轉向管柱碰撞吸能性能優(yōu)化分析

周雪巍，王孔龍，王月玲，高 峰，馬 慧，王華拓Zhou Xuewei，Wang Konglong，Wang Yueling，Gao Feng，Ma Hui，Wang Huatuo

?

轉向管柱碰撞吸能性能優(yōu)化分析

周雪巍，王孔龍，王月玲，高 峰，馬 慧，王華拓Zhou Xuewei，Wang Konglong，Wang Yueling，Gao Feng，Ma Hui，Wang Huatuo

（北京汽車工程研究總院，北京 101300）

針對汽車轉向管柱在整車碰撞測試過程中出現(xiàn)的吸能不足現(xiàn)象，通過對吸能因素、壓潰距離和潰縮機理進行分析，優(yōu)化整體性能，并對優(yōu)化后的性能進行CAE仿真和實車驗證。

轉向管柱；碰撞；潰縮吸能

0 引 言

轉向管柱作為傳遞駕駛員轉向意圖到車輪的部件，具有減小路面?zhèn)鬟f給駕駛員噪聲和振動的功能，還可以在車輛發(fā)生碰撞時充分吸收碰撞能量，減小碰撞對駕駛員的傷害，國標中特別規(guī)定汽車轉向機構在碰撞中的移動量及其對駕駛員的傷害限值。

正面碰撞時造成人員傷害的部位主要集中在頭部、胸部及腿部，其中由轉向盤、轉向管柱和轉向器組成的轉向系統(tǒng)對駕駛員的傷害占比達46%，在轉向系統(tǒng)中降低碰撞傷害的主要措施依賴于轉向管柱。

轉向管柱的潰縮結構很多，常見的有花鍵軸及花鍵套式、尼龍銷式、鋼珠滾壓式和套管擠壓吸能式等，但基本都是利用摩擦力、材料剪切變形和材料變形來吸收能量。根據(jù)整車碰撞經(jīng)驗，轉向管柱最好具有多級潰縮機構，初始潰縮力應小于2 500 N，但有些管柱由于成本結構的原因，只有一級潰縮機構，為保證可靠性，潰縮力可以控制在4 500 N以下。潰縮行程一般要求達到60 mm以上，且整個管柱潰縮行程不得與其他剛性邊界干涉。

某轉向管柱的結構如圖1所示，潰縮機構由上管柱體、下管柱體及變形支架組成，變形支架通過拉脫塊和剪切銷與儀表臺橫梁固定。當汽車發(fā)生正面碰撞時，碰撞沖擊傳到轉向盤，先由轉向盤和安裝氣囊吸收沖擊能量，當沖擊載荷超過一定限值時，剪切銷被剪斷，變形支架帶著上管柱體和下管柱體剪斷樹脂銷，與拉脫塊分離，在脫離儀表臺橫梁的過程中上管柱體和下管柱體被壓潰，潰縮過程中利用管柱內外管接觸部分的摩擦阻力進一步吸收碰撞沖擊能量。

通過對汽車轉向管柱在整車碰撞測試過程中出現(xiàn)的吸能不足現(xiàn)象進行優(yōu)化改進，分析潰縮結構對整車碰撞吸能的影響。

1 整車碰撞吸能不良問題分析

某車型在40%偏置碰撞試驗中，僅得分6.9分，滿分18分，其中駕駛員頭部3 m/s2加速度超標，僅得0.720分（滿分4分）。從試驗錄像中發(fā)現(xiàn)，在碰撞過程中轉向管柱在車輛縱向和垂向出現(xiàn)較大的跳動量，對完成碰撞的轉向管柱進行三坐標尺寸測量，發(fā)現(xiàn)車輛的縱向和垂向均超過對應部位的高性能限值，頭部罰分1.000分，胸部罰分0.405分。如圖2所示，轉向盤位置有比較明顯的移動。

對該轉向管柱進行拆解，發(fā)現(xiàn)轉向管柱上固定點拉脫塊有一側未脫落，如圖3所示方框區(qū)域Ⅰ，區(qū)域Ⅱ也出現(xiàn)了明顯的變形。如圖4所示，在儀表臺橫梁上殘留有一塊拉脫塊，駕駛艙前圍的孔也已經(jīng)出現(xiàn)較為明顯的變形。

轉向管柱的拉脫塊與變形支架之間采用的剪切銷為矩形結構，矩形剪切銷由于受力面大，能夠較好地消減路面?zhèn)鱽淼恼駝?，但壓潰力也較大，該車轉向管柱的壓潰力曲線如圖5所示，最高壓潰力為4 500 N。

該車轉向管柱設計由于成本原因，轉向系統(tǒng)從前機艙轉向器到轉向管柱固定點成直線布置，這樣導致碰撞時，車身發(fā)動機艙變形后帶動轉向中間軸向后侵入時直接傳力至轉向管柱；另外，轉向管柱上固定點在IP橫梁上，下固定點在車身前圍上，車身前圍的侵入直接導致轉向管柱繞上固定點轉動，導致氣囊展開方向受到影響而被扣分。如果轉向中間軸向后侵入時轉向管柱能及時潰縮，脫離儀表臺橫梁，那么此時車身前圍的侵入就不會使轉向管柱發(fā)生轉動，因為轉向管柱已經(jīng)發(fā)生潰縮并脫離儀表臺橫梁。

2 轉向管柱吸能性能優(yōu)化與驗證

為使轉向管柱及時發(fā)生潰縮，更容易從儀表臺橫梁上脫出，將轉向管柱的剪切銷由矩形更改為三角形，減小其受力面積，前后方案對比如圖6所示，由此將壓潰力曲線上的最高壓潰力從4 500 N降至3 500 N，如圖7所示。

對更改前、后的轉向管柱跳動量進行CAE仿真對比，如圖8所示，分析發(fā)現(xiàn)改進后轉向管柱在碰撞時的跳動量降低了60%以上，改進效果明顯。

改進后的轉向管柱裝車進行整車碰撞驗證，轉向管柱潰縮77 mm，如圖9所示，駕駛員頭部沒有受到來自轉向管柱的沖擊力，相比改進前的轉向管柱，碰撞跳動量從整車外觀來看無明顯變化，如圖10所示。整車碰撞試驗得分達到14分，獲得理想的改進效果。

3 結 論

1）對于轉向系統(tǒng)從前機艙轉向器到轉向管柱固定點成直線布置的結構，轉向管柱若只有一級潰縮結構，其最大潰縮力應盡量低，控制在3 500 N左右能達到一定碰撞吸能要求。

2）對于采用一級潰縮機構的轉向管柱，其與儀表臺橫梁的潰縮結構設計所采用的剪切銷形狀，三角形結構比矩形結構更有利于碰撞吸能。

3）在轉向管柱碰撞跳動量分析中，跳動量沒有一個很好的經(jīng)驗值，從本例優(yōu)化方案來看，車輛垂向（向）跳動在100 mm以內，能更好地保護駕駛員頭部不受傷害。

[1]劉海峰. 汽車轉向管柱與人體模塊碰撞吸能研究[D]. 廣州：華南理工大學，2013.

[2]高明. 轉向管柱吸能機構的設計與CAE分析[D]. 上海：上海交通大學，2013.

[3]汪杰強. 吸能轉向管柱開發(fā)與應用[J]. 企業(yè)科技與發(fā)展，2008（18）：93-94.

[4]劉曉丹，劉月，鄭沖，等. 轉向管柱吸能結構介紹[J]. 科技與企業(yè)，2014（9）：300.

[5]陳豐. 汽車吸能防傷轉向機構的設計分析[J]. 機械制造，2010，48（10）：27-29.

1002-4581（2017）03-0037-03

U463.43：U467

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.03.009