汽車四向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向管柱系統(tǒng)的分析與研究

馬衛(wèi)鋒，王明娣

(蘇州大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[1]是底盤系統(tǒng)的重要系統(tǒng)之一。隨著人們對汽車駕駛的安全性和舒適性要求的不斷提高，駕駛者越來越關(guān)注人機工程，而轉(zhuǎn)向管柱[2]是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要部件之一。目前轉(zhuǎn)向管柱逐步由傳統(tǒng)的固定式轉(zhuǎn)向管柱發(fā)展為角度可調(diào)式轉(zhuǎn)向管柱，再到四向可調(diào)式[3](角度可調(diào)和伸縮調(diào)節(jié))轉(zhuǎn)向管柱，使得方向盤有更多、更合理的操作位置，設(shè)計更具人性化。

目前主流的四向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向管柱，主要有懸臂梁式和管套管式。懸臂梁式的上護管或者下護管通常為鋁合金材料，由于裝配精度要求很高，所以很多部位需要精加工，成本較高；此外，該設(shè)計的調(diào)節(jié)機構(gòu)與吸能機構(gòu)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，下護管相比普通護管體積較大，不利于轉(zhuǎn)向管柱在整車中的布置。另外一種管套管式，上、下護管通過塑料襯套注塑脹緊連接，注塑壓力過大，伸縮調(diào)節(jié)力過大，舒適性變差，注塑壓力過小，上、下護管連接不夠緊密，還會導(dǎo)致固有頻率[4]低。固有頻率低可能會引起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與發(fā)動機發(fā)生共振，方向盤抖動會引發(fā)駕駛員的疲勞,并使駕駛舒適性與安全性受到影響[5]。

本文基于對某款助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(electric power steering，EPS)四向調(diào)節(jié)管柱的分析，利用TRIZ創(chuàng)新方法，通過建模、FEA分析等工具，設(shè)計了一種新型的四向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向管柱系統(tǒng)。本文的方法理論結(jié)合實際：有限元模態(tài)分析方法可以在設(shè)計前期進行預(yù)測、提高成功率；而試驗驗證又可以檢驗、補充和修正原始的有限元模型[6-7]。

1 四向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向管柱工作原理

轉(zhuǎn)向柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(column EPS，CEPS )[8]管套管式四向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖1所示。

1—下部安裝點；2—上部安裝點；3—調(diào)節(jié)支架；4—上護管；5—壓縮支架；6—調(diào)節(jié)手柄；7—下護管；8—助力單元。圖1 管套管式四向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

該套管式四向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力單元置于轉(zhuǎn)向管柱上。轉(zhuǎn)向管柱有上、下部安裝點并與整車支架安裝在一起。下部安裝點(即下部安裝吊耳)通過2個螺栓與車輛前部支架固定，轉(zhuǎn)向管柱與固定螺栓之間有旋轉(zhuǎn)的自由度；上部安裝點(即上部安裝支撐)通過螺栓與車輛支架固定，該安裝點處于完全固定狀態(tài)，無自由度。

調(diào)節(jié)手柄鎖止時，通過增力機構(gòu)擠壓調(diào)節(jié)支架變形，使得調(diào)節(jié)支架與壓縮支架夾緊抱死(其中調(diào)節(jié)支架安裝在上部安裝支撐上，壓縮支架焊接在上護管上)，此時為正常鎖止狀態(tài)。當調(diào)節(jié)手柄松開時，調(diào)節(jié)支架與壓縮支架由夾緊狀態(tài)釋放出間隙。因為上、下護管之間、轉(zhuǎn)向軸與上助力軸之間有足夠的重疊區(qū)域和導(dǎo)向長度，此時可前后調(diào)節(jié)方向盤，即伸縮調(diào)節(jié)； 由于只有上部安裝支撐通過螺栓固定在整車支架上，轉(zhuǎn)向護管以及安裝在其上的部件可繞著下部安裝吊耳、沿著調(diào)節(jié)支架的滑槽旋轉(zhuǎn)，即方向盤的角度調(diào)節(jié)，以上即為轉(zhuǎn)向管柱四向調(diào)節(jié)。待調(diào)節(jié)完畢，鎖止調(diào)節(jié)手柄即可。

2 基于TRIZ 技術(shù)矛盾與沖突分析

2.1 TRIZ理論[9]分析

TRIZ理論是阿奇舒勒在1946年創(chuàng)立的，其意義為發(fā)明問題的解決理論。在TRIZ理論中通過工程經(jīng)驗總結(jié)出48個工程參數(shù)和40條發(fā)明原理,見表1。TRIZ理論將矛盾分為兩類：技術(shù)矛盾是技術(shù)系統(tǒng)中兩個參數(shù)之間的矛盾；物理矛盾是技術(shù)系統(tǒng)中針對一個參數(shù)的矛盾。

表1 TRIZ理論40個發(fā)明原理

TRIZ理論解決問題的流程如圖2所示。

圖2 TRIZ理論解決問題的流程圖[10]

將TRIZ理論應(yīng)用于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計：待解決的問題如管柱同時具有高固有頻率和低滑動力，而管柱固有頻率的高低與伸縮調(diào)節(jié)力的大小都是通過注塑壓力這一個參數(shù)體現(xiàn)的。運用TRIZ理論，將其定義為物理矛盾?；瑒恿π〉囊笾话l(fā)生在調(diào)節(jié)過程中，而固有頻率高的要求恰好相反，只在手柄鎖死的工作狀態(tài)。兩者時間上無交叉，因此可以使用TRIZ 理論的時間分離原理。

根據(jù)文獻[11]中描述的分離原理與發(fā)明原理的對應(yīng)關(guān)系表查得，表1中原理15動態(tài)特性原理可用于該矛盾分析：使物體自動調(diào)節(jié)，以便在每個階段的性能達到最佳狀態(tài)；或使不動的物體設(shè)計為可動，或使其有柔性。

詳細分析如下：讓上、下護管常態(tài)處于“抱緊”狀態(tài)，緊密接觸以增大護管剛度，提高固有頻率；同時在上、下護管需要調(diào)節(jié)時，兩者接觸“松開”，以減小滑動力。

綜上，利用TRIZ理論將注塑壓力這單一參數(shù)抽象化為物理矛盾，并且在時間分離原理和發(fā)明原理中的動態(tài)特性原理指導(dǎo)下得到一般解: 固有頻率和滑動力的要求進行時間上的分離，具體解決方案在2.2節(jié)中詳細介紹。

2.2 問題的解決方案

新型管柱三維建模如圖3所示。該設(shè)計在管套、管式、管柱的基礎(chǔ)上增加了一些新穎的設(shè)計：上護管套入下護管。為了降低上護管外徑和下護管內(nèi)徑的加工難度，在上、下護管之間設(shè)計有一個塑料襯套，該襯套固定在下護管內(nèi)側(cè)。壓縮支架分為兩半，分別焊接在下護管上。在下護管上留有開口槽，槽口端部開口收窄，以控制變形量。

1—下護管；2—下護管開口槽放大圖；3—安裝支架；4—上護管；5—壓縮支架；6—塑料襯套。圖3 新型四向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向管柱爆炸圖

1)當手柄鎖死時(工作常態(tài))，通過2個凸輪壓緊安裝支架，安裝支架為U型開口，安裝支架變形夾緊壓縮支架，導(dǎo)致焊接在壓縮支架上的下護管開口槽變形夾緊塑料襯套以及上護管，這樣上、下護管處于“抱死”狀態(tài)，緊密接觸增大護管剛度，以得到較高的固有頻率；同時在塑料襯套的內(nèi)側(cè)，設(shè)計有若干個有一定寬度的加強筋，在護管潰縮時，增加摩擦力，同時在下護管上槽口有控制變形量的設(shè)計，這樣就可以保證有較為穩(wěn)定的摩擦力。 因此可以取消原設(shè)計的相關(guān)吸能機構(gòu)的零部件，如吸能鋼帶、保持架、拉脫塊等，這將會大大減少成本。

2)當手柄松開時(調(diào)節(jié)狀態(tài))，調(diào)節(jié)凸輪釋放間隙，上、下護管以及襯套處于自由狀態(tài)護管與襯套的正壓力大大降低，摩擦力非常小，此時進行方向盤伸縮調(diào)節(jié)就比較輕便。調(diào)節(jié)完畢，鎖上手柄，又回到工作狀態(tài)。

綜上，新設(shè)計取消注塑壓力控制固有頻率和滑動力的單一參數(shù)。基于TRIZ理論動態(tài)特性，將原本固定不動的壓縮支架，重新設(shè)計并留有開口。在工作常態(tài)時，壓縮支架受擠壓變形與護管"抱死"，因而獲取較高固有頻率；在調(diào)節(jié)狀態(tài)，釋放與護管的間隙以獲取較小的滑動力。管柱夾緊和釋放的受力示意圖見圖4。

圖4 新型管柱的夾緊與釋放的受力示意圖

3 FEA模態(tài)分析和試驗驗證

3.1 FEA模態(tài)分析

根據(jù)上述建模，對同等坐標下、同等安裝點、同等方向盤的工況下，進行分析如下：1)網(wǎng)格劃分，采取參數(shù)化網(wǎng)格劃分，每個網(wǎng)格大小約2～3 mm。2)零件簡化，將方向盤總成與助力單元按質(zhì)心和質(zhì)量進行簡化；將軸系簡化為Beam單元并設(shè)置對應(yīng)的內(nèi)、外徑；將軸承簡化為剛性體，在與之接觸的護管設(shè)置bushing單元，模擬對應(yīng)的接觸剛度；焊點簡化為剛性單元。3)約束，對調(diào)節(jié)手柄處的長螺栓加載對應(yīng)的預(yù)緊力，模擬擰緊狀態(tài)下護管收縮夾緊；對安裝點按螺栓擰緊的剛性連接狀態(tài)。4)材料設(shè)置，護管和支架等鋼材取彈性模量203 GPa、泊松比0.3，殼體等鋁材取彈性模量71 GPa、泊松比0.33。FEA模型如圖5所示。

圖5 FEA模態(tài)分析簡化模型

新設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)分析(固有頻率)結(jié)果如下：

垂向55 Hz(Min)；橫向52.5 Hz(Min)。

現(xiàn)有量產(chǎn)的該種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)：垂向約42 Hz(Min)；橫向約43 Hz(Min)。

3.2 試驗驗證

1) 模態(tài)測試

將轉(zhuǎn)向管柱原型樣件固定到試驗臺架上，采用錘擊法對4個樣件的多個調(diào)節(jié)極限位置和垂向、橫向分別測試，測試設(shè)備及安裝如圖6所示。其中一組模態(tài)測試曲線，如圖7所示。

圖6 模態(tài)試驗示例

圖7 模態(tài)試驗曲線

模態(tài)測試結(jié)果：垂向57.25 Hz(Min)；橫向53.25 Hz(Min)，與FEA結(jié)果非常接近，對比原量產(chǎn)轉(zhuǎn)向管柱有10 Hz左右的提升。詳細模態(tài)測試結(jié)果如表2所示。

表2 模態(tài)測試結(jié)果 單位：Hz

2) 伸縮調(diào)節(jié)力測試

將樣件固定到試驗臺架上，并且將調(diào)節(jié)手柄松開， 分別測試拉伸和壓縮工況下的調(diào)節(jié)力大小，其中一組伸縮力曲線如圖8所示。

圖8 伸縮調(diào)節(jié)力曲線

原設(shè)計伸縮調(diào)節(jié)力為80N(Max)，新設(shè)計測試結(jié)果不超過70N，調(diào)節(jié)力降低約10N，詳細調(diào)節(jié)力測試結(jié)果如表3。

表3 伸縮調(diào)節(jié)力測試結(jié)果 單位：N

由上述數(shù)據(jù)可以看出，新設(shè)計的四向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在固有頻率上有大幅度提升；而且伸縮調(diào)節(jié)力也有明顯降低。

4 結(jié)語

本文基于某款主流四向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分析，運用TRIZ理論設(shè)計新型的四向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向管柱，通過FEA仿真分析以及試驗驗證表明：該設(shè)計可以獲得較高固有頻率、較小的伸縮調(diào)節(jié)力，有效地提升了轉(zhuǎn)向管柱的性能；同時由于簡化了吸能機構(gòu)，可獲得較低的成本，為類似轉(zhuǎn)向管柱的性能提升和成本優(yōu)化提供技術(shù)參考和數(shù)據(jù)支持。