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

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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）

針對汽車轉(zhuǎn)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(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(biāo)中特別規(guī)定汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)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(zhuǎn)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吸收能量。根據(jù)整車碰撞經(jīng)驗，轉(zhuǎn)向管柱最好具有多級潰縮機構(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，只有一級潰縮機構(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橫梁固定。當(dāng)汽車發(fā)生正面碰撞時，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，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(nèi)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(biāo)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)向管柱進行三坐標(biāo)尺寸測量，發(fā)現(xiàn)車輛的縱向和垂向均超過對應(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。

對該轉(zhuǎn)向管柱進行拆解，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱上固定點拉脫塊有一側(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)鱽淼恼駝?，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)計由于成本原因，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從前機艙轉(zhuǎn)向器到轉(zhuǎn)向管柱固定點成直線布置，這樣導(dǎo)致碰撞時，車身發(fā)動機艙變形后帶動轉(zhuǎn)向中間軸向后侵入時直接傳力至轉(zhuǎn)向管柱；另外，轉(zhuǎn)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(dǎo)致轉(zhuǎn)向管柱繞上固定點轉(zhuǎn)動，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轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向管柱發(fā)生轉(zhuǎn)動，因為轉(zhuǎn)向管柱已經(jīng)發(fā)生潰縮并脫離儀表臺橫梁。

2 轉(zhuǎn)向管柱吸能性能優(yōu)化與驗證

為使轉(zhuǎn)向管柱及時發(fā)生潰縮，更容易從儀表臺橫梁上脫出，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向管柱裝車進行整車碰撞驗證，轉(zhuǎn)向管柱潰縮77 mm，如圖9所示，駕駛員頭部沒有受到來自轉(zhuǎn)向管柱的沖擊力，相比改進前的轉(zhuǎn)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(dá)到14分，獲得理想的改進效果。

3 結(jié) 論

1）對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從前機艙轉(zhuǎn)向器到轉(zhuǎn)向管柱固定點成直線布置的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向管柱若只有一級潰縮結(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）對于采用一級潰縮機構(gòu)的轉(zhuǎn)向管柱，其與儀表臺橫梁的潰縮結(jié)構(gòu)設(shè)計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(nèi)，能更好地保護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)向管柱吸能機構(gòu)的設(shè)計與CAE分析[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2013.

[3]汪杰強. 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)向機構(gòu)的設(shè)計分析[J]. 機械制造，2010，48（10）：27-29.

1002-4581（2017）03-0037-03

U463.43：U467

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10.14175/j.issn.1002-4581.2017.03.009