A380與AlSi9Cu3對(duì)內(nèi)潰式轉(zhuǎn)向管柱性能影響分析

摘 要：隨著中國(guó)汽車行業(yè)的發(fā)展，消費(fèi)者的主觀感受對(duì)乘用車產(chǎn)品的性能提出了越來越高的要求。在乘用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向管柱剛度和模態(tài)頻率性能會(huì)直接影響消費(fèi)者的駕駛主觀體驗(yàn)，因此對(duì)于乘用車轉(zhuǎn)向管柱的剛度和頻率性能優(yōu)化研究十分必要。文章通過轉(zhuǎn)向管柱產(chǎn)品零部件材料對(duì)比，選用乘用車轉(zhuǎn)向管柱市面上最常用的兩種鑄造材料A380和AlSi9Cu3，基于Abaqus有限元分析手段，分析出兩種不同材質(zhì)對(duì)某一個(gè)內(nèi)潰式轉(zhuǎn)向管柱產(chǎn)品的剛度和模態(tài)頻率的影響，結(jié)果指出在剛度和頻率的維度上，A380材質(zhì)均要略優(yōu)于AlSi9Cu3材質(zhì)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向管柱 有限元分析 剛度 模態(tài)頻率

目前乘用車市場(chǎng)價(jià)格戰(zhàn)愈演愈烈，汽車品牌各種車型均在打價(jià)格戰(zhàn)，在價(jià)格戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，乘用車產(chǎn)品各項(xiàng)性能仍需要保持較高水準(zhǔn)，保證消費(fèi)者較好的主觀體驗(yàn)。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是保證乘用車駕駛安全最重要的一級(jí)零部件。其中，轉(zhuǎn)向管柱是乘用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分，連接方向盤與前車輪轂之間的下轉(zhuǎn)向機(jī)。駕駛員通過操縱方向盤，使轉(zhuǎn)向管柱、下轉(zhuǎn)向機(jī)操縱車輛的行駛方向。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)汽車的行駛安全是十分重要的，轉(zhuǎn)向管柱作為駕駛者操控汽車行駛方向的重要部件，其安全性和可靠性顯得尤為重要。

在評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向管柱性能指標(biāo)當(dāng)中，剛度性能和模態(tài)頻率是轉(zhuǎn)向管柱DVP技術(shù)要求中重要一項(xiàng)，該兩項(xiàng)指標(biāo)會(huì)影響轉(zhuǎn)向管柱應(yīng)用在一定的工作條件下，在它的結(jié)構(gòu)變形量或者發(fā)生失效損壞的概率高低。目前最主流用于制造轉(zhuǎn)向管柱鑄造底板支架的材質(zhì)為鋁合金材質(zhì)，牌號(hào)分別為A380和AlSi9Cu3，這兩種材質(zhì)在價(jià)格上，AlSi9Cu3具有一定的優(yōu)勢(shì)，在23年的原材料采購(gòu)市場(chǎng)上，AlSi9Cu3較A380便宜約1元/kg。那么具體兩種不同牌號(hào)的材質(zhì)，對(duì)于某一種特定結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向管柱的剛度和模態(tài)頻率的性能影響，目前尚未有詳細(xì)的研究。

1 內(nèi)潰式轉(zhuǎn)向管柱結(jié)構(gòu)介紹

本文引用一種內(nèi)潰式轉(zhuǎn)向管柱，其主要組成零部件包括轉(zhuǎn)向軸總成、上柱管、管柱支架、緊定螺栓、導(dǎo)向夾、彈簧、下柱管、下支架、旋鉚銷軸、鎖定手柄等。轉(zhuǎn)向軸總成通常是用于安裝方向盤，上端加工有連接花鍵，下端焊有萬向節(jié)總成與轉(zhuǎn)向器連接，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)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。其潰縮機(jī)理：當(dāng)轉(zhuǎn)向管柱受到外界劇烈的軸向沖擊力，沖擊力的數(shù)值大于剪切塊注塑保持力和上柱管與下柱管摩擦力的合力時(shí)，U型支架與剪切塊會(huì)瞬間掙脫，U型支架與上管一起向下沿著下管潰縮，潰縮距離大于80mm，可以防止駕駛員因巨大的慣性面部撞擊到方向盤上，有效保證事故發(fā)生時(shí)駕駛員的安全。

本文中轉(zhuǎn)向管柱的支架靠螺栓固定，而轉(zhuǎn)向柱安裝支架用螺栓安裝在模塊橫梁上。因此，轉(zhuǎn)向柱的兩個(gè)安裝點(diǎn)具有較寬的空間，有利于保持轉(zhuǎn)向柱的穩(wěn)定。設(shè)計(jì)角度初步分析增加管柱的固有頻率和剛度。

2 對(duì)比A380 & AlSi9Cu3材料底板支架剛度和模態(tài)分析

通過以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來，有限元仿真已經(jīng)具備與真實(shí)汽車零部件試驗(yàn)對(duì)標(biāo)的可靠性和準(zhǔn)確性，有限元仿真分析可以快速地提升產(chǎn)品性能驗(yàn)證的周期，為了保證避免資源的浪費(fèi)，在正式開模、加工、采購(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu)之前，采用先行的仿真計(jì)算工作，可以比較準(zhǔn)確地評(píng)估優(yōu)化后方案的有效性。對(duì)于優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步的有限元分析計(jì)算，可以有效地評(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)于目標(biāo)性能的影響情況，有效節(jié)省工裝、開模等費(fèi)用。

CAE計(jì)算擁有眾多專業(yè)的軟件，可以有效處理結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等專業(yè)仿真計(jì)算。針對(duì)此電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向管柱振動(dòng)耐久性能優(yōu)化的CAE計(jì)算，分為仿真前處理及后處理過程。前處理采用Hypermesh進(jìn)行模型處理、材料添加、邊界條件處理，后處理采用ABAQUS，主要針對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后其固有頻率的變化進(jìn)行計(jì)算。

2.1 A380 & AlSi9Cu3材料性能分析

A380型鋁合金是最普遍的專用鋁合金，因?yàn)樗狭艘阻T模，便于機(jī)械加工，熱傳導(dǎo)好等特性。遷移性，承壓力，和抗高溫分裂性都很強(qiáng)。雖然A380型一直被認(rèn)為便于機(jī)械加工，但由于其較高的硅含量，使其表面粗糙度略高。

AlSi9Cu3型鋁合金是一種具有特定成分配比的鋁合金，設(shè)計(jì)用于特定的應(yīng)用場(chǎng)合。硅含量相比之下較高，所以它適用于需要良好鑄造性能和耐磨性的應(yīng)用。同時(shí)，銅和鎂的添加增強(qiáng)了合金的強(qiáng)度和硬度，為了平衡這些性能，鋅和鐵的含量則被嚴(yán)格控制，確保合金的耐腐蝕性。這種合金可能比某些其他類型的鋁合金（如ADC10）在耐鑄造性和耐腐蝕性方面表現(xiàn)更理想，在裂紋抵抗性方面略微好一些。

2.2 剛度和模態(tài)頻率有限元前處理

模態(tài)頻率是內(nèi)潰式機(jī)械管柱一項(xiàng)重要的固有屬性，可以描述轉(zhuǎn)向管柱的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)頻率都有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。其中固有頻率從一階一直到無窮階，常用的乘用車零部件工程案例分析通常采取1-6階即可滿足工況需求。剛度是描述轉(zhuǎn)向管柱抵抗駕駛員拉拽的變形能力，剛度強(qiáng)弱也會(huì)影響管柱在整車碰撞過程中抵抗變形的能力。

前處理：分別添加A380和AlSi9Cu3不同的零件材料屬性到轉(zhuǎn)向管柱的底板支架上賦值，然后添加所有轉(zhuǎn)向管柱的零部件接觸關(guān)系，添加底板支架四點(diǎn)固定約束及載荷，劃分網(wǎng)格，如圖２。

計(jì)算：剛度和模態(tài)頻率動(dòng)力學(xué)模塊計(jì)算。

后處理：添加剛度和模態(tài)固有頻率結(jié)果，取前第2階固有頻率及振型。

2.3 剛度和模態(tài)頻率有限元結(jié)果及分析

管柱結(jié)果通過名義位置的水平和垂直位置來進(jìn)行分析，CAE云圖分析結(jié)果如圖3、4、5、6所示。

剛度及模態(tài)頻率結(jié)果參數(shù)如表3所示。

通過上述數(shù)據(jù)可以看出，以A380材料為底板支架的轉(zhuǎn)向管柱無論是在模態(tài)頻率，還是在剛度頻率上，均要略高于AlSi9Cu3材質(zhì)，其中在水平名義位置的一階頻率上，A380材料管柱比AlSi9Cu3材質(zhì)高0.9Hz，在垂直名義位置的二階頻率上，A380材料管柱比AlSi9Cu3材質(zhì)高0.8Hz，在水平名義位置的剛度上，A380材料管柱比AlSi9Cu3材質(zhì)高11N/mm，在垂直名義位置的剛度上，A380材料管柱比AlSi9Cu3材質(zhì)高7N/mm。

3 結(jié)束語

伴隨著新能源汽車的快速發(fā)展，中國(guó)乘用車市場(chǎng)的高速發(fā)展，對(duì)轉(zhuǎn)向管柱等重要零部件的仿真和試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求也越來越苛刻。本文運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、有限元計(jì)算輔助設(shè)計(jì)驗(yàn)證的思路，對(duì)市面上最常用的兩種轉(zhuǎn)向管柱支撐底板的鑄造材質(zhì)A380和AlSi9Cu3鋁合金材質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，探究不同材質(zhì)對(duì)常用的內(nèi)潰式結(jié)構(gòu)的剛度和頻率性能的影響，其結(jié)果表現(xiàn)出A380對(duì)剛度和頻率的表現(xiàn)要稍微優(yōu)于AlSi9Cu3。但結(jié)合原材料采購(gòu)價(jià)格及產(chǎn)品性能需求，在轉(zhuǎn)向管柱設(shè)計(jì)過程中應(yīng)綜合考慮。

本文運(yùn)用的研究方法不僅可以用于內(nèi)潰式轉(zhuǎn)向管柱的剛度和模態(tài)頻率性能對(duì)比分析，例如管柱的振動(dòng)噪聲性能、扭矩波動(dòng)特性等一系列性能，都可以運(yùn)用該思路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效節(jié)約時(shí)間、費(fèi)用成本，加快設(shè)計(jì)周期，滿足日益快速的整車設(shè)計(jì)周期要求。

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