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
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。
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。
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。
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。
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1002-4581(2017)03-0037-03
U463.43:U467
A
10.14175/j.issn.1002-4581.2017.03.009