魏益冰，馬玉金，鄧春陽(yáng)

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

轉(zhuǎn)向管柱支架斷裂分析與改進(jìn)

魏益冰，馬玉金，鄧春陽(yáng)

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

文章通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向管柱支架斷裂問(wèn)題的設(shè)計(jì)和工藝問(wèn)題分析，從鈑金件剛度提升和總成焊接邊改進(jìn)兩方面進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)CAE輔助手段對(duì)制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、垂向三個(gè)工況的仿真模擬，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)分析的合理性和方案改進(jìn)的有效性。

轉(zhuǎn)向管柱支架；斷裂；改進(jìn)；CAE分析

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-160-03

前言

汽車轉(zhuǎn)向管柱通過(guò)支架與車身連接。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受路面激勵(lì)，承受汽車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的載荷、振動(dòng)、沖擊和扭矩，并經(jīng)轉(zhuǎn)向管柱支架直接傳遞給車身。轉(zhuǎn)向管柱支架的可靠性直接影響駕乘人員的操控安全性，支架的剛度不足還會(huì)對(duì)車身安裝點(diǎn)的疲勞壽命產(chǎn)生很大影響。本文從問(wèn)題描述、原因分析、方案改進(jìn)和CAE分析四個(gè)方面對(duì)轉(zhuǎn)向管柱支架斷裂問(wèn)題的進(jìn)行分析和改進(jìn)。

1 問(wèn)題描述

整車可靠性試驗(yàn)時(shí)，車輛出現(xiàn)駕駛室轉(zhuǎn)向管柱支架斷裂現(xiàn)象，具體斷裂位置見(jiàn)下圖。從斷裂痕跡判斷為斷裂處受拉應(yīng)力，開(kāi)裂點(diǎn)從兩處焊接點(diǎn)開(kāi)始擴(kuò)展，最后裂紋連接斷裂。

2 原因分析

鈑金支架的斷裂問(wèn)題比較復(fù)雜，鈑金材料材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用工況都會(huì)對(duì)鈑金支架的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。對(duì)于由多個(gè)鈑金件焊接、裝配成型的總成支架，其力學(xué)性能還受焊接工藝、裝配工藝的影響。本次斷裂的轉(zhuǎn)向管柱支架屬于焊接總成支架，通過(guò)螺栓裝配與車身連接，對(duì)于此類問(wèn)題的分析應(yīng)用設(shè)計(jì)、工藝角度全面分析。

2.1 設(shè)計(jì)分析

2.2.1 機(jī)構(gòu)構(gòu)成

如圖2、圖3所示，轉(zhuǎn)向管柱通過(guò)支架總成與車身連接，支架總成由三個(gè)鈑金件弧焊連接。

圖2 轉(zhuǎn)向管柱連接示意圖

圖3 轉(zhuǎn)向管柱支架組成

2.2.2 受力分析

轉(zhuǎn)向管柱支架在車輛使用過(guò)程中主要受制動(dòng)、加速工況下的X向應(yīng)力，轉(zhuǎn)向工況下的Y向應(yīng)力，同時(shí)收路面?zhèn)鬟f的其他振動(dòng)、沖擊等Z向應(yīng)力。此次斷裂零件是支架一，從斷裂痕跡來(lái)看斷裂處受拉應(yīng)力。鈑金件受拉應(yīng)力產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象，主要是零件的剛度不足、抵抗振動(dòng)和沖擊的能力不足。

2.2 工藝分析

通過(guò)試驗(yàn)樣車反饋信息和對(duì)故障件的分析得出如下結(jié)論：開(kāi)裂點(diǎn)從兩處弧焊焊接點(diǎn)開(kāi)始擴(kuò)展，最后裂紋連接斷裂，弧焊點(diǎn)存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于零件結(jié)構(gòu)的限制，弧焊工藝不能更改，可以通過(guò)對(duì)焊接搭接邊的結(jié)構(gòu)更改來(lái)盡可能的分散應(yīng)力。

綜上：此次斷裂問(wèn)題出現(xiàn)的原因主要是支架零件結(jié)構(gòu)剛度不足，支架總成焊接搭接邊設(shè)計(jì)不合理。后續(xù)方案的改進(jìn)方向應(yīng)集中的零件剛度的提升和焊接搭接邊的合理性改進(jìn)兩方面。

3 方案改進(jìn)

3.1 零件剛度提升

圖4 支架一剛度提升

鈑金零件剛度提升措施主要是對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，在不影響零件功能的情況下對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)。常見(jiàn)設(shè)計(jì)舉措有：斷面改進(jìn)、材料牌號(hào)改進(jìn)、材料厚度增加、增加加強(qiáng)筋、增加翻邊等。如圖4所示，支架一的剛度提升主要是在增加加強(qiáng)筋和翻邊；如圖5所示，支架二的剛度提升主要是斷面改進(jìn)、增加翻邊。單個(gè)零件剛度的提升必然會(huì)帶來(lái)總成剛度的提升。

圖5 支架二剛度提升

3.2 焊接邊改進(jìn)

焊接邊的改進(jìn)主要是為了分散弧焊應(yīng)力，提高總成零件的疲勞壽命。如圖6所示，轉(zhuǎn)向管柱支架總成焊接邊改進(jìn)位置有三處，這樣的改進(jìn)可以盡可能的分散弧焊應(yīng)力，延遲首次裂紋的出現(xiàn)。

圖6 焊接搭接邊改進(jìn)前后對(duì)比

4 CAE分析

4.1 分析工況

圖7 轉(zhuǎn)向管柱支架約束和加載示意圖

根據(jù)車輛行駛工況，對(duì)轉(zhuǎn)向管柱支架的仿真模擬可以從制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、垂向三個(gè)工況進(jìn)行分析。具體約束和加載如下：

a）制動(dòng)工況：

載荷：沿X軸正方向施加1G力；

約束：約束支架三連接處123自由度。

b）轉(zhuǎn)向工況：

載荷：沿Y軸正方向施加0.5G力；

約束：約束支架三連接處123自由度。

c）垂向工況：

載荷：沿Z軸負(fù)方向施加1G力；

約束：約束支架三連接處123自由度。

4.2 分析結(jié)果

制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、垂向三個(gè)工況應(yīng)力云圖見(jiàn)圖8、9、10，對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，三個(gè)工況下方案的改進(jìn)效果明顯。

圖8 垂向工況von-Mises應(yīng)力云圖

圖9 轉(zhuǎn)向工況von-Mises應(yīng)力云圖

圖10 制動(dòng)工況von-Mises應(yīng)力云圖

表1 改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

文章通過(guò)轉(zhuǎn)向管柱支架斷裂部位的力學(xué)分析，從設(shè)計(jì)和工藝角度對(duì)此支架和總成進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、垂向三個(gè)工況的CAE仿真模擬，驗(yàn)證了方案改進(jìn)的有效性。支架斷裂是汽車常見(jiàn)的一種可靠性故障問(wèn)題，本文對(duì)轉(zhuǎn)向管柱支架斷裂問(wèn)題的分析與改進(jìn)的研究對(duì)處理同類問(wèn)題具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

[1] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì).[M]清華大學(xué)出版社.2001.7要求著錄.

The fracture analysis and improvement of the steering column bracket are analyzed

Wei Yibing, Ma Yujin, Deng Chunyang
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd automobile engineering institute, Shaanxi Xi'an 710200）

Through the analysis of the design and process of the fault of the steering column bracket, this paper improves both the stiffness of sheet metal and the improvement of the welding side of the assembly. The simulation simulation of brake,steering and vertical direction in three working conditions is verified through CAE auxiliary means, and the rationality of design analysis and the effectiveness of the scheme improvement are verified.

Steering column bracket; The fracture; improvement; CAE analysis

U467.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)19-160-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.055

魏益冰，就職于陜西重型汽車有限公司，主要從事白車身結(jié)構(gòu)與性能方面的設(shè)計(jì)研究工作。