汽車轉向盤骨架材料應用研究

中圖分類號：TH140.8 文獻標志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20250020

Application Research on Automobile Steering Wheel Skeleton Materials

LiuWei，Wang Jun，Han Tengfei （Ramp;D CenterofGreatWall MotorCompany，BaodingO71000）

Abstract：Inorder toexplore the influenceof diferent materialsontheperformanceofautomobilesteering wheel skeletons，optimize steering whel lightweight designand Noise，Vibrationand Harshness （NVH） performance，this paper systematicallyanalyzes the appication of materialssuch assteel，aluminumalloy，magnesium alloy，Carbon FiberReinforced（CFRP）in automobile steering whee skeletons，comparesadvantagesand disadvantagesof those materials intermof performance.Inadition，finiteelementsimulation technology isadopted toanalyzethe influence of diferent materialson steering wheel skeleton modal frequency.Theresearchresults indicate that CFRPfeatures he highest modal frequency，followed bymagnesiumalloyandaluminumalloy，steelhasthe lowest modal frequency. Finauy，combined with vehicle types andusage scenarios，diferential suggestions on material selectionare proposed.

Keywords：Materials，Craft，Steeringwheelskeleton，Modal

1前言

在全球“雙碳”目標與嚴苛燃油經濟性法規驅動下，節能減排成為汽車產業技術革新的核心方向，輕量化設計通過減輕整車質量減少能耗與排放量，是實現這一目標的主要方向，同時，材料的合理應用是平衡輕量化與車輛優良綜合性能的關鍵。

噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise，VibrationandHarshness，NVH）性能是衡量汽車品質的重要指標，直接影響駕乘體驗和產品的市場競爭力。其中，轉向盤作為人機交互的關鍵部件，是駕駛者最容易感知的部位，其異常振動直接影響整車NVH水平和駕乘舒適性，嚴重時影響行車安全。

轉向盤骨架是轉向盤總成的核心承載部件，其剛度和質量決定了模態頻率，隨著材料技術的快速發展，鋼、鋁、鎂合金及碳纖維增強復合材料等在骨架制造中得到了廣泛應用，其性能表現各有差異。本文從制造工藝、模態頻率、材料特性等維度對4種骨架材料進行分析，以期為NVH性能提升與輕量化設計提供參考。

2轉向盤骨架材料類型

2.1 鋼骨架

全鋼骨架憑借優異的強度、硬度和良好的韌性，在結構承載方面具備優勢，但高硬度使其難以采用單純的壓力加工工藝成型，通常需采用輪緣、輪輻與輪轂焊接的復合制造方法。該工藝不僅對操作人員的技術水平要求較高，且存在加工精度低、規模化生產難度大的問題。此外，鋼材密度較大、減振系數較低，與汽車輕量化的發展趨勢相悖。因此，鋼骨架轉向盤在乘用車領域的應用較少，但在重型汽車等對結構強度要求較高、工作環境復雜惡劣的車型中，全鋼骨架能夠滿足極端工況下的承載需求，具有廣泛的應用空間，其結構形式如圖1所示。

2.2 鋁合金骨架

鋁合金材料具有高強度與耐腐蝕等優異性能，相較于鋼材，鋁合金的密度小，在同等受力工況下，鋁合金產生的應力更小，有助于優化結構設計。但鋁合金材料的減振系數較小，減振性能較差，在動態載荷作用下對振動和噪聲的抑制能力不足，難以滿足NVH性能要求。減振性能較差是制約鋁合金轉向盤骨架在高性能乘用車領域應用的關鍵技術瓶頸，其結構形式如圖2所示。

2.3鎂合金骨架

鎂合金密度較小，僅為鋼材的1/4、鋁材的2/3，具備良好的減振、降噪性能。在轉向盤上使用鎂合金骨架符合汽車輕量化和節能化的發展趨勢。同時，鎂合金的安全性能優異，在碰撞工況下，鎂合金轉向盤骨架能夠通過塑性變形吸收更多能量，提升安全防護水平，相較鋼、鋁合金等傳統轉向盤骨架材料具備顯著的性能優勢，目前，鎂合金骨架已成為主流。

然而，鎂合金材料存在固有的應用局限性，其化學活性強，在潮濕環境下易發生電化學腐蝕與氧化，表面防護要求較高。同時，相較于鋁合金等材料，鎂合金成本較高，限制了其在經濟型車型中的應用，其結構如圖3所示。

2.4碳纖維復合材料

碳纖維復合材料具有高強度、高模量的優勢3，在汽車零部件制造領域極具應用潛力，同時具備耐磨損、耐腐蝕和抗疲勞性能，其密度較低，為汽車輕量化提供有力支撐。碳纖維復合材料的生產過程較復雜，涉及預浸料制備、鋪層設計、固化成型等工藝，成本較高，且制造過程中易出現微裂紋等缺陷。目前，碳纖維復合材料在轉向盤骨架的規模化應用尚未普及，但憑借其科技質感與外觀優勢，已逐步在轉向盤外飾部分應用，結構如圖4所示。

3轉向盤骨架制作工藝

3.1 鋼材骨架制作工藝

鋼材硬度高，難以通過單一壓力加工成型，當前，鋼材轉向盤骨架多采用將輪緣、輪輻和輪轂復合焊接工藝，如圖5所示，該工藝涉及多道工序協同，對工人的操作熟練度與經驗要求較高，焊接參數的微小偏差可能導致尺寸誤差與結構缺陷，進而影響制造精度。同時，受限于手工操作占比較高、自動化集成度不足等因素，該工藝在規模化量產方面存在瓶頸。

3.2鋁合金與鎂合金骨架制作工藝

鋁合金和鎂合金骨架多采用壓力鑄造成型，其工藝流程如圖6所示，包含模具預熱、金屬熔煉、高壓充填型腔、冷卻凝固及脫模后處理等工序。其原理為在高壓作用下，使液態或半液態合金以較高速度注入壓鑄模型腔中，在高壓下凝固成型。壓鑄件產品表面質量好、生產效率高、成本低，但對于凹凸不平、結構復雜的鑄件，壓鑄成型較為困難，因此，骨架設計需避免結構過于復雜。

節鋪層厚度與設計成型結構，且無需復雜的大型設備，多次加工不會損傷內部結構，工藝過程如圖7所示，首先，進行預浸料制備，采用樹脂浸潤劑浸漬碳纖維絲束，使樹脂均勻地附著在碳纖維表面，形成浸料，過程中需要精確調控樹脂含量、浸漬速率以及溫度參數，保障碳纖維與樹脂之間的界面結合強度。隨后，采用模壓成型技術，按骨架結構設計要求將預浸料鋪設于模具內，在高溫、高壓工況下完成塑形。塑性完成后進入固化階段，通過嚴格控制溫度、壓力和時間，促使成型后的碳纖維骨架樹脂完全交聯固化，形成高強度的碳纖維復合材料。最后，對固化后的碳纖維制品進行修邊、打磨等后處理，確保尺寸精度與表面質量。

4轉向盤模態頻率研究分析

在汽車運行工況下，轉向盤持續承受路面不平度激勵、發動機振動傳遞及車身動態響應等多源載荷，若轉向盤模態頻率與激勵頻率接近，會引發共振效應導致振動響應顯著放大。因此，模態頻率是衡量轉向盤動態性能的關鍵指標，需精準控制。此外，轉向盤骨架的扭轉強度、彎曲疲勞性能、耐腐蝕特性等均為衡量轉向盤骨架性能的重要指標。

碳纖維材料可加工性好，可根據設計需要調

本文基于數值仿真技術，運用仿真分析工具對轉向盤模態開展仿真分析對比。

4.1仿真分析建模

采用有限元法構建轉向盤動力學仿真模型，該模型整合車身結構、儀表板加強梁、轉向管柱及轉向盤總成，各部件形貌結構統一通過有限元網格模擬表征，仿真模型架構如圖8所示。

3.3碳纖維骨架制作工藝

4.2 材料屬性對比

固有模態頻率作為結構動力學的核心參數，是部件的固有屬性，其數值主要由部件質量和剛度決定。其中，部件質量由結構拓撲構型、材料密度共同決定，而材料剛度受彈性模量、泊松比影響。由于材料參數在實際生產過程會受到原材料純度、成型溫度場分布、加工工藝參數等因素影響，存在一定波動范圍，本文基于工程實踐中實測的材料性能數據，對4種轉向盤骨架材料進行對比，具體參數如表1所示。

由表1可知，鋼材密度最大，為 7.8g/cm³ ，碳纖維復合材料密度最低，為 1.6g/cm³ ，鋁、鎂合金密度介于二者之間。彈性模量對比顯示，碳纖維因取向增強特性呈現顯著優勢，為 320GPa ，鋼材次之，為 205GPa ，鋁、鎂合金相對較低。4種材料的泊松比差異較小。

4.3模態仿真結果對比

本研究聚焦材料屬性對轉向盤模態性能的影響，固定轉向盤結構參數，僅改變骨架材料類型進行對比分析。仿真結果著重考察轉向盤上、下與左、右2個主振型方向的模態頻率特性，典型振型形態如圖9、圖10所示。

不同材料骨架轉向盤模態頻率對比如表2所示。

由表2可知，鋼材骨架轉向盤模態頻率最低，易產生振動問題，鋁、鎂合金骨架轉向盤在上、下與左、右振型方向的模態頻率較鋼材分別提高 6～8Hz ，有效改善了低頻振動響應。碳纖維復合材料骨架憑借高比剛度特性，其模態頻率比鋼材提高 8～10Hz ，展現出最優的振動抑制性能，有利于控制轉向盤振動。鋁合金與鎂合金在模態頻率的表現上較為接近，均顯著優于鋼材骨架。

5 結束語

基于模態頻率優化與工程應用場景的綜合考量，轉向盤骨架材料的優先選擇順序為碳纖維復合材料、鎂合金、鋁合金、鋼材，盡管現階段碳纖維材料受限于制造成本與工藝復雜性，但隨著技術進步和應用領域的拓展，碳纖維有望得到大范圍應用[5]。

在實際工程選型中，應依據車輛類型與使用需求制定差異化選材策略：輕型載貨汽車、重型載貨汽車、客車等大型車輛轉向力矩較大，其轉向系統負載大、工況嚴苛，對骨架材料的強度與可靠性要求更高，轉向盤骨架可選用制造工藝成熟、高承載能力的鋼材；家用乘用車轉向力矩小、舒適性要求高，可選用密度低、減振性能良好及已規模化應用的鎂合金骨架，目前，鎂合金已廣泛應用于家庭乘用車，高端豪華車型可選用碳纖維復合材料實現產品品質升級與品牌溢價，但需期待碳纖維技術的綜合性能提升及成本降低。

綜上所述，轉向盤骨架材料的選擇是多目標優化過程，需權衡材料密度、制造成本、成型工藝復雜度及動態性能等關鍵指標，結合具體應用場景制定科學合理的選材方案，方能實現車輛性能與經濟性的最佳平衡。

參考文獻：

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