汽車轉(zhuǎn)向盤骨架材料應(yīng)用研究

中圖分類號：TH140.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20250020

Application Research on Automobile Steering Wheel Skeleton Materials

LiuWei，Wang Jun，Han Tengfei （Ramp;D CenterofGreatWall MotorCompany，BaodingO71000）

Abstract：Inorder toexplore the influenceof diferent materialsontheperformanceofautomobilesteering wheel skeletons，optimize steering whel lightweight designand Noise，Vibrationand Harshness （NVH） performance，this paper systematicallyanalyzes the appication of materialssuch assteel，aluminumalloy，magnesium alloy，Carbon FiberReinforced（CFRP）in automobile steering whee skeletons，comparesadvantagesand disadvantagesof those materials intermof performance.Inadition，finiteelementsimulation technology isadopted toanalyzethe influence of diferent materialson steering wheel skeleton modal frequency.Theresearchresults indicate that CFRPfeatures he highest modal frequency，followed bymagnesiumalloyandaluminumalloy，steelhasthe lowest modal frequency. Finauy，combined with vehicle types andusage scenarios，diferential suggestions on material selectionare proposed.

Keywords：Materials，Craft，Steeringwheelskeleton，Modal

1前言

在全球“雙碳”目標(biāo)與嚴(yán)苛燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)驅(qū)動下，節(jié)能減排成為汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新的核心方向，輕量化設(shè)計(jì)通過減輕整車質(zhì)量減少能耗與排放量，是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要方向，同時，材料的合理應(yīng)用是平衡輕量化與車輛優(yōu)良綜合性能的關(guān)鍵。

噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise，VibrationandHarshness，NVH）性能是衡量汽車品質(zhì)的重要指標(biāo)，直接影響駕乘體驗(yàn)和產(chǎn)品的市場競爭力。其中，轉(zhuǎn)向盤作為人機(jī)交互的關(guān)鍵部件，是駕駛者最容易感知的部位，其異常振動直接影響整車NVH水平和駕乘舒適性，嚴(yán)重時影響行車安全。

轉(zhuǎn)向盤骨架是轉(zhuǎn)向盤總成的核心承載部件，其剛度和質(zhì)量決定了模態(tài)頻率，隨著材料技術(shù)的快速發(fā)展，鋼、鋁、鎂合金及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等在骨架制造中得到了廣泛應(yīng)用，其性能表現(xiàn)各有差異。本文從制造工藝、模態(tài)頻率、材料特性等維度對4種骨架材料進(jìn)行分析，以期為NVH性能提升與輕量化設(shè)計(jì)提供參考。

2轉(zhuǎn)向盤骨架材料類型

2.1 鋼骨架

全鋼骨架憑借優(yōu)異的強(qiáng)度、硬度和良好的韌性，在結(jié)構(gòu)承載方面具備優(yōu)勢，但高硬度使其難以采用單純的壓力加工工藝成型，通常需采用輪緣、輪輻與輪轂焊接的復(fù)合制造方法。該工藝不僅對操作人員的技術(shù)水平要求較高，且存在加工精度低、規(guī)?；a(chǎn)難度大的問題。此外，鋼材密度較大、減振系數(shù)較低，與汽車輕量化的發(fā)展趨勢相悖。因此，鋼骨架轉(zhuǎn)向盤在乘用車領(lǐng)域的應(yīng)用較少，但在重型汽車等對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高、工作環(huán)境復(fù)雜惡劣的車型中，全鋼骨架能夠滿足極端工況下的承載需求，具有廣泛的應(yīng)用空間，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

2.2 鋁合金骨架

鋁合金材料具有高強(qiáng)度與耐腐蝕等優(yōu)異性能，相較于鋼材，鋁合金的密度小，在同等受力工況下，鋁合金產(chǎn)生的應(yīng)力更小，有助于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但鋁合金材料的減振系數(shù)較小，減振性能較差，在動態(tài)載荷作用下對振動和噪聲的抑制能力不足，難以滿足NVH性能要求。減振性能較差是制約鋁合金轉(zhuǎn)向盤骨架在高性能乘用車領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

2.3鎂合金骨架

鎂合金密度較小，僅為鋼材的1/4、鋁材的2/3，具備良好的減振、降噪性能。在轉(zhuǎn)向盤上使用鎂合金骨架符合汽車輕量化和節(jié)能化的發(fā)展趨勢。同時，鎂合金的安全性能優(yōu)異，在碰撞工況下，鎂合金轉(zhuǎn)向盤骨架能夠通過塑性變形吸收更多能量，提升安全防護(hù)水平，相較鋼、鋁合金等傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤骨架材料具備顯著的性能優(yōu)勢，目前，鎂合金骨架已成為主流。

然而，鎂合金材料存在固有的應(yīng)用局限性，其化學(xué)活性強(qiáng)，在潮濕環(huán)境下易發(fā)生電化學(xué)腐蝕與氧化，表面防護(hù)要求較高。同時，相較于鋁合金等材料，鎂合金成本較高，限制了其在經(jīng)濟(jì)型車型中的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量的優(yōu)勢3，在汽車零部件制造領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力，同時具備耐磨損、耐腐蝕和抗疲勞性能，其密度較低，為汽車輕量化提供有力支撐。碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)過程較復(fù)雜，涉及預(yù)浸料制備、鋪層設(shè)計(jì)、固化成型等工藝，成本較高，且制造過程中易出現(xiàn)微裂紋等缺陷。目前，碳纖維復(fù)合材料在轉(zhuǎn)向盤骨架的規(guī)?；瘧?yīng)用尚未普及，但憑借其科技質(zhì)感與外觀優(yōu)勢，已逐步在轉(zhuǎn)向盤外飾部分應(yīng)用，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3轉(zhuǎn)向盤骨架制作工藝

3.1 鋼材骨架制作工藝

鋼材硬度高，難以通過單一壓力加工成型，當(dāng)前，鋼材轉(zhuǎn)向盤骨架多采用將輪緣、輪輻和輪轂復(fù)合焊接工藝，如圖5所示，該工藝涉及多道工序協(xié)同，對工人的操作熟練度與經(jīng)驗(yàn)要求較高，焊接參數(shù)的微小偏差可能導(dǎo)致尺寸誤差與結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)而影響制造精度。同時，受限于手工操作占比較高、自動化集成度不足等因素，該工藝在規(guī)?；慨a(chǎn)方面存在瓶頸。

3.2鋁合金與鎂合金骨架制作工藝

鋁合金和鎂合金骨架多采用壓力鑄造成型，其工藝流程如圖6所示，包含模具預(yù)熱、金屬熔煉、高壓充填型腔、冷卻凝固及脫模后處理等工序。其原理為在高壓作用下，使液態(tài)或半液態(tài)合金以較高速度注入壓鑄模型腔中，在高壓下凝固成型。壓鑄件產(chǎn)品表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、成本低，但對于凹凸不平、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件，壓鑄成型較為困難，因此，骨架設(shè)計(jì)需避免結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。

節(jié)鋪層厚度與設(shè)計(jì)成型結(jié)構(gòu)，且無需復(fù)雜的大型設(shè)備，多次加工不會損傷內(nèi)部結(jié)構(gòu)，工藝過程如圖7所示，首先，進(jìn)行預(yù)浸料制備，采用樹脂浸潤劑浸漬碳纖維絲束，使樹脂均勻地附著在碳纖維表面，形成浸料，過程中需要精確調(diào)控樹脂含量、浸漬速率以及溫度參數(shù)，保障碳纖維與樹脂之間的界面結(jié)合強(qiáng)度。隨后，采用模壓成型技術(shù)，按骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求將預(yù)浸料鋪設(shè)于模具內(nèi)，在高溫、高壓工況下完成塑形。塑性完成后進(jìn)入固化階段，通過嚴(yán)格控制溫度、壓力和時間，促使成型后的碳纖維骨架樹脂完全交聯(lián)固化，形成高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料。最后，對固化后的碳纖維制品進(jìn)行修邊、打磨等后處理，確保尺寸精度與表面質(zhì)量。

4轉(zhuǎn)向盤模態(tài)頻率研究分析

在汽車運(yùn)行工況下，轉(zhuǎn)向盤持續(xù)承受路面不平度激勵、發(fā)動機(jī)振動傳遞及車身動態(tài)響應(yīng)等多源載荷，若轉(zhuǎn)向盤模態(tài)頻率與激勵頻率接近，會引發(fā)共振效應(yīng)導(dǎo)致振動響應(yīng)顯著放大。因此，模態(tài)頻率是衡量轉(zhuǎn)向盤動態(tài)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，需精準(zhǔn)控制。此外，轉(zhuǎn)向盤骨架的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、彎曲疲勞性能、耐腐蝕特性等均為衡量轉(zhuǎn)向盤骨架性能的重要指標(biāo)。

碳纖維材料可加工性好，可根據(jù)設(shè)計(jì)需要調(diào)

本文基于數(shù)值仿真技術(shù)，運(yùn)用仿真分析工具對轉(zhuǎn)向盤模態(tài)開展仿真分析對比。

4.1仿真分析建模

采用有限元法構(gòu)建轉(zhuǎn)向盤動力學(xué)仿真模型，該模型整合車身結(jié)構(gòu)、儀表板加強(qiáng)梁、轉(zhuǎn)向管柱及轉(zhuǎn)向盤總成，各部件形貌結(jié)構(gòu)統(tǒng)一通過有限元網(wǎng)格模擬表征，仿真模型架構(gòu)如圖8所示。

3.3碳纖維骨架制作工藝

4.2 材料屬性對比

固有模態(tài)頻率作為結(jié)構(gòu)動力學(xué)的核心參數(shù)，是部件的固有屬性，其數(shù)值主要由部件質(zhì)量和剛度決定。其中，部件質(zhì)量由結(jié)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型、材料密度共同決定，而材料剛度受彈性模量、泊松比影響。由于材料參數(shù)在實(shí)際生產(chǎn)過程會受到原材料純度、成型溫度場分布、加工工藝參數(shù)等因素影響，存在一定波動范圍，本文基于工程實(shí)踐中實(shí)測的材料性能數(shù)據(jù)，對4種轉(zhuǎn)向盤骨架材料進(jìn)行對比，具體參數(shù)如表1所示。

由表1可知，鋼材密度最大，為 7.8g/cm³ ，碳纖維復(fù)合材料密度最低，為 1.6g/cm³ ，鋁、鎂合金密度介于二者之間。彈性模量對比顯示，碳纖維因取向增強(qiáng)特性呈現(xiàn)顯著優(yōu)勢，為 320GPa ，鋼材次之，為 205GPa ，鋁、鎂合金相對較低。4種材料的泊松比差異較小。

4.3模態(tài)仿真結(jié)果對比

本研究聚焦材料屬性對轉(zhuǎn)向盤模態(tài)性能的影響，固定轉(zhuǎn)向盤結(jié)構(gòu)參數(shù)，僅改變骨架材料類型進(jìn)行對比分析。仿真結(jié)果著重考察轉(zhuǎn)向盤上、下與左、右2個主振型方向的模態(tài)頻率特性，典型振型形態(tài)如圖9、圖10所示。

不同材料骨架轉(zhuǎn)向盤模態(tài)頻率對比如表2所示。

由表2可知，鋼材骨架轉(zhuǎn)向盤模態(tài)頻率最低，易產(chǎn)生振動問題，鋁、鎂合金骨架轉(zhuǎn)向盤在上、下與左、右振型方向的模態(tài)頻率較鋼材分別提高 6～8Hz ，有效改善了低頻振動響應(yīng)。碳纖維復(fù)合材料骨架憑借高比剛度特性，其模態(tài)頻率比鋼材提高 8～10Hz ，展現(xiàn)出最優(yōu)的振動抑制性能，有利于控制轉(zhuǎn)向盤振動。鋁合金與鎂合金在模態(tài)頻率的表現(xiàn)上較為接近，均顯著優(yōu)于鋼材骨架。

5 結(jié)束語

基于模態(tài)頻率優(yōu)化與工程應(yīng)用場景的綜合考量，轉(zhuǎn)向盤骨架材料的優(yōu)先選擇順序?yàn)樘祭w維復(fù)合材料、鎂合金、鋁合金、鋼材，盡管現(xiàn)階段碳纖維材料受限于制造成本與工藝復(fù)雜性，但隨著技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，碳纖維有望得到大范圍應(yīng)用[5]。

在實(shí)際工程選型中，應(yīng)依據(jù)車輛類型與使用需求制定差異化選材策略：輕型載貨汽車、重型載貨汽車、客車等大型車輛轉(zhuǎn)向力矩較大，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)負(fù)載大、工況嚴(yán)苛，對骨架材料的強(qiáng)度與可靠性要求更高，轉(zhuǎn)向盤骨架可選用制造工藝成熟、高承載能力的鋼材；家用乘用車轉(zhuǎn)向力矩小、舒適性要求高，可選用密度低、減振性能良好及已規(guī)?；瘧?yīng)用的鎂合金骨架，目前，鎂合金已廣泛應(yīng)用于家庭乘用車，高端豪華車型可選用碳纖維復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)升級與品牌溢價，但需期待碳纖維技術(shù)的綜合性能提升及成本降低。

綜上所述，轉(zhuǎn)向盤骨架材料的選擇是多目標(biāo)優(yōu)化過程，需權(quán)衡材料密度、制造成本、成型工藝復(fù)雜度及動態(tài)性能等關(guān)鍵指標(biāo)，結(jié)合具體應(yīng)用場景制定科學(xué)合理的選材方案，方能實(shí)現(xiàn)車輛性能與經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡。

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