汽車EPS轉(zhuǎn)向柱潰縮機構(gòu)動態(tài)性能分析與結(jié)構(gòu)改進研究

張維

【摘 要】在汽車正面碰撞過程中，具有良好碰撞性能的轉(zhuǎn)向柱對保護駕駛員的安全極其重要。針對這個問題，以微型轎車轉(zhuǎn)向柱為研究對象，運用有限元分析軟件ANSYS軟件對其進行模態(tài)和剛度分析，了解其動態(tài)性能，對轉(zhuǎn)向柱潰縮結(jié)構(gòu)輸入軸上下部、上下套筒以及定位保險塊三方面進行優(yōu)化改進設(shè)計，再通過試驗分析得出改進后的結(jié)構(gòu)潰縮力平穩(wěn)并達到使用要求。

【關(guān)鍵詞】有限元；轉(zhuǎn)向柱；潰縮；試驗

0 概述

轉(zhuǎn)向柱是汽車EPS的最基本組成部件之一，是汽車上重要配件，決定汽車行駛可靠性和安全性，根據(jù)交通部的統(tǒng)計資料和對汽車碰撞試驗的研究，當汽車發(fā)生正面碰撞時，有46%的駕駛員傷害都是由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向器等轉(zhuǎn)向機構(gòu)造成的[1]。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，設(shè)計的性能要求越來越高。轉(zhuǎn)向柱主要用來支撐轉(zhuǎn)向盤及傳動軸等，潰縮吸能性能也越來越重要。其良好的功能能改善車輛舒適度，提高車輛操作穩(wěn)定性。避免轉(zhuǎn)向柱低階模態(tài)頻率過低，與發(fā)動機的頻率重合產(chǎn)生共振，降低噪聲，提高汽車NVH性能。本文利用ANSYS軟件對其進行模態(tài)和剛度分析，了解其動態(tài)性能，從而對轉(zhuǎn)向柱進行優(yōu)化設(shè)計，并通過試驗驗證改進后的結(jié)構(gòu)能達到使用要求。

1 轉(zhuǎn)向柱有限元分析

1.1 有限元模型的建立

由于轉(zhuǎn)向柱為薄壁零件，型較復(fù)雜，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2mm，分析單元均采用殼單元SHELL181.轉(zhuǎn)向柱材料密度為7850kg/m3、彈性模量2.06×1011Pa、泊松比0.3。劃分網(wǎng)格，得到66170個節(jié)點，232770個單元。上下支架限制全部自由度，上下軸承限制轉(zhuǎn)向軸向移動，方向盤等量質(zhì)量塊重約2.8kg，作用于轉(zhuǎn)向軸上端并與軸線平行。

1.2 轉(zhuǎn)向柱模態(tài)分析

為了研究轉(zhuǎn)向柱在支撐架、上下軸承和方向盤集中載荷作用下的固有振動特性，分析前四階模態(tài)，得到前四階固有頻率和振型。

轉(zhuǎn)向柱第一至第四階的固有頻率分別為25.787、26.755、37.787、78.769Hz。為了避開怠速時方向盤抖動，可以設(shè)置轉(zhuǎn)向柱的一階模態(tài)值，從而為轉(zhuǎn)向柱結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化提供參考。

1.3 轉(zhuǎn)向柱剛度分析

方向盤轉(zhuǎn)動使EPS轉(zhuǎn)向柱下端則受到來自轉(zhuǎn)向器的阻抗力偶作用，上端受到扭矩作用，因此對轉(zhuǎn)向柱進行剛度分析主要是求其扭轉(zhuǎn)角的大小，以驗證器結(jié)構(gòu)是否達到強度要求，以及為其結(jié)構(gòu)改進提供依據(jù)。在輸入軸施加扭矩400Nm，邊界約束條件與模態(tài)分析一致。轉(zhuǎn)向柱的總變形量最大值為0.716mm，且發(fā)生在輸入軸下部與輸出軸的配合處。

2 汽車EPS潰縮結(jié)構(gòu)改進

在利用ANSYS分析的基礎(chǔ)上，對汽車EPS轉(zhuǎn)向柱中的潰縮結(jié)構(gòu)進行改進。由于新法規(guī)對EPS管柱總成潰縮要求的提高，管柱總成潰縮力大小及穩(wěn)定性，已成為各汽車廠考核的一大重點。而潰縮力的大小及穩(wěn)定性與管柱的整體結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。針對這一情況，分析現(xiàn)有產(chǎn)品，雖然潰縮部份具體結(jié)構(gòu)有所差異，但總體來說均是由輸入軸上下部、上下套筒以及定位保險塊三部分組成。從這三方面入手，具體對各方面的潰縮結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

2.1 輸入軸上下部

現(xiàn)輸入軸上下部改進前后的潰縮結(jié)構(gòu)，在設(shè)計上都是在輸入軸上下部之間注塑聚甲醛，通過剪切聚甲醛形成的圓柱銷而發(fā)生輸入軸上下部的潰縮。兩種結(jié)構(gòu)的不同點在于：如果輸入軸上下部的花鍵配合精度達不到要求，則改進前的結(jié)構(gòu)潰縮力明顯會大于改進后的潰縮力，而且潰縮力波動非常大。

從試驗結(jié)果看，改進后結(jié)構(gòu)潰縮力很穩(wěn)定，造成這種結(jié)果的原因有兩點：第一是注塑壓力。改進后結(jié)構(gòu)的注塑壓力較小，則潰縮力較小，即使注塑壓力加大，其一致性還是較好；第二是花鍵配合精度。由于花鍵配合存在間隙，注塑的聚甲醛會將間隙填滿，導致潰縮時存在很大的摩擦力，并且這種摩擦力隨花鍵配合間隙的大小而變化，很不穩(wěn)定，從而導致潰縮力的不穩(wěn)定。改進后結(jié)構(gòu)的花鍵由于注塑結(jié)構(gòu)只是沿圓周四點注塑聚甲醛，摩擦力相對來說較小，因而對潰縮力的影響也較小。

2.2 上下套筒

改進前的結(jié)構(gòu)采用下套筒沖四條筋，并對筋補充加工以滿足尺寸要求，然后將上套筒與下套筒通過過盈配合壓裝到位，以達到潰縮的目的。此結(jié)構(gòu)在碰撞時，由于沖擊力會給管柱較大的徑向剪切力，此時下套筒上的筋就會剪切上套筒內(nèi)壁，增大潰縮載荷。

改進后的結(jié)構(gòu)采用八點凹筋結(jié)構(gòu)，在上套筒外圓處向內(nèi)沖鉚8處，保證內(nèi)壁形成8個長方形面，通過工裝壓裝，直接與下套筒外圓柱面過盈配合。此結(jié)構(gòu)方式在潰縮時，由于是8點接觸 ，徑向剪切力的作用對潰縮力影響不大，因此潰縮力差異不大。

從試驗結(jié)果看，該結(jié)構(gòu)的一致性很好，最大潰縮載荷基本都在（1.5～1.8）kN的范圍內(nèi)，并且潰縮的保持力波動不大，一致性也較好。

2.3 定位保險塊

改進前潰縮方式采用向鑄鋁成型的定位保險塊的8個孔內(nèi)注入聚甲醛而與安裝板連接。由于鑄鋁與鋼板之間的摩擦系數(shù)大，因此，摩擦力也很大，因撞擊時壓力可能不同，所以，摩擦力的大小變化差異也很大。同時，潰縮時需要沖斷8個點，因此潰縮載荷較大且變化范圍大。

改進后結(jié)構(gòu)采用定位保險塊與定位保險塊蓋板組裝在一起與安裝板連接，定位保險塊蓋板與定位保險塊均為塑料件，摩擦系數(shù)很小，故摩擦力就比較小，受側(cè)向壓力大小變化的影響的潰縮力變化就很小，潰縮力主要由剪切塑料柱產(chǎn)生，因此，潰縮力比較容易控制，從試驗結(jié)果來看，潰縮載荷基本保持在（0.5～0.9）kN之間。同時，因不需要在組裝時進行注塑，因而提高了生產(chǎn)效益，降低了生產(chǎn)成本。

管柱總成采用改進后的潰縮結(jié)構(gòu)，從試驗結(jié)果看，最大潰縮力保持在（3.0～4.5）kN，潰縮保持力保持在（1.8～2.8）kN，完全符合汽車廠要求潰縮力的要求，因此整體潰縮結(jié)構(gòu)方案可行。按此潰縮結(jié)構(gòu)方案，如潰縮力要求發(fā)生改變，只需調(diào)節(jié)注塑壓力和上下套筒配合的過盈量即可實現(xiàn)潰縮力的調(diào)節(jié)，因此該潰縮結(jié)構(gòu)方案具有通用性。

3 結(jié)論

通過運用有限元分析軟件ANSYS軟件對其進行模態(tài)和剛度分析，轉(zhuǎn)向柱第一至第四階的固有頻率分別為25.787、26.755、37.787、78.769Hz。轉(zhuǎn)向柱的總變形量最大值為0.716mm，且發(fā)生在輸入軸下部與輸出軸的配合處。并對轉(zhuǎn)向柱潰縮結(jié)構(gòu)輸入軸上下部、上下套筒以及定位保險塊三方面進行優(yōu)化改進設(shè)計，通過試驗分析得出改進后的結(jié)構(gòu)最大潰縮力保持在（3.0～4.5）kN，潰縮保持力保持在（1.8～2.8）kN，完全符合汽車廠要求潰縮力的要求，整體潰縮結(jié)構(gòu)方案可行。

【參考文獻】

[1]張榮蕓.基于EPS/ESP的汽車橫向運動穩(wěn)定性及其混沌控制研究[D].合肥工業(yè)大學，2015.

[2]段建民，楊晨，李龍杰，戰(zhàn)宇辰.智能車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究及設(shè)計[J].計算機測量與控制，2015，23（05）：1780-1782.

[3]譚光興，簡文國，高遠，李珊.基于免疫模糊PID的EPS控制仿真研究[J].計算機仿真，2014，31（09）：170-173

[4]馬峻，劉本林.EPS轉(zhuǎn)矩傳感器齒輪組設(shè)計[J].現(xiàn)代零部件，2014（06）：66-67.

[5]袁傳義，劉成曄，王奎洋.基于模糊控制的EPS車輛操穩(wěn)性仿真與臺架試驗[J].中國科技論文，2012，7（11）：813-817.

[6]陳慧鵬，陳立平，王君明.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能優(yōu)化及參數(shù)研究[J].機械科學與技術(shù)，2010，29（02）：146-152.endprint