（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

轉(zhuǎn)向盤是汽車不可或缺的零部件之一，不僅控制著車輛行駛方向，而且還是安全氣囊的載體。汽車轉(zhuǎn)向盤在發(fā)展之初都很類似，但隨著消費者要求的多樣化轉(zhuǎn)向盤的類別也越發(fā)多樣化[1]。在力求美觀、功能多樣化的同時，對于其強度要求、安全性能、耐久程度提出了更精細化的要求。轉(zhuǎn)向盤要具有一定的強度、硬度，更要能承受一定的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、彎曲應(yīng)力，并且具有適當(dāng)?shù)娜犴g性[2]。如果設(shè)計不當(dāng)可能會造成轉(zhuǎn)向盤抖動[3]，轉(zhuǎn)向盤的低頻振動就是導(dǎo)致駕駛員不舒適的重要原因之一[4]。一款性能良好的轉(zhuǎn)向盤既能與汽車內(nèi)飾融為一體,同時又是汽車內(nèi)飾的亮點[5]。轉(zhuǎn)向盤總成的基本結(jié)構(gòu)包括骨架、發(fā)泡體或下蓋、多功能按鍵或裝飾條、安全氣囊或飾蓋，另外有些主機廠會對轉(zhuǎn)向盤提出增加水轉(zhuǎn)印或電加熱功能的要求。在以往轉(zhuǎn)向盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，通常是根據(jù)工程師個人經(jīng)驗來進行設(shè)計，沒有成型的設(shè)計方案和風(fēng)險總結(jié)。在面對主機廠愈發(fā)嚴(yán)苛的設(shè)計要求，應(yīng)該更深入總結(jié)轉(zhuǎn)向盤骨架結(jié)構(gòu)仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。

本文使用LS-DYNA 軟件對多個轉(zhuǎn)向盤三維模型進行仿真分析，再使用CATIA 軟件完成轉(zhuǎn)向盤骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，給出了一整套轉(zhuǎn)向盤骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的閉環(huán)系統(tǒng)。

1 LS-DYNA 仿真分析

LS-DYNA 有限元軟件在國內(nèi)使用率非常高[6]。對于轉(zhuǎn)向盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計,國內(nèi)外大都是通過CATIA或者UG 等三維軟件建立轉(zhuǎn)向盤三維模型,再使用LS-DYNA 等軟件進行有限元分析，對轉(zhuǎn)向盤的結(jié)構(gòu)性能進行評估[7]。轉(zhuǎn)向盤的仿真分析主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)向盤骨架，骨架是轉(zhuǎn)向盤的核心部件，其強度、剛度性能都要滿足國標(biāo)和企標(biāo)的相關(guān)要求。仿真分析通常包括以下幾個項目：抗彎特性分析、花鍵套推出分析、頭型物沖擊分析、上半身假人沖擊分析。在仿真分析之前，須確定骨架材料的各項參數(shù)，以便構(gòu)建正確的四面體網(wǎng)格。有兩種鎂鋁合金可用做骨架材料，分別為AM50A 和AM60B。鎂合金是比鋁材更為優(yōu)秀的輕質(zhì)合金材料，對汽車輕量化效果更明顯[8]。其相關(guān)指標(biāo)如下表1、表2 所示。

表1 鎂鋁合金AM50A 參數(shù)表

表2 鎂鋁合金AM60B 參數(shù)表

本文模型單元劃分采用4 面體網(wǎng)格，其基本尺寸為3 mm，前處理、后處理應(yīng)用有限元進行模型建立和分析結(jié)果評價。

1.1 抗彎特性仿真分析

在抗彎特性分析中，二輻條轉(zhuǎn)向盤容易出現(xiàn)安全余量不足、輻條斷裂的情況。主機廠要求加載轉(zhuǎn)向盤骨架的12 點鐘位置50 mm 的強制位移或者1 500 N 應(yīng)力，骨架力-變形曲線在最高、最低曲線范圍內(nèi)，骨架不允許有破壞。約束條件如圖1 所示。

圖1 抗彎特性仿真分析約束條件

仿真分析結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 最大應(yīng)力值

圖3 最大位移量

通過云圖可以看出，12 點位置施加 1 500 N 力時，轉(zhuǎn)向盤骨架輪緣與輻條連接處（圖2 紅圈處）最大應(yīng)力為228.2 MPa，轉(zhuǎn)向盤受力大于材料的屈服強度125 MPa，小于材料的抗拉強度230 MPa，發(fā)生塑性變形，安全余量不足，最大位移量為0.12 mm（圖3），有斷裂的風(fēng)險。

1.2 花鍵套推出仿真分析

轉(zhuǎn)向盤骨架花鍵套材料多為45#鋼，其相關(guān)指標(biāo)如表3 所示。

表3 45#鋼參數(shù)表

選取花鍵套推出仿真試驗失敗的某轉(zhuǎn)向盤骨架，按主機廠要求，花鍵套軸向拔脫力大于等于30 kN，負載持續(xù)10 s，試驗后骨架無裂痕、破壞現(xiàn)象。對轉(zhuǎn)向盤花鍵套表面施加30 kN 的軸向壓力，約束工況六個方向的自由度，約束條件如圖4 所示。

圖4 花鍵套推出仿真分析約束條件

仿真結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 最大應(yīng)力值

圖6 最大壓縮應(yīng)變值

通過應(yīng)力云圖能夠看出，在花鍵頂出過程中，轉(zhuǎn)向盤骨架應(yīng)力最大在圖示線束口位置，應(yīng)力值為229.89 MPa，已趨近于抗拉強度230 MPa，有斷裂的風(fēng)險；線束口最大壓縮應(yīng)變?yōu)?.188，已超過材料的應(yīng)變值0.15，有斷裂風(fēng)險。

1.3 頭型物沖擊仿真分析

本文選擇兩種仿真試驗失效的骨架。對頭型物沖擊試驗進行仿真分析,《GB 11557—2011》中規(guī)定人體模塊以24.1 km/h 擊轉(zhuǎn)向盤時，方向盤不得出現(xiàn)破壞現(xiàn)象[9]。仿真條件如圖7 所示。

圖7 頭型物沖擊仿真試驗約束條件

圖8 3 點鐘位置

二輻條仿真失效骨架：頭型物沖擊仿真分析共包含3 個位置：3、6 點鐘方向和12 點鐘方向。具體位置如圖8、圖9 所示，3 點鐘和6 點鐘方向失效。

圖9 6 點鐘位置

3、6 點鐘位置仿真結(jié)果如圖10、圖11 所示。

圖10 3 點鐘位置仿真結(jié)果

圖11 6 點鐘位置仿真結(jié)果

通過3 點鐘位置分析應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)，輻條根部位置已經(jīng)出現(xiàn)大面積的失效，最大應(yīng)力為230.2 MPa，超過了材料的抗拉強度230 MPa，不滿足要求；通過6 點鐘位置分析云圖可以發(fā)現(xiàn)，輪緣與輻條連接處已經(jīng)失效，最大應(yīng)力為230.2 MPa，超過了材料的抗拉強度230 MPa，不滿足要求。

四輻條仿真失效骨架：頭型物沖擊仿真分析同樣仿真3 點鐘方向、6 點鐘方向和12 點鐘方向位置，3 點鐘位置失效。

3 點鐘位置仿真結(jié)果如圖12 所示。

在轉(zhuǎn)向盤輪緣3 點鐘位置進行沖擊，最大應(yīng)變?yōu)?.13，趨近于延伸率0.15，安全余量已不足，骨架有發(fā)生斷裂的風(fēng)險。

圖12 最大應(yīng)變值

1.4 上半身假人沖擊仿真分析

本文選擇兩種仿真試驗失效的骨架?！禛B11557—2011》中規(guī)定人體模塊以24.1 km/h 擊轉(zhuǎn)向盤時，方向盤不得出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，50%假人受到的反作用力不大于11 123 N[9]。仿真條件如圖13 所示。

圖13 上半身假人沖擊仿真分析約束條件

兩輻條上半身假人仿真實驗結(jié)果如圖14 所示。

圖14 上半身假人仿真實驗結(jié)果

結(jié)果顯示，沖擊過程中轉(zhuǎn)向盤最大應(yīng)力集中在輪轂根部以及線束口位置，最大應(yīng)力為230.2 MPa，超過材料的抗拉強度230 MPa，有斷裂風(fēng)險，不滿足要求。

圖15 最大應(yīng)力值

四輻條上半身假人仿真實驗結(jié)果如圖15 所示。

如云圖所示，假人沖擊過程中轉(zhuǎn)向盤輻條的過渡位置應(yīng)力集中較大，最大應(yīng)力已達到234 MPa，超過材料的抗拉強度230 MPa，有斷裂風(fēng)險，不滿足要求。

綜上所述，以上仿真分析中均有轉(zhuǎn)向盤骨架失效，需對失效的骨架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 利用CATIA 創(chuàng)成式曲面設(shè)計方法進行優(yōu)化

骨架結(jié)構(gòu)使用CATIA 軟件進行優(yōu)化，優(yōu)化的目的是通過更改結(jié)構(gòu)來改變骨架中力的傳導(dǎo)方向，使骨架受力均勻，消除集中應(yīng)力。通常的優(yōu)化方式為改變轉(zhuǎn)向盤骨架輻條的寬度、增加骨架連結(jié)點、局部增加骨架厚度、增加對花鍵套的包裹厚度、添加加強筋。

2.1 頭型物沖擊和上半身假人沖擊優(yōu)化

使用增加骨架連結(jié)點的方法可以避免頭型物沖擊和上半身假人沖擊仿真試驗失效。因結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向盤應(yīng)力集中問題通常在輪輻位置[10]，使用CATIA 軟件中的創(chuàng)成式外形設(shè)計對轉(zhuǎn)向盤骨架進行優(yōu)化，增加二輻條骨架12 點鐘位置的連結(jié)點。圖16 為原骨架數(shù)據(jù)，圖17 為更改后數(shù)據(jù)。

圖16 原問題骨架數(shù)據(jù)

圖17 更改后骨架數(shù)據(jù)

再次進行頭型物沖擊仿真試驗，3、6 點位置的仿真結(jié)果如圖18、圖19 所示。

3、6 點鐘位置的最大應(yīng)力值分別為216.3、229.3 MPa，均未達到材料的抗拉強度，都滿足要求。

同理，再次進行上半身假人沖擊試驗仿真和臺架試驗測試，結(jié)果如圖20、圖21 所示。

沖擊過程中轉(zhuǎn)向盤最大應(yīng)力集中在輪轂根部以及線束口位置，最大應(yīng)力未達到材料的抗拉強度230 MPa，滿足要求。通過假人受力曲線（圖22）可以看出，在沖擊過程中，假人與方向盤總成接觸，假人所受的力逐漸增大，最大值為3 428 N，遠小于標(biāo)準(zhǔn)要求的11 123 N，滿足要求。

圖18 3 點鐘位置最大應(yīng)力值

圖19 6 點鐘位置最大應(yīng)力值

圖20 上半身假人沖擊試驗仿真結(jié)果

圖21 臺架試驗測試

接著對失效的四輻條骨架進行優(yōu)化，上文仿真結(jié)果顯示，四輻條骨架輻條處問題較大，故采用增加輻條寬度的方法來優(yōu)化應(yīng)力傳導(dǎo)。使用CATIA軟件中的創(chuàng)成式外形設(shè)計對轉(zhuǎn)向盤骨架進行優(yōu)化，增加四輻條骨架的輻條寬度。圖23 所示原骨架數(shù)據(jù)3、9 點鐘位置輻條寬度5.804 mm，圖24 為更改后數(shù)據(jù)，輻條寬度為7.727 mm。

圖22 假人受力曲線

圖23 原問題骨架3、9 點位置輻條

圖24 更改后骨架3、9 點位置輻條

對更改后數(shù)據(jù)進行3 點鐘位置頭型物沖擊仿真實驗，結(jié)果如圖25 所示。

圖25 最大應(yīng)變值

如應(yīng)力云圖所示，最大應(yīng)變?yōu)?.09，未達到材料的延伸率,轉(zhuǎn)向盤強度滿足要求。

對更改后數(shù)據(jù)進行上半身假人沖擊試驗仿真，結(jié)果如圖26 所示。

沖擊過程中轉(zhuǎn)向盤最大應(yīng)力集中在輪轂根部以及線束口位置，最大應(yīng)力未達到材料的抗拉強度230 MPa，滿足要求。通過假人受力曲線（圖27）可以看出，在沖擊過程中，假人與方向盤總成接觸，假人所受的力逐漸增大，在24 ms 受力最大為8 366.42 N，小于標(biāo)準(zhǔn)要求的11 123 N，滿足要求。

圖26 上半身假人沖擊試驗結(jié)果

圖27 假人受力曲線

2.2 抗彎特性優(yōu)化

抗彎特性優(yōu)化方式采用局部增加骨架厚度的方法來解決。使用CATIA 軟件中的創(chuàng)成式外形設(shè)計對轉(zhuǎn)向盤骨架進行優(yōu)化，增加二輻條骨架底板的厚度，保持與骨架上表面齊平為最好。圖28 為原骨架數(shù)據(jù)，圖29 為更改后數(shù)據(jù)。

圖28 原問題骨架數(shù)據(jù)

圖29 更改后骨架數(shù)據(jù)

對更改后數(shù)據(jù)進行抗彎特性仿真分析，結(jié)果如圖30、圖31 所示。

圖30 最大應(yīng)力值

圖31 最大受力強度值

仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向盤骨架輪緣與輻條連接處最大應(yīng)力為192.2 MPa，轉(zhuǎn)向盤受力大于材料的屈服強度125 MPa，小于材料的抗拉強度230 MPa。發(fā)生塑性變形，可以滿足要求。

2.3 花鍵套推出優(yōu)化

為了防止花鍵套推出試驗失效，一般采取增加對花鍵套的包裹厚度、添加加強筋的方法。用CATIA 軟件中的創(chuàng)成式外形設(shè)計對轉(zhuǎn)向盤骨架進行優(yōu)化，圖32 為原骨架數(shù)據(jù)，圖33 為更改后數(shù)據(jù)，分別添加了加強筋，增加了對花鍵套的包裹厚度。

圖32 原問題骨架數(shù)據(jù)

圖33 更改后骨架數(shù)據(jù)

對更改后數(shù)據(jù)抗彎特性試驗仿真，結(jié)果如圖34所示。

圖34 最大應(yīng)力值

仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向盤骨架應(yīng)力最大在圖示線束口位置，應(yīng)力值為181 MPa，小于抗拉強度為230 MPa，可以滿足要求。

圖35 最大壓縮應(yīng)變值

另外，如圖35 所示，最大壓縮應(yīng)變?yōu)?.006，小于材料的應(yīng)變值0.36，滿足要求。

綜上所述，轉(zhuǎn)向盤潛在斷裂風(fēng)險主要有兩方面原因：第一，盤體局部強度相對較弱。第二，結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理導(dǎo)致其應(yīng)力集中[11]。通過改變轉(zhuǎn)向盤骨架輻條的寬度、增加骨架連結(jié)點、局部增加骨架厚度、增加對花鍵套的包裹厚度、添加加強筋的方法來優(yōu)化轉(zhuǎn)向盤結(jié)構(gòu)是可行的。

3 結(jié)論

（1）在零部件進行前期開發(fā)的時候，引入仿真分析是十分必要的，不僅可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計存在的問題，給設(shè)計工作提供參考依據(jù)，還可以大大減少后期整改的時間及成本。通過LS-DYNA 軟件進行轉(zhuǎn)向盤骨架仿真分析，可快速發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤骨架結(jié)構(gòu)中存在的問題，找到失效點。

（2）使用CATIA 軟件的創(chuàng)成式曲面設(shè)計可以對失效的骨架結(jié)構(gòu)進行很好的優(yōu)化，優(yōu)化方式包括：改變轉(zhuǎn)向盤骨架輻條的寬度、增加骨架連結(jié)點、局部增加骨架厚度、增加對花鍵套的包裹厚度、添加加強筋。