碰撞安全與轉(zhuǎn)向管柱潰縮吸能結(jié)構(gòu)開發(fā)

江天?！∩蜥肺?/p>

摘 要：為使得在碰撞事故發(fā)生后減輕對駕駛員的傷害，從轉(zhuǎn)向管柱潰縮吸能開發(fā)入手，本文介紹如何開發(fā)一種可潰縮的轉(zhuǎn)向管柱，以及開發(fā)過程。

關(guān)鍵詞：二次碰撞;轉(zhuǎn)向管柱;潰縮;吸能

1 前言

隨著汽車消費的普及，汽車安全事故越來越多，對汽車安全的要求也越來越高;本文主要介紹為使得在碰撞事故發(fā)生后減輕對駕駛員的傷害，從轉(zhuǎn)向管柱潰縮吸能開發(fā)入手，介紹如何開發(fā)一種可潰縮的轉(zhuǎn)向管柱。

當(dāng)高速行駛的汽車撞擊到低速或者靜止的物體后，高速行駛的汽車就會有一個比較大的減速度，根據(jù)牛頓定律，駕駛員由于慣性的作用，會向前繼續(xù)運動，怎么樣來約束駕駛員繼續(xù)向前運動并降低駕駛員受到傷害程度，是被動安全需要解決的問題，本文只介紹安全轉(zhuǎn)向管柱在被動安全約束系統(tǒng)中起到的作用和開發(fā)過程。

2 被動安全約束系統(tǒng)簡介

在諸多約束系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向管柱對駕駛員起到比較重要的作用。對于中等尺寸的轎車，在被動約束系統(tǒng)中，據(jù)統(tǒng)計轉(zhuǎn)向管柱吸收駕駛員總能量約18%左右。

轉(zhuǎn)向管柱/方向盤是汽車發(fā)生碰撞時，駕駛員的頭、頸、胸與之發(fā)生二次碰撞的重點區(qū)域，對于被動安全設(shè)計要點為：

☆ 對氣囊（DAB）有效支撐，并保持承壓方向;

☆ 對方向盤具有一定程度的塑形變形，以吸收人體碰撞的沖擊能量（GB11557/ECER12）

☆ 轉(zhuǎn)向管柱具有潰縮特性，理論設(shè)計有效潰縮距離至少應(yīng)≥60mm;

☆ 在轉(zhuǎn)向管柱/方向盤的潰縮路徑上，應(yīng)確保沒有相關(guān)零部件影響潰縮，考慮到如點火開關(guān)、護罩、IP等影響，實際試驗中潰縮距離應(yīng)不低于40mm。

3 轉(zhuǎn)向管柱潰縮性能開發(fā)流程

3.1 項目定義

項目啟動后，根據(jù)立項輸入中的整車安全等級，確認轉(zhuǎn)向管柱的潰縮性能，根據(jù)需要，合理定義轉(zhuǎn)向管柱潰縮性能。需要明確轉(zhuǎn)向管柱初始潰縮力，管柱總成潰距離和中間軸潰縮距離。

3.2 轉(zhuǎn)向管柱潰縮方案選用

轉(zhuǎn)向管柱潰縮方案比較多，每種潰縮方式的控制方法和控制精度也不同。根據(jù)項目要求，選擇性價比最優(yōu)的方案組合，滿足性能要求。

選擇轉(zhuǎn)向管柱潰縮方案，盡量參考公司和供應(yīng)商成熟的潰縮機構(gòu)，對于潰縮塊、調(diào)節(jié)支架等需要開模的件，盡量在現(xiàn)有產(chǎn)品上選擇，盡可能降低開發(fā)成本和驗證周期。前期產(chǎn)品定義時，可以考慮多個方案，

根據(jù)后期系統(tǒng)試驗后，最終確認最優(yōu)的方案進行凍結(jié)。

3.3 管柱在整車上的布置

轉(zhuǎn)向管柱的裝配角度要與方向盤中心點，轉(zhuǎn)向器輸入軸的位置匹配，并考慮到中間軸的力矩波動及其布置位置和可潰縮長度。

管柱在整車中進行布置時，應(yīng)給出布置范圍，在滿足人機工程的前提下，盡量向著有利于轉(zhuǎn)向管柱潰縮的方向布置，因為布置一旦凍結(jié)，后期更改是比較麻煩的。

管柱碰撞位置如圖3受力分析，

根據(jù)上圖，可得出如下圖受力方程：

FT：沿轉(zhuǎn)向管柱軸線向下的潰縮力

FH：作用在轉(zhuǎn)向管柱上的水平力

FM：管柱與固定點的摩擦力

FP：管柱與固定點的正壓力

α：轉(zhuǎn)向管柱側(cè)向布置角度

N：轉(zhuǎn)向管柱拉脫塊的拉脫力

K：管柱與固定點的摩擦系數(shù)

根據(jù)上述方程可得：

我們假定：N=4000N

FH=9000N

K=0.15

最終可求解得：α=46.0136°

由上述公式可見，在一定的摩擦系數(shù)、拉脫力、水平方向的壓力下，轉(zhuǎn)向管柱側(cè)向布置角度存在一定的布置極限。超過此角度軸向潰縮的轉(zhuǎn)向管柱就不可能會潰縮。

根據(jù)經(jīng)驗，轉(zhuǎn)向管柱側(cè)向角度一般跑車推薦約18°左右，轎車推薦約24～26°，MPV、SUV等車型的時候也有超過30°情況。正碰時駕駛員的運動方向，在不佩帶安全帶時是車輛的前后方向，佩帶安全帶時，最好是駕駛員的頭部要躲過方向盤是最理想的，因此管柱側(cè)向布置角度越小越有利，一般轎車都有自身的人機特性，都有些不同，但盡可能設(shè)定在22～28°的范圍以內(nèi)。

3.4 布置數(shù)據(jù)（潰縮距離）校核

轉(zhuǎn)向管柱潰縮距離按照下面的順序逐個校核，見圖4。

3.5 管柱靜態(tài)壓潰潰縮力校核

根據(jù)結(jié)論，初步定義好轉(zhuǎn)向管柱總成潰縮力，根據(jù)總成潰縮力進行分解，把每個小部件的吸能力設(shè)定好，見圖5。

根據(jù)壓潰力和壓潰形成，初步形成潰縮力-位移曲線，力和位移的曲線，應(yīng)該在定義的范圍內(nèi)，如圖6為定義的初始曲線。把轉(zhuǎn)向管柱模擬整車安裝在試驗臺架上，進行靜壓潰試驗測量，最后測量出實際潰縮曲線，和設(shè)定值進行比較，進行反復(fù)調(diào)試，最后得出設(shè)計曲線。

3.6 轉(zhuǎn)向管柱動態(tài)壓潰

轉(zhuǎn)向管柱動態(tài)壓潰，具體的試驗指標(biāo)和方法，需要進一步和碰撞試驗室探討試驗方法及其接受標(biāo)準(zhǔn)。

3.7 轉(zhuǎn)向管柱在被動安全系統(tǒng)中驗證

臺車試驗時，把儀表橫梁、儀表板、儀表、轉(zhuǎn)向管柱、組合開關(guān)、組合開關(guān)護罩、點火鎖、方向盤裝配在臺車上，安裝被動安全約束系統(tǒng)要求，把經(jīng)過靜壓潰試驗后的轉(zhuǎn)向管柱裝配在臺車試驗臺上進行驗證，驗證前，需要檢查轉(zhuǎn)向潰縮通道是否滿足設(shè)計狀態(tài)。最后根據(jù)臺車試驗的數(shù)據(jù)，確認轉(zhuǎn)向管柱是否需要優(yōu)化，見圖7。

3.8 轉(zhuǎn)向管柱在整車中碰撞驗證

整車碰撞前需要做好準(zhǔn)備工作，轉(zhuǎn)向管柱主要在64Km/h的40%偏置碰和50Km/h的100%剛性壁碰撞進行驗證。轉(zhuǎn)向管柱裝車前檢測潰縮力（靜壓潰試驗報告），裝車后檢查潰縮通道，試驗驗證。根據(jù)試驗采集到的數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)向管柱潰縮情況，討論轉(zhuǎn)向管柱的優(yōu)化方案，和優(yōu)化方向，見圖8。

4 結(jié)論

據(jù)統(tǒng)計，正面碰撞時方向盤、轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向器組成的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對駕駛員造成的損傷占到駕駛員損傷的46%，造成人員傷害的部位集中在頭部、胸部及腿部。所以，轉(zhuǎn)向管柱的安全設(shè)計至關(guān)重要，具體體現(xiàn)在吸能和潰縮兩個方面。從前文闡述中，歷經(jīng)設(shè)計輸入確認、結(jié)構(gòu)設(shè)計分析、各層級的實物驗證，直至最終設(shè)計凍結(jié)，本文檔介紹的方法，有效支撐了整車的碰撞安全性能開發(fā)。

參考文獻：

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