基于Abaqus有限元計算的電動助力轉向管柱設計

王佳良　許棟鵬　趙振川　白雪　王曉山　耿明陽

摘 要：隨著國內汽車行業(yè)及新能源汽車領域的快速崛起，產品變革周期縮短，汽車轉向系統(tǒng)的研發(fā)周期被大幅度壓縮。但隨著國內主機廠發(fā)布的技術要求各項參數要求的日益嚴苛，甚至超過合資企業(yè)，使得轉向系統(tǒng)設計開發(fā)面臨壓力。本文舉例一種電動助力管柱，介紹基于Abaqus有限元仿真軟件，通過對主要的技術性能要求（管柱潰縮、靜態(tài)強度、調節(jié)機構強度和剛度、驅動單元強度及管柱的強度等）快速、準確地計算，數據結果證明該思路可以有效縮短轉向管柱機械結構設計開發(fā)的周期，對于轉向系統(tǒng)的設計開發(fā)周期而言，運用此方法可以整合出更多的資源進行系統(tǒng)匹配。

關鍵詞：轉向管柱 Abaqus 有限元計算 設計開發(fā)周期

1 引言

汽車轉向系統(tǒng)對汽車的行駛安全至關重要，因此汽車轉向系統(tǒng)的零件都稱為保安件，其產品性能及可靠性必須滿足整車設計和法規(guī)[1]。轉向管柱是汽車轉向系統(tǒng)中重要的組成環(huán)節(jié)，其基本作用是將方向盤的轉動通過轉向機傳遞到輪轂上，起到控制汽車轉向的作用。

其次，汽車是一個復雜的動態(tài)系統(tǒng)，面臨著各種各樣復雜的工況考驗，對于轉向系統(tǒng)而言，所要面對的工況也是極其復雜的。目前，隨著國內主機廠對整車技術要求日益增高，對轉向管柱的一些重要性能，如管柱潰縮曲線、靜態(tài)強度、調節(jié)機構強度和剛度、驅動單元強度及管柱的強度等，會遇到設計完成OTS驗證階段出現達不到技術規(guī)范的要求情況，客戶會產生大量抱怨，最終會通過賠償或者簽訂偏差的形式進行彌補。針對轉向管柱這一情況，本文通過舉例一款電動助力管柱設計開發(fā)驗證過程，通過有限元計算驗證各個重要局部小總成性能，最后匯總為轉向管柱總成性能，實現轉向管柱結構計算、驗證及優(yōu)化的目的，有效避免設計過程中缺陷及性能不達標的問題。

2 電動助力轉向管柱的整體布置

2.1 硬點信息

結構的整體布局，首先要明確轉向管柱在整車坐標系下硬點坐標。

根據整車硬點坐標信息可以初步確定轉向管柱空間布置，再根據整車安裝點坐標可以明確管柱主要的空間幾何約束尺寸，從而初步構建整體結構框架。

2.2 主要結構選型

電動助力轉向管柱主要的結構包括：潰縮機構、調節(jié)機構、保持機構、驅動單元等。

其主要選型依據：

（1）潰縮機構，按照輸入技術規(guī)范要求，滿足潰縮曲線的前提下初步選用合適的擴縮型式：內潰式或外潰式。

（2）調節(jié)機構：按照輸入整車周邊件定義手柄造型，按照技術要求選用手柄材質。

（3）保持機構：按照輸入安裝點信息確定安裝位置，再需要與潰縮、調節(jié)機構等進行幾何空間配合。

（4）驅動單元：按照輸入技術規(guī)范要求，選用合適的傳動裝置及參數，如蝸輪蝸桿組合。

3 基于Abaqus的有限元計算驗證

通過以往開發(fā)項目來看，通過主觀經驗設計后的轉向管柱結構，若經過工業(yè)化的快速樣件或手工樣件來進行DV試驗摸底，若性能達不到預期的要求，會在經濟和時間成本上造成較大的浪費，不利于項目周期的完成，也會造成研發(fā)費用成本的提升。因此，可以對預先設計的結構進行快速、準確的有限元仿真計算成為有效的驗證方案[2]。

本文基于Abaqus有限元仿真計算軟件，通過對電動助力轉向管柱的潰縮、調節(jié)、保持及管柱整體剛度性能進行仿真計算，詳細介紹有限元方法基于轉向管柱產品結構設計開發(fā)方法。

3.1 潰縮

管柱潰縮，指的是轉向管柱在收到外界巨大的沖擊力時，管柱通過管管相抱等方式縮短軸向距離，避免沖擊駕駛員，起到安全保護的作用。因此，潰縮是轉向管柱一項重要的安全性能指標。

對管柱潰縮量化的指標：如本案例所示，橫坐標距離，縱坐標力，描述潰縮行程與潰縮力的關系。

在Abaqus中進行建模，前處理：添加零件材料屬性，幾何發(fā)布，添加所有零部件接觸關系。邊界條件設定：固定上下安裝點，在轉向軸頂部沿軸線向下施加600mm/s的移動速度。

潰縮仿真計算邊界條件模型：

潰縮曲線計算結果：

通過轉向管柱潰縮曲線計算結果看來，基本滿足潰縮區(qū)間的技術要求，管柱潰縮結構初步方案是有效的，最終結果制作樣件可以進一步通過DV試驗摸底來驗證。

3.2 管柱靜態(tài)強度

靜態(tài)強度是描述轉向管柱在整車安裝位置固定后，收到外界較大的負載（如駕駛員上下車拉拽方向盤）地方破壞變形的能力，是描述轉向管柱性能的重要指標之一。

邊界條件設定：固定上下安裝點，在方向盤中心的空間位置，沿著垂直于轉向管柱軸線的方向施加800N的載荷。構架模型如下：

轉向管柱經過靜態(tài)潰縮計算后，所有零件均未發(fā)生超過材料，主要結構計算結果云圖如下圖5：

3.3 調節(jié)機構強度

邊界條件設定：鎖止和松開方向施加300N集中力，Y方向施加150N集中力。（圖6）

計算結果：所有邊界條件對應下的工況，均未出現超過材料屈服強度的應力破壞。（圖7）

4 結束語

轉向管柱對應的技術要求繁多且復雜，本文以某電動助力轉向管柱為例，列舉潰縮、靜態(tài)強度、調節(jié)機構強度等重要的性能要求進行仿真計算驗證，通過設計優(yōu)化、有限元計算輔助設計的思路，對外潰式電動助力轉向管柱性能進行快速而準確地進行判斷。該設計驗證方法可以有效地降低設計開發(fā)周期和研發(fā)費用成本。

除轉向管柱外，汽車行業(yè)其他零部件的設計開發(fā)亦可以應用該思路，以便快速適應汽車行業(yè)快速迭代的趨勢。

參考文獻：

[1]王曉剛.淺談汽車轉向系統(tǒng)原理及故障排除[J].黑龍江科技信息，2012（08）：41.

[2]王登峰，曾迥立．汽車吸能轉向機構與駕駛員碰撞的仿真與試驗[J].汽車工程，2003，25（1）：20-24．