汽車轉向管柱的有限元分析

唐琳

摘要：運用有限元分析軟件，對某新型轎車的轉向管柱支架進行了分析。有限元分析結論與實測情況相符，確認原有管柱支架結構需要進行改進。文章通過分析原有管柱支架的應力分布情況，提出相應的結構改進方案，再用有限元分析法從眾多的備選方案找到最佳改進方案。改進后的管柱支架樣件經裝車測試，達到使用要求，改善效果明顯。

關鍵詞：轉向管柱；有限元；分析

隨著社會經濟和汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車變得越來越普及。汽車轉向管柱作為駕駛員操控汽車的重要部件，其安全性和可靠性顯得尤為重要。在汽車行駛的過程中，任何來自轉向管柱的異響、卡滯和變形過大都會給駕駛員造成很大的心理壓力，影響行車安全。

轉向管柱主要包括轉向軸總成、上柱管、管柱支架、緊定螺栓、拉脫鎖、下柱管、下支架、旋鉚銷軸、鎖定手柄等。轉向軸總成通常是上端加工有連接花鍵，用來安裝方向盤；下端焊接有萬向節(jié)總成，與轉向器連接，實現轉向扭矩的傳遞。上、下柱管裝配在一起，通過管柱支架和下支架安裝在車架上。拉脫鎖與管柱支架通過注塑裝配在一起。

1 問題提出

某新型轎車在轉向管柱試裝車時發(fā)現，用力晃動方向盤，可以感覺到方向盤有較明顯的上下位移。當一個體重約60kg的測試人員完全懸吊在方向盤上時，可觀察到管柱支架的拉脫鎖安裝位內側有明顯的永久變形。由于我國現行的汽車轉向管柱總成標準中，沒有對該變形量的檢驗方法和指標，因此，參考某轎車轉向系統(tǒng)的相關標準，在轉向軸頂部（即輸入端）裝上方向盤，沿垂直于軸線方向施加280N的靜載荷。測得方向盤中心點的位移為2.3mm，有較明顯的移動手感.通過觀察和測量，可初步確定其原因為支架的強度和剛度不夠。

2 原結構有限元分析

2.1模型簡化

管柱支架構比較復雜，支架翼板與立板焊接，拉脫鎖與翼板間通過注塑銷連接，彈簧掛孔處于翼板與立板焊縫旁邊。通過分析其工作狀態(tài)和外載荷情況，在不影響分析結果的前提下，對模型作如下簡化：不考慮管柱支架重力的作用；忽略焊縫的影響；忽略遠離應力集中區(qū)的復雜局部結構影響；根據圣維南理論，將豎直方向的兩個安裝板結構簡化，同時將集中載荷換算為等效的面載荷。

2.2 材料特性參數

用線彈性材料本構模型模擬支架鋼材，管柱支架的材料為：SPHC熱軋鋼板，FB3.2（PT.B）×1200（EC）；彈性模量：E=200GPa，泊松比：μ=0.3；屈服極限：σS=410Mpa。

2.3 模型網格劃分

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

2.4 載荷與約束

根據管柱支架受力分析，在轉向盤的中心施加280N的靜載荷，可轉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 結果與分析

模型劃分網格后，施加約束和載荷，分析得到的結果如下：

最大合成應力出現在彈簧掛孔處，其值為474MPa，大于材料的屈服強度（σS=410MPa）。支架的最大合成應變?yōu)?.3mm，最大合成應變出現在遠離V型槽的部分。支架的應變反映到轉向盤中心點，其位移為2.27mm，與實測結果相符，說明該有限元模型的分析結果是可信的。該結構的支架應力集中情況明顯，在方向盤上280N負載的作用下，應力集中的部位會產生塑性變形。因此，通過有限元分析可以認定，原結構的支架強度和剛度都不夠。

3 支架結構改進與有限元分析

鑒于管柱支架原結構不能滿足使用要求，有必要在不影響管柱及其相關部件裝配的前提下，對管柱支架的結構進行改進。改進可從以下方面進行考慮：

（1）支架翼板的厚度偏小是造成強度和剛度不夠的原因之一，可以通過適當增加翼板厚度來改善結構的強度和剛度。

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

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

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

（5）支架翼板左右兩端的翻邊應力很小，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，對管柱支架的結構進行改進。通過使用有限元分析軟件對大量備選方案進行分析和調整，最終確定改進方案為：翼板厚度由3.2mm增加到4.8mm；彈簧掛孔后移25mm；支架立板長度加長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。通過對選定的改進方案進行有限元模型建立、劃分網格、施加載荷和分析求解后，得到的分析結果如下：最大合成應力出現在兩邊V型槽口處，其值為275MPa，小于材料的屈服強度（σS=410MPa）。支架的最大合成應變?yōu)?.12mm，支架的位移反映到轉向盤中心點，其位移為0.9mm，移動的手感不明顯。

因此，改進后的支架結構強度和剛度足夠，加工方便，能滿足安全使用要求。

4 結論

本文采用有限元分析軟件，對某新型轎車的轉向管柱支架進行了分析，結果發(fā)現強度和剛度不夠。有限分析結論與實測情況相符，因此確認了原有管柱支架結構需要進行改進。通過分析原有管柱支架的應力發(fā)布情況，提出相應的結構改進方案，再用有限元分析法從眾多的備選方案找到最佳改進方案。縮短了改型設計周期，節(jié)約了成本。改進后的管柱支架樣件經裝車測試，剛度和強度均達到使用要求，變形情況得到了明顯的改善。隨著計算機軟件技術的發(fā)展，虛擬設計在汽車轉向系統(tǒng)設計中的應用將更加廣泛。

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