柱潰縮吸能開發(fā)入手，介紹如何開發(fā)一種可潰縮的轉向管柱。

當高速行駛的汽車撞擊到低速或者靜止的物體后，高速行駛的汽車就會有一個比較大的減速度，根據牛頓定律，駕駛員由于慣性的作用，會向前繼續(xù)運動，怎么樣來約束駕駛員繼續(xù)向前運動并降低駕駛員受到傷害程度，是被動安全需要解決的問題，本文只介紹安全轉向管柱在被動安全約束系統(tǒng)中起到的作用和開發(fā)過程。

2 被動安全約束系統(tǒng)簡介

在諸多約束系統(tǒng)中，轉向管柱對駕駛員起到比較重要的作用。對于中等尺寸的轎車，在被動約束系統(tǒng)中，據統(tǒng)計轉向管柱吸收駕駛員總能量約18%左右。

圖1 被動安全關聯(lián)示意圖

轉向管柱/方向盤是汽車發(fā)生碰撞時，駕駛員的頭、頸、胸與之發(fā)生二次碰撞的重點區(qū)域，對于被動安全設計要點為：

☆ 對氣囊（DAB）有效支撐，并保持承壓方向；

☆ 對方向盤具有一定程度的塑形變形，以吸收人體碰撞的沖擊能量（GB11557/ECER12）

☆ 轉向管柱具有潰縮特性，理論設計有效潰縮距離至少應≥60mm；

☆ 在轉向管柱/方向盤的潰縮路徑上，應確保沒有相關零部件影響潰縮，考慮到如點火開關、護罩、IP等影響，實際試驗中潰縮距離應不低于40mm。

3 轉向管柱潰縮性能開發(fā)流程

圖2 開發(fā)流程示意圖

3.1 項目定義

項目啟動后，根據立項輸入中的整車安全等級，確認轉向管柱的潰縮性能，根據需要，合理定義轉向管柱潰縮性能。需要明確轉向管柱初始潰縮力，管柱總成潰距離和中間軸潰縮距離。

3.2 轉向管柱潰縮方案選用

轉向管柱潰縮方案比較多，每種潰縮方式的控制方法和控制精度也不同。根據項目要求，選擇性價比最優(yōu)的方案組合，滿足性能要求。

選擇轉向管柱潰縮方案，盡量參考公司和供應商成熟的潰縮機構，對于潰縮塊、調節(jié)支架等需要開模的件，盡量在現有產品上選擇，盡可能降低開發(fā)成本和驗證周期。前期產品定義時，可以考慮多個方案，

根據后期系統(tǒng)試驗后，最終確認最優(yōu)的方案進行凍結。

3.3 管柱在整車上的布置

轉向管柱的裝配角度要與方向盤中心點，轉向器輸入軸的位置匹配，并考慮到中間軸的力矩波動及其布置位置和可潰縮長度。

管柱在整車中進行布置時，應給出布置范圍，在滿足人機工程的前提下，盡量向著有利于轉向管柱潰縮的方向布置，因為布置一旦凍結，后期更改是比較麻煩的。

圖3

管柱碰撞位置如圖3受力分析，

根據上圖，可得出如下圖受力方程：

FT：沿轉向管柱軸線向下的潰縮力

FH：作用在轉向管柱上的水平力

FM：管柱與固定點的摩擦力

FP：管柱與固定點的正壓力

α：轉向管柱側向布置角度

N：轉向管柱拉脫塊的拉脫力

K：管柱與固定點的摩擦系數

根據上述方程可得：

我們假定：N=4000N

FH=9000N

K=0.15

最終可求解得：α=46.0136°

由上述公式可見，在一定的摩擦系數、拉脫力、水平方向的壓力下，轉向管柱側向布置角度存在一定的布置極限。超過此角度軸向潰縮的轉向管柱就不可能會潰縮。

根據經驗，轉向管柱側向角度一般跑車推薦約18°左右，轎車推薦約24～26°，MPV、SUV等車型的時候也有超過30°情況。正碰時駕駛員的運動方向，在不佩帶安全帶時是車輛的前后方向，佩帶安全帶時，最好是駕駛員的頭部要躲過方向盤是最理想的，因此管柱側向布置角度越小越有利，一般轎車都有自身的人機特性，都有些不同，但盡可能設定在22～28°的范圍以內。

3.4 布置數據（潰縮距離）校核

轉向管柱潰縮距離按照下面的順序逐個校核，見圖4。

3.5 管柱靜態(tài)壓潰潰縮力校核

根據結論，初步定義好轉向管柱總成潰縮力，根據總成潰縮力進行分解，把每個小部件的吸能力設定好，見圖5。

根據壓潰力和壓潰形成，初步形成潰縮力-位移曲線，力和位移的曲線，應該在定義的范圍內，如圖6為定義的初始曲線。把轉向管柱模擬整車安裝在試驗臺架上，進行靜壓潰試驗測量，最后測量出實際潰縮曲線，和設定值進行比較，進行反復調試，最后得出設計曲線。

圖4 周邊件校核示意簡圖

圖5

圖6 潰縮吸能曲線定義示意簡圖

3.6 轉向管柱動態(tài)壓潰

轉向管柱動態(tài)壓潰，具體的試驗指標和方法，需要進一步和碰撞試驗室探討試驗方法及其接受標準。

3.7 轉向管柱在被動安全系統(tǒng)中驗證

臺車試驗時，把儀表橫梁、儀表板、儀表、轉向管柱、組合開關、組合開關護罩、點火鎖、方向盤裝配在臺車上，安裝被動安全約束系統(tǒng)要求，把經過靜壓潰試驗后的轉向管柱裝配在臺車試驗臺上進行驗證，驗證前，需要檢查轉向潰縮通道是否滿足設計狀態(tài)。最后根據臺車試驗的數據，確認轉向管柱是否需要優(yōu)化，見圖7。

3.8 轉向管柱在整車中碰撞驗證

整車碰撞前需要做好準備工作，轉向管柱主要在64Km/h的40%偏置碰和50Km/h的100%剛性壁碰撞進行驗證。轉向管柱裝車前檢測潰縮力（靜壓潰試驗報告），裝車后檢查潰縮通道，試驗驗證。根據試驗采集到的數據和轉向管柱潰縮情況，討論轉向管柱的優(yōu)化方案，和優(yōu)化方向，見圖8。

圖7 被動安全臺車驗證示意簡圖

圖8 整車碰撞驗證示意簡圖

4 結論

據統(tǒng)計，正面碰撞時方向盤、轉向管柱和轉向器組成的轉向系統(tǒng)對駕駛員造成的損傷占到駕駛員損傷的46%，造成人員傷害的部位集中在頭部、胸部及腿部。所以，轉向管柱的安全設計至關重要，具體體現在吸能和潰縮兩個方面。從前文闡述中，歷經設計輸入確認、結構設計分析、各層級的實物驗證，直至最終設計凍結，本文檔介紹的方法，有效支撐了整車的碰撞安全性能開發(fā)。