轉向管柱支架斷裂分析與改進

魏益冰，馬玉金，鄧春陽

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

轉向管柱支架斷裂分析與改進

魏益冰，馬玉金，鄧春陽

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

文章通過對轉向管柱支架斷裂問題的設計和工藝問題分析，從鈑金件剛度提升和總成焊接邊改進兩方面進行改進。通過CAE輔助手段對制動、轉向、垂向三個工況的仿真模擬，驗證了設計分析的合理性和方案改進的有效性。

轉向管柱支架；斷裂；改進；CAE分析

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-160-03

前言

汽車轉向管柱通過支架與車身連接。轉向系統(tǒng)受路面激勵，承受汽車運動過程中的載荷、振動、沖擊和扭矩，并經(jīng)轉向管柱支架直接傳遞給車身。轉向管柱支架的可靠性直接影響駕乘人員的操控安全性，支架的剛度不足還會對車身安裝點的疲勞壽命產(chǎn)生很大影響。本文從問題描述、原因分析、方案改進和CAE分析四個方面對轉向管柱支架斷裂問題的進行分析和改進。

1 問題描述

整車可靠性試驗時，車輛出現(xiàn)駕駛室轉向管柱支架斷裂現(xiàn)象，具體斷裂位置見下圖。從斷裂痕跡判斷為斷裂處受拉應力，開裂點從兩處焊接點開始擴展，最后裂紋連接斷裂。

2 原因分析

鈑金支架的斷裂問題比較復雜，鈑金材料材料選用、結構設計、使用工況都會對鈑金支架的力學性能產(chǎn)生影響。對于由多個鈑金件焊接、裝配成型的總成支架，其力學性能還受焊接工藝、裝配工藝的影響。本次斷裂的轉向管柱支架屬于焊接總成支架，通過螺栓裝配與車身連接，對于此類問題的分析應用設計、工藝角度全面分析。

2.1 設計分析

2.2.1 機構構成

如圖2、圖3所示，轉向管柱通過支架總成與車身連接，支架總成由三個鈑金件弧焊連接。

圖2 轉向管柱連接示意圖

圖3 轉向管柱支架組成

2.2.2 受力分析

轉向管柱支架在車輛使用過程中主要受制動、加速工況下的X向應力，轉向工況下的Y向應力，同時收路面?zhèn)鬟f的其他振動、沖擊等Z向應力。此次斷裂零件是支架一，從斷裂痕跡來看斷裂處受拉應力。鈑金件受拉應力產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象，主要是零件的剛度不足、抵抗振動和沖擊的能力不足。

2.2 工藝分析

通過試驗樣車反饋信息和對故障件的分析得出如下結論：開裂點從兩處弧焊焊接點開始擴展，最后裂紋連接斷裂，弧焊點存在一定的應力集中現(xiàn)象。由于零件結構的限制，弧焊工藝不能更改，可以通過對焊接搭接邊的結構更改來盡可能的分散應力。

綜上：此次斷裂問題出現(xiàn)的原因主要是支架零件結構剛度不足，支架總成焊接搭接邊設計不合理。后續(xù)方案的改進方向應集中的零件剛度的提升和焊接搭接邊的合理性改進兩方面。

3 方案改進

3.1 零件剛度提升

圖4 支架一剛度提升

鈑金零件剛度提升措施主要是對零件結構進行力學分析，在不影響零件功能的情況下對關鍵部位進行加強。常見設計舉措有：斷面改進、材料牌號改進、材料厚度增加、增加加強筋、增加翻邊等。如圖4所示，支架一的剛度提升主要是在增加加強筋和翻邊；如圖5所示，支架二的剛度提升主要是斷面改進、增加翻邊。單個零件剛度的提升必然會帶來總成剛度的提升。

圖5 支架二剛度提升

3.2 焊接邊改進

焊接邊的改進主要是為了分散弧焊應力，提高總成零件的疲勞壽命。如圖6所示，轉向管柱支架總成焊接邊改進位置有三處，這樣的改進可以盡可能的分散弧焊應力，延遲首次裂紋的出現(xiàn)。

圖6 焊接搭接邊改進前后對比

4 CAE分析

4.1 分析工況

圖7 轉向管柱支架約束和加載示意圖

根據(jù)車輛行駛工況，對轉向管柱支架的仿真模擬可以從制動、轉向、垂向三個工況進行分析。具體約束和加載如下：

a）制動工況：

載荷：沿X軸正方向施加1G力；

約束：約束支架三連接處123自由度。

b）轉向工況：

載荷：沿Y軸正方向施加0.5G力；

約束：約束支架三連接處123自由度。

c）垂向工況：

載荷：沿Z軸負方向施加1G力；

約束：約束支架三連接處123自由度。

4.2 分析結果

制動、轉向、垂向三個工況應力云圖見圖8、9、10，對比分析結果見表1。通過數(shù)據(jù)對比可以看出，三個工況下方案的改進效果明顯。

圖8 垂向工況von-Mises應力云圖

圖9 轉向工況von-Mises應力云圖

圖10 制動工況von-Mises應力云圖

表1 改進前后數(shù)據(jù)對比

5 結論

文章通過轉向管柱支架斷裂部位的力學分析，從設計和工藝角度對此支架和總成進行了改進，通過制動、轉向、垂向三個工況的CAE仿真模擬，驗證了方案改進的有效性。支架斷裂是汽車常見的一種可靠性故障問題，本文對轉向管柱支架斷裂問題的分析與改進的研究對處理同類問題具有一定的指導和借鑒意義。

[1] 劉惟信.汽車設計.[M]清華大學出版社.2001.7要求著錄.

The fracture analysis and improvement of the steering column bracket are analyzed

Wei Yibing, Ma Yujin, Deng Chunyang
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd automobile engineering institute, Shaanxi Xi'an 710200）

Through the analysis of the design and process of the fault of the steering column bracket, this paper improves both the stiffness of sheet metal and the improvement of the welding side of the assembly. The simulation simulation of brake,steering and vertical direction in three working conditions is verified through CAE auxiliary means, and the rationality of design analysis and the effectiveness of the scheme improvement are verified.

Steering column bracket; The fracture; improvement; CAE analysis

U467.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-160-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.055

魏益冰，就職于陜西重型汽車有限公司，主要從事白車身結構與性能方面的設計研究工作。