碰撞安全與轉(zhuǎn)向管柱潰縮吸能結(jié)構(gòu)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(fèi)的普及，汽車安全事故越來越多，對(duì)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(duì)駕駛員的傷害，從轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向管柱。

當(dāng)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(huì)有一個(gè)比較大的減速度，根據(jù)牛頓定律，駕駛員由于慣性的作用，會(huì)向前繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，怎么樣來約束駕駛員繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)并降低駕駛員受到傷害程度，是被動(dòng)安全需要解決的問題，本文只介紹安全轉(zhuǎn)向管柱在被動(dòng)安全約束系統(tǒng)中起到的作用和開發(fā)過程。

2 被動(dòng)安全約束系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在諸多約束系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向管柱對(duì)駕駛員起到比較重要的作用。對(duì)于中等尺寸的轎車，在被動(dòng)約束系統(tǒng)中，據(jù)統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)向管柱吸收駕駛員總能量約18%左右。

圖1 被動(dòng)安全關(guān)聯(lián)示意圖

轉(zhuǎn)向管柱/方向盤是汽車發(fā)生碰撞時(shí)，駕駛員的頭、頸、胸與之發(fā)生二次碰撞的重點(diǎn)區(qū)域，對(duì)于被動(dòng)安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：

☆ 對(duì)氣囊（DAB）有效支撐，并保持承壓方向；

☆ 對(duì)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(zhuǎn)向管柱具有潰縮特性，理論設(shè)計(jì)有效潰縮距離至少應(yīng)≥60mm；

☆ 在轉(zhuǎn)向管柱/方向盤的潰縮路徑上，應(yīng)確保沒有相關(guān)零部件影響潰縮，考慮到如點(diǎn)火開關(guān)、護(hù)罩、IP等影響，實(shí)際試驗(yàn)中潰縮距離應(yīng)不低于40mm。

3 轉(zhuǎn)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(xiàng)目定義

項(xiàng)目啟動(dòng)后，根據(jù)立項(xiàng)輸入中的整車安全等級(jí)，確認(rèn)轉(zhuǎn)向管柱的潰縮性能，根據(jù)需要，合理定義轉(zhuǎn)向管柱潰縮性能。需要明確轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向管柱潰縮方案選用

轉(zhuǎn)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(jù)項(xiàng)目要求，選擇性價(jià)比最優(yōu)的方案組合，滿足性能要求。

選擇轉(zhuǎn)向管柱潰縮方案，盡量參考公司和供應(yīng)商成熟的潰縮機(jī)構(gòu)，對(duì)于潰縮塊、調(diào)節(jié)支架等需要開模的件，盡量在現(xiàn)有產(chǎn)品上選擇，盡可能降低開發(fā)成本和驗(yàn)證周期。前期產(chǎn)品定義時(shí)，可以考慮多個(gè)方案，

根據(jù)后期系統(tǒng)試驗(yàn)后，最終確認(rèn)最優(yōu)的方案進(jìn)行凍結(jié)。

3.3 管柱在整車上的布置

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

管柱在整車中進(jìn)行布置時(shí)，應(yīng)給出布置范圍，在滿足人機(jī)工程的前提下，盡量向著有利于轉(zhuǎn)向管柱潰縮的方向布置，因?yàn)椴贾靡坏﹥鼋Y(jié)，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(jù)上圖，可得出如下圖受力方程：

FT：沿轉(zhuǎn)向管柱軸線向下的潰縮力

FH：作用在轉(zhuǎn)向管柱上的水平力

FM：管柱與固定點(diǎn)的摩擦力

FP：管柱與固定點(diǎn)的正壓力

α：轉(zhuǎn)向管柱側(cè)向布置角度

N：轉(zhuǎn)向管柱拉脫塊的拉脫力

K：管柱與固定點(diǎn)的摩擦系數(shù)

根據(jù)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(shù)、拉脫力、水平方向的壓力下，轉(zhuǎn)向管柱側(cè)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(zhuǎn)向管柱就不可能會(huì)潰縮。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)向管柱側(cè)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(shí)候也有超過30°情況。正碰時(shí)駕駛員的運(yùn)動(dòng)方向，在不佩帶安全帶時(shí)是車輛的前后方向，佩帶安全帶時(shí)，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(cè)向布置角度越小越有利，一般轎車都有自身的人機(jī)特性，都有些不同，但盡可能設(shè)定在22～28°的范圍以內(nèi)。

3.4 布置數(shù)據(jù)（潰縮距離）校核

轉(zhuǎn)向管柱潰縮距離按照下面的順序逐個(gè)校核，見圖4。

3.5 管柱靜態(tài)壓潰潰縮力校核

根據(jù)結(jié)論，初步定義好轉(zhuǎn)向管柱總成潰縮力，根據(jù)總成潰縮力進(jìn)行分解，把每個(gè)小部件的吸能力設(shè)定好，見圖5。

根據(jù)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(yīng)該在定義的范圍內(nèi)，如圖6為定義的初始曲線。把轉(zhuǎn)向管柱模擬整車安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，進(jìn)行靜壓潰試驗(yàn)測(cè)量，最后測(cè)量出實(shí)際潰縮曲線，和設(shè)定值進(jìn)行比較，進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，最后得出設(shè)計(jì)曲線。

圖4 周邊件校核示意簡(jiǎn)圖

圖5

圖6 潰縮吸能曲線定義示意簡(jiǎn)圖

3.6 轉(zhuǎn)向管柱動(dòng)態(tài)壓潰

轉(zhuǎn)向管柱動(dòng)態(tài)壓潰，具體的試驗(yàn)指標(biāo)和方法，需要進(jìn)一步和碰撞試驗(yàn)室探討試驗(yàn)方法及其接受標(biāo)準(zhǔn)。

3.7 轉(zhuǎn)向管柱在被動(dòng)安全系統(tǒng)中驗(yàn)證

臺(tái)車試驗(yàn)時(shí)，把儀表橫梁、儀表板、儀表、轉(zhuǎn)向管柱、組合開關(guān)、組合開關(guān)護(hù)罩、點(diǎn)火鎖、方向盤裝配在臺(tái)車上，安裝被動(dòng)安全約束系統(tǒng)要求，把經(jīng)過靜壓潰試驗(yàn)后的轉(zhuǎn)向管柱裝配在臺(tái)車試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證前，需要檢查轉(zhuǎn)向潰縮通道是否滿足設(shè)計(jì)狀態(tài)。最后根據(jù)臺(tái)車試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，確認(rèn)轉(zhuǎn)向管柱是否需要優(yōu)化，見圖7。

3.8 轉(zhuǎn)向管柱在整車中碰撞驗(yàn)證

整車碰撞前需要做好準(zhǔn)備工作，轉(zhuǎn)向管柱主要在64Km/h的40%偏置碰和50Km/h的100%剛性壁碰撞進(jìn)行驗(yàn)證。轉(zhuǎn)向管柱裝車前檢測(cè)潰縮力（靜壓潰試驗(yàn)報(bào)告），裝車后檢查潰縮通道，試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)向管柱潰縮情況，討論轉(zhuǎn)向管柱的優(yōu)化方案，和優(yōu)化方向，見圖8。

圖7 被動(dòng)安全臺(tái)車驗(yàn)證示意簡(jiǎn)圖

圖8 整車碰撞驗(yàn)證示意簡(jiǎn)圖

4 結(jié)論

據(jù)統(tǒng)計(jì)，正面碰撞時(shí)方向盤、轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向器組成的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)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(zhuǎn)向管柱的安全設(shè)計(jì)至關(guān)重要，具體體現(xiàn)在吸能和潰縮兩個(gè)方面。從前文闡述中，歷經(jīng)設(shè)計(jì)輸入確認(rèn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析、各層級(jí)的實(shí)物驗(yàn)證，直至最終設(shè)計(jì)凍結(jié)，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)。