高成彥，侯臣，房心強(qiáng)

(博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司，上海 201821)

0 引言

研究表明：車輛碰撞會分成兩個(gè)階段，即第一階段是車身與外界相碰，第二階段是人與車內(nèi)組件相碰[1]。人體受到的傷害大約有46%是由方向盤、轉(zhuǎn)向管柱等轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)所造成的第二種碰撞[2]，而二次碰撞中由于胸部和頭部沖擊導(dǎo)致的傷害至今仍然是交通事故中最常見的駕駛員傷害類型[3]，所以研究轉(zhuǎn)向管柱的吸能非常重要。

國內(nèi)研究轉(zhuǎn)向管柱碰撞試驗(yàn)和進(jìn)行仿真分析的文獻(xiàn)非常多，CAE技術(shù)也成為當(dāng)今汽車開發(fā)過程中不可或缺的工具，但是大部分的文獻(xiàn)中均未能給出轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)詳細(xì)的建模方法[4]，對于管柱吸能帶的仿真研究就更少了。究其原因：(1)雖然吸能帶種類形狀各異，但是每個(gè)企業(yè)常用的可能就一兩種，所以企業(yè)本身就會積累很多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并總結(jié)成數(shù)據(jù)庫，有類似的結(jié)構(gòu)時(shí)，工程師就可以按照分配的力進(jìn)行吸能帶選型；(2)吸能帶子總成相對結(jié)構(gòu)簡單，當(dāng)開發(fā)一個(gè)新的設(shè)計(jì)后，工程師更愿意去相信試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以會傾向于做幾種不同尺寸的快速樣件去測量，然后通過結(jié)果去調(diào)整結(jié)構(gòu)。所以綜上兩點(diǎn)，企業(yè)不會對吸能帶的仿真投入過多的精力去研究，但是按照作者經(jīng)驗(yàn)，完善吸能帶潰縮數(shù)據(jù)庫再結(jié)合CAE與試驗(yàn)的參數(shù)標(biāo)定，CAE可以起到非常好的預(yù)測作用，所以重視CAE在吸能帶仿真中的應(yīng)用，并了解里面的參數(shù)對潰縮力的影響程度，可以大大降低試驗(yàn)和模具修改費(fèi)用。

1 轉(zhuǎn)向管柱的吸能機(jī)構(gòu)和吸能帶類型

轉(zhuǎn)向管柱碰撞吸能機(jī)構(gòu)一般需要設(shè)計(jì)兩個(gè)單獨(dú)的結(jié)構(gòu)來分別實(shí)現(xiàn)啟動峰值力和連續(xù)吸能兩部分功能[5]。

(1)實(shí)現(xiàn)啟動峰值力的常見結(jié)構(gòu)有：注塑銷釘剪切塊、金屬摩擦式拉脫塊和過盈壓配拉脫塊等。

(2)實(shí)現(xiàn)連續(xù)吸能過程的常見機(jī)構(gòu)有：過盈裝配的上下柱管、手柄鎖緊的上下柱管、軸軸注塑滑動結(jié)構(gòu)以及吸能鋼帶等。

其中吸能鋼帶的潰縮力值穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，一般與管管摩擦配合使用組成管柱持續(xù)吸能機(jī)構(gòu)，而且每種吸能帶都可以有不同的結(jié)構(gòu)變異，比如第一種拉伸式J型吸能帶，也可以把矩形截面設(shè)計(jì)成圓柱截面。

轉(zhuǎn)向管柱中最常見的吸能帶類型有4種，如圖1—圖4所示。

2 吸能帶的工作原理和潰縮力分析

文中針對3種最常見的吸能帶“拉伸式J型吸能帶”、“纏繞式吸能鋼卷”以及“滑槽防脫式吸能帶”分別介紹其工作原理以及其典型的潰縮曲線，由于撕裂式的吸能鋼帶雖然結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低廉，但是潰縮中的穩(wěn)定性不如其他3種，故實(shí)際使用的較少，文中就不再介紹。

2.1 J型吸能帶

當(dāng)把該種類型吸能帶豎起來時(shí)，從正面看上去就像一個(gè)字母“J”，所以常稱為J型吸能帶，通常截面形狀為矩形，其優(yōu)點(diǎn)是覆蓋的力值范圍大、裝配工藝簡單，缺點(diǎn)是單個(gè)吸能帶折彎成型過程復(fù)雜，而且額外需要一塊頂板支架來配合吸能帶的變形。

J型吸能帶通過螺釘與上支架固定在一起，如圖5所示，當(dāng)管柱發(fā)生潰縮時(shí)，頂板支架固定不動，上支架帶動螺釘和吸能帶一起往后移動，吸能帶在移動過程中發(fā)生卷曲變形，直至潰縮結(jié)束。

在設(shè)計(jì)該種吸能帶時(shí)，會有兩個(gè)特征來控制吸能帶的變形：一個(gè)是頂板支架上的壓板，這個(gè)特征控制吸能帶變形時(shí)翹起的角度在一定范圍內(nèi)；另外一個(gè)是頂板支架前端的半圓狀摩擦導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，這個(gè)特征決定了吸能帶卷曲變形的運(yùn)動半徑。吸能帶會在這兩個(gè)特征的約束下，沿著半圓狀摩擦導(dǎo)向結(jié)構(gòu)發(fā)生冷卷變形，從初始的J形緩緩地被拉平，這個(gè)過程產(chǎn)生的限制管柱往后移的力俗稱吸能帶力，這個(gè)力大小也與吸能帶材料的屈服強(qiáng)度，以及吸能帶本身的高度、寬度，以及吸能帶與支架之間的摩擦因數(shù)等有關(guān)，其典型潰縮力值曲線如圖6所示。

圖5 某J型吸能帶的子總成

圖6 某J型吸能帶的力和位移曲線

2.2 鋼絲卷型吸能帶

鋼絲卷型吸能帶又稱環(huán)形吸能帶通常使用在頂板沒有安裝空間的轉(zhuǎn)向管柱上，一般與注塑銷釘剪切塊配合安裝，優(yōu)點(diǎn)是占用空間小、力值穩(wěn)定，缺點(diǎn)是力值匹配的范圍有限，單根吸能帶的作用力通常在300～1 200 N之間，而且零部件多、裝配的過程繁瑣。

卷狀的吸能鋼帶主體被纏繞在鋼圈上，吸能帶前端有掛鉤狀的特征卡在支架的槽里，當(dāng)支架開始運(yùn)動后會帶著卡在支架里的吸能帶掛鉤一起運(yùn)動，由于吸能帶是纏繞在被固定住的金屬鋼圈上的，所以吸能鋼帶只能繞著鋼圈做旋轉(zhuǎn)拉伸，沿著卷制相反的方向被拉回成直線，這個(gè)抽出吸能帶所需要的力就是吸能帶在管柱潰縮所起到的作用力，具體結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 鋼絲卷型吸能帶的子總成

卷狀的吸能帶力值取決于鋼絲卷的橫截面積、材料的屈服強(qiáng)度、鋼圈的直徑等參數(shù)，其典型的潰縮力值如圖8所示。

圖8 某鋼絲卷型吸能帶的力和位移曲線

2.3 滑槽防脫型吸能帶

滑槽防脫型吸能帶由于集成了產(chǎn)生峰值力和持續(xù)變形吸能兩個(gè)功能，所以優(yōu)點(diǎn)是安裝部件少、結(jié)構(gòu)工藝簡單，而且可以不增加零部件就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱在潰縮過程中的防脫落功能，缺點(diǎn)是因?yàn)槲軒闆_壓件，所以整個(gè)零部件厚度是一樣的，可能存在拉脫峰值力和吸能帶持續(xù)變形力無法匹配客戶需要的問題；另外在潰縮過程中，螺釘會在吸能帶內(nèi)部摩擦，如果吸能帶內(nèi)壁毛刺沒有處理好的話，可能會導(dǎo)致吸能帶力的波動比較大。

滑槽防脫型吸能帶子總成由吸能帶、螺釘、上支架組成，管柱裝配完后，吸能帶前方的拉脫塊是通過安裝螺栓打緊在CCB或工裝上的，在管柱潰縮過程中都是固定不動的，當(dāng)管柱開始潰縮時(shí)，管柱整體通過上支架帶動螺釘在吸能帶中滑動，通過螺釘持續(xù)撐開吸能帶變形，達(dá)到一個(gè)吸能的效果，具體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 滑槽防脫型吸能帶的子總成

該種吸能帶的力值取決于吸能帶的橫截面積、材料的屈服強(qiáng)度，以及吸能帶之間槽的寬度等參數(shù)，某項(xiàng)目的吸能帶力值曲線如圖10所示，因?yàn)樵撉€包含了起始的拉脫峰值力，所以有兩個(gè)峰值。

圖10 滑槽防脫型吸能帶的力和位移曲線

3 吸能帶在設(shè)計(jì)過程中的常見問題以及解決方法

3.1 J型吸能帶遇到的問題

文中主要介紹J型吸能帶的一些常見問題，比如匹配不同力值的參數(shù)調(diào)整方法和針對一些特殊的客戶需求的修改方法。

3.1.1 J型吸能帶的力值匹配

按照吸能帶變形原理，總結(jié)出了影響吸能帶力值的主要因子有摩擦因數(shù)、吸能帶的厚度和寬度、吸能帶材料的屈服、破壞強(qiáng)度以及頂板支架導(dǎo)圓的半徑等，這其中與材料有關(guān)的是摩擦因數(shù)和材料的強(qiáng)度參數(shù)，這些因子一般隨著支架或吸能帶材料的確定是可以認(rèn)為固定不變的，而支架導(dǎo)圓半徑R的常規(guī)設(shè)計(jì)值在2.5～3 mm之間，選定后也不再更改，所以實(shí)際需要調(diào)整的參數(shù)是吸能帶的寬度和高度，下面就以吸能帶的寬度和厚度做單因子變量試驗(yàn)，其他變量不變，單獨(dú)研究這兩個(gè)參數(shù)對力值的影響程度，如圖11和圖12所示。

圖11 不同寬度的吸能帶力

圖12 不同厚度的吸能帶力

由圖可知，吸能帶的力與寬度呈完美線性相關(guān)的，在一定范圍內(nèi)與厚度呈接近線性相關(guān)，所以如果需要吸能帶提供的力與偏差不大，那么可以直接修改寬度即可，比如有4 mm寬度和5 mm寬度的力，那么進(jìn)行差值計(jì)算就可以快速估算出需要的吸能帶寬度；如果需求的吸能帶力與初始方案計(jì)算出來的力差別較大，則可以通過修改厚度實(shí)現(xiàn)，但是由于厚度的這個(gè)參數(shù)對力更敏感，所以在估算出需要的厚度后依然需要仿真或試驗(yàn)來獲取新厚度下的吸能帶力的準(zhǔn)確值。

3.1.2 面對特定延遲需求和需要降低起動峰值力的設(shè)計(jì)思路

(1)有些整車廠分配給管柱的持續(xù)段起始力比較小，或者希望吸能帶起作用的時(shí)機(jī)和剪切塊脫落的過程錯開，那么就可以在吸能帶的前端設(shè)計(jì)一個(gè)空滑的延時(shí)機(jī)構(gòu)，如圖13所示。

圖13 增加吸能帶的空滑行程

(2)有的客戶希望吸能帶起始的力盡可能平滑，不要出現(xiàn)小的峰值，則可以在吸能帶的前端局部變窄，這樣就可以避免如圖6那樣的一個(gè)起始峰值力，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖14所示。

圖14 修改局部寬度來降低吸能帶起始峰值力

3.1.3 滿足漸變性能的設(shè)計(jì)思路

(1)如果管柱的持續(xù)吸能階段有需要力逐漸上升的要求，比如某管柱在20～70 mm的靜潰曲線要求如圖15所示，那么最簡單的方法就是把吸能帶的寬度設(shè)計(jì)成漸變式的，如圖16所示，這樣在其他機(jī)構(gòu)產(chǎn)生潰縮力穩(wěn)定的前提下，只通過修改吸能帶寬度就達(dá)到了滿足力上升的需求。

圖15 某主機(jī)廠的持續(xù)潰縮曲線要求

圖16 設(shè)計(jì)成寬度漸增的吸能帶

(2)在設(shè)計(jì)這種力逐漸上升的吸能帶時(shí)需要注意，雖然吸能帶可以設(shè)計(jì)成漸變式，而且選用的材料也為延展性較好的塑性材料，但是任何材料都有強(qiáng)度極限，如果有客戶希望管柱的潰縮力在潰縮行程末端突然上升很大，如圖17所示。

圖17 某主機(jī)廠的持續(xù)潰縮曲線要求

那么從設(shè)計(jì)來說就不能簡單地把吸能帶變形的最后區(qū)域突然加粗很多，而是想辦法在最后階段增加額外的管管力(比如潰縮快到底時(shí)，可以把管管的配合間隙調(diào)整為過盈)如圖18所示，或者在潰縮末端增加額外的吸能機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，否則類似圖16的這種吸能帶初始較窄的截面會無法抗住突然增大的變形力而直接被拉成頸縮狀導(dǎo)致斷裂了。

圖18 管管潰縮端部設(shè)計(jì)成凸起

3.2 纏繞式吸能鋼絲卷帶遇到的問題

文中主要介紹纏繞式吸能鋼絲卷的力值調(diào)整方法，并以一種環(huán)形吸能帶實(shí)際潰縮失效項(xiàng)目作為案例，展示了仿真技術(shù)在解決問題中的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。

3.2.1 纏繞式吸能帶的力值匹配

纏繞型吸能帶與J型吸能帶一樣，首先面臨的是力值的調(diào)整問題，通常該種吸能帶通過理論公式和仿真都可以得到較好的力值計(jì)算精度，所以工程上很少碰到設(shè)計(jì)力與試驗(yàn)力差別很大的情況。一般在鋼圈的尺寸確定好后，按照客戶的潰縮力值要求去確定截面就可以了，通常截面設(shè)計(jì)成邊長為2～4 mm之間的正方形或者矩形，不同截面對應(yīng)的力值見表1。

表1 不同截面形狀下的變形力理論表

如果力值偏小還是無法滿足，則可以選用屈服和抗拉強(qiáng)度更高的材料，圖19為相同截面、不同材料的CAE和試驗(yàn)的對比曲線，這里的材料分別為65錳和10號鋼。

圖19 不同材料吸能帶實(shí)驗(yàn)和CAE力值

如果CAE和試驗(yàn)曲線進(jìn)行對標(biāo)時(shí)發(fā)現(xiàn)存在明顯差異，則首先需要去核實(shí)CAE里所用材料參數(shù)的準(zhǔn)確性，因?yàn)镃AE選取的吸能帶參數(shù)一般為國標(biāo)或企標(biāo)的最低值，當(dāng)材料牌號定下后，就需要通過實(shí)際的拉伸棒曲線去修正仿真用材料參數(shù)。

3.2.2 吸能帶掛鉤變形過大導(dǎo)致滑車失效

某項(xiàng)目的滑車試驗(yàn)如圖20所示，發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)向管柱在潰縮過程中，吸能帶前端本因掛在支架里的折彎部分被掰直了，導(dǎo)致吸能帶從支架里滑了出來，如圖21所示，這種變形方式導(dǎo)致吸能帶無法正常吸收能量，需要尋找原因并提出解決方案。

圖20 某項(xiàng)目滑車試驗(yàn)

圖21 吸能帶掛鉤脫出示意

在查看CAE和實(shí)驗(yàn)的管柱靜潰報(bào)告后，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)潰縮下的吸能帶變形是正常的，也沒有任何零件的失效，但是在滑車試驗(yàn)視頻中，發(fā)現(xiàn)本應(yīng)該嵌在支架里的塑料卡夾，如圖22所示，在動潰時(shí)被撞壞并飛了出去，并且吸能帶在潰縮過程中出現(xiàn)了兩個(gè)變形區(qū)域，如圖23的1和2區(qū)域，1區(qū)域是期望的變形區(qū)域，而2是不應(yīng)該發(fā)生變形的區(qū)域，所以研究這個(gè)脫出問題就導(dǎo)向到研究這個(gè)塑料件對吸能帶變形的影響以及兩個(gè)截面在吸能帶潰縮時(shí)的各自的抗彎能力上去了。這里采用通用有限元軟件Abaqus對這個(gè)吸能帶潰縮的過程進(jìn)行仿真分析。

圖22 吸能帶卡夾

圖23 吸能帶兩處折彎的形狀

由仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，塑料件對吸能帶折彎處的受力影響很大，最主要就是吸能帶剛開始變形時(shí)的接觸位置不同。如果模型里有塑料件，則吸能帶的折彎根部先與塑料件接觸如圖24所示，這種受力情況使得吸能帶折彎的根部受到的力矩比較小，吸能帶折彎處不會發(fā)生變形，所以吸能帶可以一直抵在塑料上直到潰縮結(jié)束，如圖25所示。

圖24 有吸能帶卡夾下吸能帶初始接觸狀況

圖25 有吸能帶卡夾的吸能帶變形結(jié)束狀態(tài)

而如果沒有塑料件，吸能帶折彎的頂部就直接和U型支架接觸了，如圖26所示，這種受力情況使得吸能帶折彎的根部受到的力矩比較大，而且動潰試驗(yàn)的整個(gè)管柱的速度較快，在吸能帶折彎區(qū)域撞擊到支架后，由于慣性作用，存在折彎區(qū)域繼續(xù)變形的風(fēng)險(xiǎn)。

圖26 3 mm×3 mm截面無塑料件卡夾的吸能帶變形

為了更好地驗(yàn)證圖23中的折彎區(qū)域1和折彎區(qū)域2的抗彎能力，以及找到優(yōu)化方案，這里分別選取了3 mm×3 mm截面和之前失效的4 mm×2 mm截面的吸能帶進(jìn)行不帶塑料件的拉伸仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3 mm×3 mm的吸能帶可以掛在支架上直至潰縮結(jié)束，如圖26所示，而4 mm×2 mm的就發(fā)生了如同實(shí)驗(yàn)失效中的結(jié)果，即吸能帶前端折彎從支架卡槽里滑落了出來，如圖27所示。

綜上所述，吸能帶的失效與塑料件的斷裂失效和截面的形狀設(shè)計(jì)都有關(guān)系，優(yōu)化方案就是一方面需要增強(qiáng)塑料件的抗沖擊強(qiáng)度，不讓其發(fā)生失效，使得吸能帶折彎處的受力區(qū)域靠近底部，而不是頂部；另一方面需要對吸能帶截面的設(shè)計(jì)定下規(guī)則：優(yōu)先采用2 mm×2 mm，3 mm×3 mm和4 mm×4 mm這種矩形截面，這樣相對初始的4 mm×2 mm截面達(dá)到了提高吸能帶掛鉤處的抗彎剛度，并削弱纏繞部分的抗彎剛度的目的，如果還是需要使用矩形截面的，則需要控制矩形截面的高度和寬度不能相差很大。

圖27 4 mm×2 mm截面塑料件卡夾的吸能帶變形

4 結(jié)論

文中介紹了幾種轉(zhuǎn)向管柱中常見的吸能鋼帶的工作原理以及潰縮力曲線，并詳細(xì)介紹了“拉伸式J型吸能帶”和“纏繞式吸能鋼卷”在設(shè)計(jì)開發(fā)中的所遇到的常見問題和解決方法。同時(shí)以某采用鋼絲卷型吸能帶的管柱潰縮失效作為案例，介紹了如何通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和失效樣件的解讀，利用仿真技術(shù)一步步找到實(shí)際失效的原因，并驗(yàn)證新方案的可行性，說明在轉(zhuǎn)向管柱的潰縮研究中，利用有限元仿真是一種精度高、速度快的方法，可以為轉(zhuǎn)向管柱的潰縮安全性能開發(fā)設(shè)計(jì)提供有力的支持。

同時(shí)從結(jié)果也可以看到在對轉(zhuǎn)向管柱進(jìn)行潰縮模擬時(shí)，不僅需要關(guān)注潰縮過程中的力值是否符合預(yù)期，也需要關(guān)注整個(gè)潰縮過程尤其運(yùn)動速度較快的動潰過程中，零件的強(qiáng)度和零件之間的配合情況，這樣才能得到真實(shí)且合理的仿真結(jié)果。