汽車轉向管柱吸能帶變形研究和仿真優化

高成彥，侯臣，房心強

(博世華域轉向系統有限公司，上海 201821)

0 引言

研究表明：車輛碰撞會分成兩個階段，即第一階段是車身與外界相碰，第二階段是人與車內組件相碰[1]。人體受到的傷害大約有46%是由方向盤、轉向管柱等轉向機構所造成的第二種碰撞[2]，而二次碰撞中由于胸部和頭部沖擊導致的傷害至今仍然是交通事故中最常見的駕駛員傷害類型[3]，所以研究轉向管柱的吸能非常重要。

國內研究轉向管柱碰撞試驗和進行仿真分析的文獻非常多，CAE技術也成為當今汽車開發過程中不可或缺的工具，但是大部分的文獻中均未能給出轉向機構詳細的建模方法[4]，對于管柱吸能帶的仿真研究就更少了。究其原因：(1)雖然吸能帶種類形狀各異，但是每個企業常用的可能就一兩種，所以企業本身就會積累很多的試驗數據，并總結成數據庫，有類似的結構時，工程師就可以按照分配的力進行吸能帶選型；(2)吸能帶子總成相對結構簡單，當開發一個新的設計后，工程師更愿意去相信試驗數據，所以會傾向于做幾種不同尺寸的快速樣件去測量，然后通過結果去調整結構。所以綜上兩點，企業不會對吸能帶的仿真投入過多的精力去研究，但是按照作者經驗，完善吸能帶潰縮數據庫再結合CAE與試驗的參數標定，CAE可以起到非常好的預測作用，所以重視CAE在吸能帶仿真中的應用，并了解里面的參數對潰縮力的影響程度，可以大大降低試驗和模具修改費用。

1 轉向管柱的吸能機構和吸能帶類型

轉向管柱碰撞吸能機構一般需要設計兩個單獨的結構來分別實現啟動峰值力和連續吸能兩部分功能[5]。

(1)實現啟動峰值力的常見結構有：注塑銷釘剪切塊、金屬摩擦式拉脫塊和過盈壓配拉脫塊等。

(2)實現連續吸能過程的常見機構有：過盈裝配的上下柱管、手柄鎖緊的上下柱管、軸軸注塑滑動結構以及吸能鋼帶等。

其中吸能鋼帶的潰縮力值穩定、結構簡單，一般與管管摩擦配合使用組成管柱持續吸能機構，而且每種吸能帶都可以有不同的結構變異，比如第一種拉伸式J型吸能帶，也可以把矩形截面設計成圓柱截面。

轉向管柱中最常見的吸能帶類型有4種，如圖1—圖4所示。

2 吸能帶的工作原理和潰縮力分析

文中針對3種最常見的吸能帶“拉伸式J型吸能帶”、“纏繞式吸能鋼卷”以及“滑槽防脫式吸能帶”分別介紹其工作原理以及其典型的潰縮曲線，由于撕裂式的吸能鋼帶雖然結構簡單、制造成本低廉，但是潰縮中的穩定性不如其他3種，故實際使用的較少，文中就不再介紹。

2.1 J型吸能帶

當把該種類型吸能帶豎起來時，從正面看上去就像一個字母“J”，所以常稱為J型吸能帶，通常截面形狀為矩形，其優點是覆蓋的力值范圍大、裝配工藝簡單，缺點是單個吸能帶折彎成型過程復雜，而且額外需要一塊頂板支架來配合吸能帶的變形。

J型吸能帶通過螺釘與上支架固定在一起，如圖5所示，當管柱發生潰縮時，頂板支架固定不動，上支架帶動螺釘和吸能帶一起往后移動，吸能帶在移動過程中發生卷曲變形，直至潰縮結束。

在設計該種吸能帶時，會有兩個特征來控制吸能帶的變形：一個是頂板支架上的壓板，這個特征控制吸能帶變形時翹起的角度在一定范圍內；另外一個是頂板支架前端的半圓狀摩擦導向機構，這個特征決定了吸能帶卷曲變形的運動半徑。吸能帶會在這兩個特征的約束下，沿著半圓狀摩擦導向結構發生冷卷變形，從初始的J形緩緩地被拉平，這個過程產生的限制管柱往后移的力俗稱吸能帶力，這個力大小也與吸能帶材料的屈服強度，以及吸能帶本身的高度、寬度，以及吸能帶與支架之間的摩擦因數等有關，其典型潰縮力值曲線如圖6所示。

圖5 某J型吸能帶的子總成

圖6 某J型吸能帶的力和位移曲線

2.2 鋼絲卷型吸能帶

鋼絲卷型吸能帶又稱環形吸能帶通常使用在頂板沒有安裝空間的轉向管柱上，一般與注塑銷釘剪切塊配合安裝，優點是占用空間小、力值穩定，缺點是力值匹配的范圍有限，單根吸能帶的作用力通常在300～1 200 N之間，而且零部件多、裝配的過程繁瑣。

卷狀的吸能鋼帶主體被纏繞在鋼圈上，吸能帶前端有掛鉤狀的特征卡在支架的槽里，當支架開始運動后會帶著卡在支架里的吸能帶掛鉤一起運動，由于吸能帶是纏繞在被固定住的金屬鋼圈上的，所以吸能鋼帶只能繞著鋼圈做旋轉拉伸，沿著卷制相反的方向被拉回成直線，這個抽出吸能帶所需要的力就是吸能帶在管柱潰縮所起到的作用力，具體結構見圖7。

圖7 鋼絲卷型吸能帶的子總成

卷狀的吸能帶力值取決于鋼絲卷的橫截面積、材料的屈服強度、鋼圈的直徑等參數，其典型的潰縮力值如圖8所示。

圖8 某鋼絲卷型吸能帶的力和位移曲線

2.3 滑槽防脫型吸能帶

滑槽防脫型吸能帶由于集成了產生峰值力和持續變形吸能兩個功能，所以優點是安裝部件少、結構工藝簡單，而且可以不增加零部件就能實現轉向管柱在潰縮過程中的防脫落功能，缺點是因為吸能帶為沖壓件，所以整個零部件厚度是一樣的，可能存在拉脫峰值力和吸能帶持續變形力無法匹配客戶需要的問題；另外在潰縮過程中，螺釘會在吸能帶內部摩擦，如果吸能帶內壁毛刺沒有處理好的話，可能會導致吸能帶力的波動比較大。

滑槽防脫型吸能帶子總成由吸能帶、螺釘、上支架組成，管柱裝配完后，吸能帶前方的拉脫塊是通過安裝螺栓打緊在CCB或工裝上的，在管柱潰縮過程中都是固定不動的，當管柱開始潰縮時，管柱整體通過上支架帶動螺釘在吸能帶中滑動，通過螺釘持續撐開吸能帶變形，達到一個吸能的效果，具體結構如圖9所示。

圖9 滑槽防脫型吸能帶的子總成

該種吸能帶的力值取決于吸能帶的橫截面積、材料的屈服強度，以及吸能帶之間槽的寬度等參數，某項目的吸能帶力值曲線如圖10所示，因為該曲線包含了起始的拉脫峰值力，所以有兩個峰值。

圖10 滑槽防脫型吸能帶的力和位移曲線

3 吸能帶在設計過程中的常見問題以及解決方法

3.1 J型吸能帶遇到的問題

文中主要介紹J型吸能帶的一些常見問題，比如匹配不同力值的參數調整方法和針對一些特殊的客戶需求的修改方法。

3.1.1 J型吸能帶的力值匹配

按照吸能帶變形原理，總結出了影響吸能帶力值的主要因子有摩擦因數、吸能帶的厚度和寬度、吸能帶材料的屈服、破壞強度以及頂板支架導圓的半徑等，這其中與材料有關的是摩擦因數和材料的強度參數，這些因子一般隨著支架或吸能帶材料的確定是可以認為固定不變的，而支架導圓半徑R的常規設計值在2.5～3 mm之間，選定后也不再更改，所以實際需要調整的參數是吸能帶的寬度和高度，下面就以吸能帶的寬度和厚度做單因子變量試驗，其他變量不變，單獨研究這兩個參數對力值的影響程度，如圖11和圖12所示。

圖11 不同寬度的吸能帶力

圖12 不同厚度的吸能帶力

由圖可知，吸能帶的力與寬度呈完美線性相關的，在一定范圍內與厚度呈接近線性相關，所以如果需要吸能帶提供的力與偏差不大，那么可以直接修改寬度即可，比如有4 mm寬度和5 mm寬度的力，那么進行差值計算就可以快速估算出需要的吸能帶寬度；如果需求的吸能帶力與初始方案計算出來的力差別較大，則可以通過修改厚度實現，但是由于厚度的這個參數對力更敏感，所以在估算出需要的厚度后依然需要仿真或試驗來獲取新厚度下的吸能帶力的準確值。

3.1.2 面對特定延遲需求和需要降低起動峰值力的設計思路

(1)有些整車廠分配給管柱的持續段起始力比較小，或者希望吸能帶起作用的時機和剪切塊脫落的過程錯開，那么就可以在吸能帶的前端設計一個空滑的延時機構，如圖13所示。

圖13 增加吸能帶的空滑行程

(2)有的客戶希望吸能帶起始的力盡可能平滑，不要出現小的峰值，則可以在吸能帶的前端局部變窄，這樣就可以避免如圖6那樣的一個起始峰值力，具體結構示意圖如圖14所示。

圖14 修改局部寬度來降低吸能帶起始峰值力

3.1.3 滿足漸變性能的設計思路

(1)如果管柱的持續吸能階段有需要力逐漸上升的要求，比如某管柱在20～70 mm的靜潰曲線要求如圖15所示，那么最簡單的方法就是把吸能帶的寬度設計成漸變式的，如圖16所示，這樣在其他機構產生潰縮力穩定的前提下，只通過修改吸能帶寬度就達到了滿足力上升的需求。

圖15 某主機廠的持續潰縮曲線要求

圖16 設計成寬度漸增的吸能帶

(2)在設計這種力逐漸上升的吸能帶時需要注意，雖然吸能帶可以設計成漸變式，而且選用的材料也為延展性較好的塑性材料，但是任何材料都有強度極限，如果有客戶希望管柱的潰縮力在潰縮行程末端突然上升很大，如圖17所示。

圖17 某主機廠的持續潰縮曲線要求

那么從設計來說就不能簡單地把吸能帶變形的最后區域突然加粗很多，而是想辦法在最后階段增加額外的管管力(比如潰縮快到底時，可以把管管的配合間隙調整為過盈)如圖18所示，或者在潰縮末端增加額外的吸能機構來實現，否則類似圖16的這種吸能帶初始較窄的截面會無法抗住突然增大的變形力而直接被拉成頸縮狀導致斷裂了。

圖18 管管潰縮端部設計成凸起

3.2 纏繞式吸能鋼絲卷帶遇到的問題

文中主要介紹纏繞式吸能鋼絲卷的力值調整方法，并以一種環形吸能帶實際潰縮失效項目作為案例，展示了仿真技術在解決問題中的實用性和準確性。

3.2.1 纏繞式吸能帶的力值匹配

纏繞型吸能帶與J型吸能帶一樣，首先面臨的是力值的調整問題，通常該種吸能帶通過理論公式和仿真都可以得到較好的力值計算精度，所以工程上很少碰到設計力與試驗力差別很大的情況。一般在鋼圈的尺寸確定好后，按照客戶的潰縮力值要求去確定截面就可以了，通常截面設計成邊長為2～4 mm之間的正方形或者矩形，不同截面對應的力值見表1。

表1 不同截面形狀下的變形力理論表

如果力值偏小還是無法滿足，則可以選用屈服和抗拉強度更高的材料，圖19為相同截面、不同材料的CAE和試驗的對比曲線，這里的材料分別為65錳和10號鋼。

圖19 不同材料吸能帶實驗和CAE力值

如果CAE和試驗曲線進行對標時發現存在明顯差異，則首先需要去核實CAE里所用材料參數的準確性，因為CAE選取的吸能帶參數一般為國標或企標的最低值，當材料牌號定下后，就需要通過實際的拉伸棒曲線去修正仿真用材料參數。

3.2.2 吸能帶掛鉤變形過大導致滑車失效

某項目的滑車試驗如圖20所示，發現其轉向管柱在潰縮過程中，吸能帶前端本因掛在支架里的折彎部分被掰直了，導致吸能帶從支架里滑了出來，如圖21所示，這種變形方式導致吸能帶無法正常吸收能量，需要尋找原因并提出解決方案。

圖20 某項目滑車試驗

圖21 吸能帶掛鉤脫出示意

在查看CAE和實驗的管柱靜潰報告后，發現靜態潰縮下的吸能帶變形是正常的，也沒有任何零件的失效，但是在滑車試驗視頻中，發現本應該嵌在支架里的塑料卡夾，如圖22所示，在動潰時被撞壞并飛了出去，并且吸能帶在潰縮過程中出現了兩個變形區域，如圖23的1和2區域，1區域是期望的變形區域，而2是不應該發生變形的區域，所以研究這個脫出問題就導向到研究這個塑料件對吸能帶變形的影響以及兩個截面在吸能帶潰縮時的各自的抗彎能力上去了。這里采用通用有限元軟件Abaqus對這個吸能帶潰縮的過程進行仿真分析。

圖22 吸能帶卡夾

圖23 吸能帶兩處折彎的形狀

由仿真結果發現，塑料件對吸能帶折彎處的受力影響很大，最主要就是吸能帶剛開始變形時的接觸位置不同。如果模型里有塑料件，則吸能帶的折彎根部先與塑料件接觸如圖24所示，這種受力情況使得吸能帶折彎的根部受到的力矩比較小，吸能帶折彎處不會發生變形，所以吸能帶可以一直抵在塑料上直到潰縮結束，如圖25所示。

圖24 有吸能帶卡夾下吸能帶初始接觸狀況

圖25 有吸能帶卡夾的吸能帶變形結束狀態

而如果沒有塑料件，吸能帶折彎的頂部就直接和U型支架接觸了，如圖26所示，這種受力情況使得吸能帶折彎的根部受到的力矩比較大，而且動潰試驗的整個管柱的速度較快，在吸能帶折彎區域撞擊到支架后，由于慣性作用，存在折彎區域繼續變形的風險。

圖26 3 mm×3 mm截面無塑料件卡夾的吸能帶變形

為了更好地驗證圖23中的折彎區域1和折彎區域2的抗彎能力，以及找到優化方案，這里分別選取了3 mm×3 mm截面和之前失效的4 mm×2 mm截面的吸能帶進行不帶塑料件的拉伸仿真，結果發現3 mm×3 mm的吸能帶可以掛在支架上直至潰縮結束，如圖26所示，而4 mm×2 mm的就發生了如同實驗失效中的結果，即吸能帶前端折彎從支架卡槽里滑落了出來，如圖27所示。

綜上所述，吸能帶的失效與塑料件的斷裂失效和截面的形狀設計都有關系，優化方案就是一方面需要增強塑料件的抗沖擊強度，不讓其發生失效，使得吸能帶折彎處的受力區域靠近底部，而不是頂部；另一方面需要對吸能帶截面的設計定下規則：優先采用2 mm×2 mm，3 mm×3 mm和4 mm×4 mm這種矩形截面，這樣相對初始的4 mm×2 mm截面達到了提高吸能帶掛鉤處的抗彎剛度，并削弱纏繞部分的抗彎剛度的目的，如果還是需要使用矩形截面的，則需要控制矩形截面的高度和寬度不能相差很大。

圖27 4 mm×2 mm截面塑料件卡夾的吸能帶變形

4 結論

文中介紹了幾種轉向管柱中常見的吸能鋼帶的工作原理以及潰縮力曲線，并詳細介紹了“拉伸式J型吸能帶”和“纏繞式吸能鋼卷”在設計開發中的所遇到的常見問題和解決方法。同時以某采用鋼絲卷型吸能帶的管柱潰縮失效作為案例，介紹了如何通過對實驗現象和失效樣件的解讀，利用仿真技術一步步找到實際失效的原因，并驗證新方案的可行性，說明在轉向管柱的潰縮研究中，利用有限元仿真是一種精度高、速度快的方法，可以為轉向管柱的潰縮安全性能開發設計提供有力的支持。

同時從結果也可以看到在對轉向管柱進行潰縮模擬時，不僅需要關注潰縮過程中的力值是否符合預期，也需要關注整個潰縮過程尤其運動速度較快的動潰過程中，零件的強度和零件之間的配合情況，這樣才能得到真實且合理的仿真結果。