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(zhuǎn)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(duì)汽車轉(zhuǎn)向管柱在整車碰撞測(cè)試過程中出現(xiàn)的吸能不足現(xiàn)象，通過對(duì)吸能因素、壓潰距離和潰縮機(jī)理進(jìn)行分析，優(yōu)化整體性能，并對(duì)優(yōu)化后的性能進(jìn)行CAE仿真和實(shí)車驗(yàn)證。

轉(zhuǎn)向管柱；碰撞；潰縮吸能

0 引 言

轉(zhuǎn)向管柱作為傳遞駕駛員轉(zhuǎn)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(dòng)的功能，還可以在車輛發(fā)生碰撞時(shí)充分吸收碰撞能量，減小碰撞對(duì)駕駛員的傷害，國(guó)標(biāo)中特別規(guī)定汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在碰撞中的移動(dòng)量及其對(duì)駕駛員的傷害限值。

正面碰撞時(shí)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(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向器組成的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)駕駛員的傷害占比達(dá)46%，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中降低碰撞傷害的主要措施依賴于轉(zhuǎn)向管柱。

轉(zhuǎn)向管柱的潰縮結(jié)構(gòu)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(lái)吸收能量。根據(jù)整車碰撞經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)向管柱最好具有多級(jí)潰縮機(jī)構(gòu)，初始潰縮力應(yīng)小于2 500 N，但有些管柱由于成本結(jié)構(gòu)的原因，只有一級(jí)潰縮機(jī)構(gòu)，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(dá)到60 mm以上，且整個(gè)管柱潰縮行程不得與其他剛性邊界干涉。

某轉(zhuǎn)向管柱的結(jié)構(gòu)如圖1所示，潰縮機(jī)構(gòu)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(tái)橫梁固定。當(dāng)汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，碰撞沖擊傳到轉(zhuǎn)向盤，先由轉(zhuǎn)向盤和安裝氣囊吸收沖擊能量，當(dāng)沖擊載荷超過一定限值時(shí)，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(tái)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(nèi)外管接觸部分的摩擦阻力進(jìn)一步吸收碰撞沖擊能量。

通過對(duì)汽車轉(zhuǎn)向管柱在整車碰撞測(cè)試過程中出現(xiàn)的吸能不足現(xiàn)象進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，分析潰縮結(jié)構(gòu)對(duì)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(yàn)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(biāo)，僅得0.720分（滿分4分）。從試驗(yàn)錄像中發(fā)現(xiàn)，在碰撞過程中轉(zhuǎn)向管柱在車輛縱向和垂向出現(xiàn)較大的跳動(dòng)量，對(duì)完成碰撞的轉(zhuǎn)向管柱進(jìn)行三坐標(biāo)尺寸測(cè)量，發(fā)現(xiàn)車輛的縱向和垂向均超過對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)向盤位置有比較明顯的移動(dòng)。

對(duì)該轉(zhuǎn)向管柱進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱上固定點(diǎn)拉脫塊有一側(cè)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(tái)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(zhuǎn)向管柱的拉脫塊與變形支架之間采用的剪切銷為矩形結(jié)構(gòu)，矩形剪切銷由于受力面大，能夠較好地消減路面?zhèn)鱽?lái)的振動(dòng)，但壓潰力也較大，該車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向管柱設(shè)計(jì)由于成本原因，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從前機(jī)艙轉(zhuǎn)向器到轉(zhuǎn)向管柱固定點(diǎn)成直線布置，這樣導(dǎo)致碰撞時(shí)，車身發(fā)動(dòng)機(jī)艙變形后帶動(dòng)轉(zhuǎn)向中間軸向后侵入時(shí)直接傳力至轉(zhuǎn)向管柱；另外，轉(zhuǎn)向管柱上固定點(diǎn)在IP橫梁上，下固定點(diǎn)在車身前圍上，車身前圍的侵入直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)向管柱繞上固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致氣囊展開方向受到影響而被扣分。如果轉(zhuǎn)向中間軸向后侵入時(shí)轉(zhuǎn)向管柱能及時(shí)潰縮，脫離儀表臺(tái)橫梁，那么此時(shí)車身前圍的侵入就不會(huì)使轉(zhuǎn)向管柱發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)檗D(zhuǎn)向管柱已經(jīng)發(fā)生潰縮并脫離儀表臺(tái)橫梁。

2 轉(zhuǎn)向管柱吸能性能優(yōu)化與驗(yàn)證

為使轉(zhuǎn)向管柱及時(shí)發(fā)生潰縮，更容易從儀表臺(tái)橫梁上脫出，將轉(zhuǎn)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(duì)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(duì)更改前、后的轉(zhuǎn)向管柱跳動(dòng)量進(jìn)行CAE仿真對(duì)比，如圖8所示，分析發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后轉(zhuǎn)向管柱在碰撞時(shí)的跳動(dòng)量降低了60%以上，改進(jìn)效果明顯。

改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向管柱裝車進(jìn)行整車碰撞驗(yàn)證，轉(zhuǎn)向管柱潰縮77 mm，如圖9所示，駕駛員頭部沒有受到來(lái)自轉(zhuǎn)向管柱的沖擊力，相比改進(jìn)前的轉(zhuǎn)向管柱，碰撞跳動(dòng)量從整車外觀來(lái)看無(wú)明顯變化，如圖10所示。整車碰撞試驗(yàn)得分達(dá)到14分，獲得理想的改進(jìn)效果。

3 結(jié) 論

1）對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從前機(jī)艙轉(zhuǎn)向器到轉(zhuǎn)向管柱固定點(diǎn)成直線布置的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向管柱若只有一級(jí)潰縮結(jié)構(gòu)，其最大潰縮力應(yīng)盡量低，控制在3 500 N左右能達(dá)到一定碰撞吸能要求。

2）對(duì)于采用一級(jí)潰縮機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向管柱，其與儀表臺(tái)橫梁的潰縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所采用的剪切銷形狀，三角形結(jié)構(gòu)比矩形結(jié)構(gòu)更有利于碰撞吸能。

3）在轉(zhuǎn)向管柱碰撞跳動(dòng)量分析中，跳動(dòng)量沒有一個(gè)很好的經(jīng)驗(yàn)值，從本例優(yōu)化方案來(lái)看，車輛垂向（向）跳動(dòng)在100 mm以內(nèi)，能更好地保護(hù)駕駛員頭部不受傷害。

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

[2]高明. 轉(zhuǎn)向管柱吸能機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與CAE分析[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2013.

[3]汪杰強(qiáng). 吸能轉(zhuǎn)向管柱開發(fā)與應(yīng)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(zhuǎn)向管柱吸能結(jié)構(gòu)介紹[J]. 科技與企業(yè)，2014（9）：300.

[5]陳豐. 汽車吸能防傷轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析[J]. 機(jī)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