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        碰撞安全與轉(zhuǎn)向管柱潰縮吸能結(jié)構(gòu)開發(fā)

        2019-10-14 02:28:40江天保沈岱武
        時代汽車 2019年9期

        江天?!∩蜥肺?/p>

        摘 要:為使得在碰撞事故發(fā)生后減輕對駕駛員的傷害,從轉(zhuǎn)向管柱潰縮吸能開發(fā)入手,本文介紹如何開發(fā)一種可潰縮的轉(zhuǎn)向管柱,以及開發(fā)過程。

        關(guān)鍵詞:二次碰撞;轉(zhuǎn)向管柱;潰縮;吸能

        1 前言

        隨著汽車消費的普及,汽車安全事故越來越多,對汽車安全的要求也越來越高;本文主要介紹為使得在碰撞事故發(fā)生后減輕對駕駛員的傷害,從轉(zhuǎn)向管柱潰縮吸能開發(fā)入手,介紹如何開發(fā)一種可潰縮的轉(zhuǎn)向管柱。

        當高速行駛的汽車撞擊到低速或者靜止的物體后,高速行駛的汽車就會有一個比較大的減速度,根據(jù)牛頓定律,駕駛員由于慣性的作用,會向前繼續(xù)運動,怎么樣來約束駕駛員繼續(xù)向前運動并降低駕駛員受到傷害程度,是被動安全需要解決的問題,本文只介紹安全轉(zhuǎn)向管柱在被動安全約束系統(tǒng)中起到的作用和開發(fā)過程。

        2 被動安全約束系統(tǒng)簡介

        在諸多約束系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)向管柱對駕駛員起到比較重要的作用。對于中等尺寸的轎車,在被動約束系統(tǒng)中,據(jù)統(tǒng)計轉(zhuǎn)向管柱吸收駕駛員總能量約18%左右。

        轉(zhuǎn)向管柱/方向盤是汽車發(fā)生碰撞時,駕駛員的頭、頸、胸與之發(fā)生二次碰撞的重點區(qū)域,對于被動安全設計要點為:

        ☆ 對氣囊(DAB)有效支撐,并保持承壓方向;

        ☆ 對方向盤具有一定程度的塑形變形,以吸收人體碰撞的沖擊能量(GB11557/ECER12)

        ☆ 轉(zhuǎn)向管柱具有潰縮特性,理論設計有效潰縮距離至少應≥60mm;

        ☆ 在轉(zhuǎn)向管柱/方向盤的潰縮路徑上,應確保沒有相關(guān)零部件影響潰縮,考慮到如點火開關(guān)、護罩、IP等影響,實際試驗中潰縮距離應不低于40mm。

        3 轉(zhuǎn)向管柱潰縮性能開發(fā)流程

        3.1 項目定義

        項目啟動后,根據(jù)立項輸入中的整車安全等級,確認轉(zhuǎn)向管柱的潰縮性能,根據(jù)需要,合理定義轉(zhuǎn)向管柱潰縮性能。需要明確轉(zhuǎn)向管柱初始潰縮力,管柱總成潰距離和中間軸潰縮距離。

        3.2 轉(zhuǎn)向管柱潰縮方案選用

        轉(zhuǎn)向管柱潰縮方案比較多,每種潰縮方式的控制方法和控制精度也不同。根據(jù)項目要求,選擇性價比最優(yōu)的方案組合,滿足性能要求。

        選擇轉(zhuǎn)向管柱潰縮方案,盡量參考公司和供應商成熟的潰縮機構(gòu),對于潰縮塊、調(diào)節(jié)支架等需要開模的件,盡量在現(xiàn)有產(chǎn)品上選擇,盡可能降低開發(fā)成本和驗證周期。前期產(chǎn)品定義時,可以考慮多個方案,

        根據(jù)后期系統(tǒng)試驗后,最終確認最優(yōu)的方案進行凍結(jié)。

        3.3 管柱在整車上的布置

        轉(zhuǎn)向管柱的裝配角度要與方向盤中心點,轉(zhuǎn)向器輸入軸的位置匹配,并考慮到中間軸的力矩波動及其布置位置和可潰縮長度。

        管柱在整車中進行布置時,應給出布置范圍,在滿足人機工程的前提下,盡量向著有利于轉(zhuǎn)向管柱潰縮的方向布置,因為布置一旦凍結(jié),后期更改是比較麻煩的。

        管柱碰撞位置如圖3受力分析,

        根據(jù)上圖,可得出如下圖受力方程:

        FT:沿轉(zhuǎn)向管柱軸線向下的潰縮力

        FH:作用在轉(zhuǎn)向管柱上的水平力

        FM:管柱與固定點的摩擦力

        FP:管柱與固定點的正壓力

        α:轉(zhuǎn)向管柱側(cè)向布置角度

        N:轉(zhuǎn)向管柱拉脫塊的拉脫力

        K:管柱與固定點的摩擦系數(shù)

        根據(jù)上述方程可得:

        我們假定:N=4000N

        FH=9000N

        K=0.15

        最終可求解得:α=46.0136°

        由上述公式可見,在一定的摩擦系數(shù)、拉脫力、水平方向的壓力下,轉(zhuǎn)向管柱側(cè)向布置角度存在一定的布置極限。超過此角度軸向潰縮的轉(zhuǎn)向管柱就不可能會潰縮。

        根據(jù)經(jīng)驗,轉(zhuǎn)向管柱側(cè)向角度一般跑車推薦約18°左右,轎車推薦約24~26°,MPV、SUV等車型的時候也有超過30°情況。正碰時駕駛員的運動方向,在不佩帶安全帶時是車輛的前后方向,佩帶安全帶時,最好是駕駛員的頭部要躲過方向盤是最理想的,因此管柱側(cè)向布置角度越小越有利,一般轎車都有自身的人機特性,都有些不同,但盡可能設定在22~28°的范圍以內(nèi)。

        3.4 布置數(shù)據(jù)(潰縮距離)校核

        轉(zhuǎn)向管柱潰縮距離按照下面的順序逐個校核,見圖4。

        3.5 管柱靜態(tài)壓潰潰縮力校核

        根據(jù)結(jié)論,初步定義好轉(zhuǎn)向管柱總成潰縮力,根據(jù)總成潰縮力進行分解,把每個小部件的吸能力設定好,見圖5。

        根據(jù)壓潰力和壓潰形成,初步形成潰縮力-位移曲線,力和位移的曲線,應該在定義的范圍內(nèi),如圖6為定義的初始曲線。把轉(zhuǎn)向管柱模擬整車安裝在試驗臺架上,進行靜壓潰試驗測量,最后測量出實際潰縮曲線,和設定值進行比較,進行反復調(diào)試,最后得出設計曲線。

        3.6 轉(zhuǎn)向管柱動態(tài)壓潰

        轉(zhuǎn)向管柱動態(tài)壓潰,具體的試驗指標和方法,需要進一步和碰撞試驗室探討試驗方法及其接受標準。

        3.7 轉(zhuǎn)向管柱在被動安全系統(tǒng)中驗證

        臺車試驗時,把儀表橫梁、儀表板、儀表、轉(zhuǎn)向管柱、組合開關(guān)、組合開關(guān)護罩、點火鎖、方向盤裝配在臺車上,安裝被動安全約束系統(tǒng)要求,把經(jīng)過靜壓潰試驗后的轉(zhuǎn)向管柱裝配在臺車試驗臺上進行驗證,驗證前,需要檢查轉(zhuǎn)向潰縮通道是否滿足設計狀態(tài)。最后根據(jù)臺車試驗的數(shù)據(jù),確認轉(zhuǎn)向管柱是否需要優(yōu)化,見圖7。

        3.8 轉(zhuǎn)向管柱在整車中碰撞驗證

        整車碰撞前需要做好準備工作,轉(zhuǎn)向管柱主要在64Km/h的40%偏置碰和50Km/h的100%剛性壁碰撞進行驗證。轉(zhuǎn)向管柱裝車前檢測潰縮力(靜壓潰試驗報告),裝車后檢查潰縮通道,試驗驗證。根據(jù)試驗采集到的數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)向管柱潰縮情況,討論轉(zhuǎn)向管柱的優(yōu)化方案,和優(yōu)化方向,見圖8。

        4 結(jié)論

        據(jù)統(tǒng)計,正面碰撞時方向盤、轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向器組成的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對駕駛員造成的損傷占到駕駛員損傷的46%,造成人員傷害的部位集中在頭部、胸部及腿部。所以,轉(zhuǎn)向管柱的安全設計至關(guān)重要,具體體現(xiàn)在吸能和潰縮兩個方面。從前文闡述中,歷經(jīng)設計輸入確認、結(jié)構(gòu)設計分析、各層級的實物驗證,直至最終設計凍結(jié),本文檔介紹的方法,有效支撐了整車的碰撞安全性能開發(fā)。

        參考文獻:

        [1]劉惟信.汽車設計[M].北京:清華大學出版社,2006.

        [2]王登峰,曾迥立;汽車吸能轉(zhuǎn)向機構(gòu)與駕駛員碰撞的仿真與試驗[J];汽車工程;2003年01期.

        [3]黃世霖,王曉冬,張金換汽車碰撞與安全[M].北京:清華大學出版社,2000.

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