黃毅，陳佳，鐘根丁，熊德明

某輕卡方向盤(pán)耐久性能仿真研究

黃毅，陳佳，鐘根丁，熊德明

（江鈴汽車(chē)股份有限公司 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330001）

方向盤(pán)是輕卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵部件，對(duì)整車(chē)耐久性能和駕乘人員的安全有著重要影響，文章針對(duì)某輕卡方向盤(pán)進(jìn)行了CAE疲勞耐久性能研究，結(jié)果表明，此輕卡方向盤(pán)耐久性能滿足目標(biāo)要求。

輕卡；方向盤(pán)；耐久性能

引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)蓬勃高速發(fā)展，人民的物質(zhì)生活水平日益提高，輕卡銷(xiāo)量也得迅猛攀升，與先前輕卡用戶用車(chē)選擇喜歡不同，當(dāng)代輕卡用戶在考慮輕卡承載性和價(jià)格的因素時(shí)，也重點(diǎn)關(guān)注整車(chē)NVH品質(zhì)。

方向盤(pán)是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部件，其與駕駛員直接接觸，其N(xiāo)VH振動(dòng)特性對(duì)駕駛員的主觀感受和安全行駛有著重要影響，其結(jié)構(gòu)耐久性能對(duì)整車(chē)安全屬性有著舉足輕重的作用和影響[1-5]。故研究方向盤(pán)耐久性能能具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

本文研究源于某輕卡新開(kāi)發(fā)方向盤(pán)，需確保其耐久性能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，基于汽車(chē)結(jié)構(gòu)理論和數(shù)值分析理論，利用Nastran軟件，對(duì)某輕卡方向盤(pán)進(jìn)行了CAE疲勞耐久分析和模態(tài)分析，CAE分析結(jié)果表明此輕卡方向盤(pán)耐久性能滿足目標(biāo)。

1 輕卡方向盤(pán)CAE疲勞耐久分析

1.1 方向盤(pán)FEA模型

本文采用Hyperworks軟件，對(duì)某輕卡方向盤(pán)進(jìn)行了建模，網(wǎng)格尺寸大小為3 mm，方向盤(pán)骨架材質(zhì)為鋁合金，其彈性模量為72 000 MPa，屈服強(qiáng)度為225 MPa。發(fā)泡材料質(zhì)量在模型中采用一維Mass單元模擬，方向盤(pán)有限元模型如圖1所示。

圖1 某輕卡方向盤(pán)FEA模型

1.2 方向盤(pán)CAE極限扭轉(zhuǎn)疲勞耐久分析

輕卡在行駛過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)猛打方向盤(pán)避讓情形，即方向盤(pán)極限扭轉(zhuǎn)工況，需校核該極限工況下的方向盤(pán)疲勞耐久性能，在上述FEA模型基礎(chǔ)上，按照設(shè)計(jì)DVP工況，約束軸心全部自由度，在12點(diǎn)位置，方向盤(pán)輪緣的切線方向施加330 Nm扭矩，試驗(yàn)前需檢查緊固件和花鍵狀態(tài)，邊界條件如圖2。

圖2 方向盤(pán)CAE極限扭轉(zhuǎn)疲勞邊界條件

圖3 方向盤(pán)CAE極限扭轉(zhuǎn)疲勞耐久分析結(jié)果

本文按照上述邊界條件，得到了某輕卡方向盤(pán)CAE極限扭轉(zhuǎn)疲勞耐久分析結(jié)果，可以得出，其最大塑性應(yīng)變值為0.1%，滿足目標(biāo)即等效塑性變形<12%。

1.3 方向盤(pán)CAE扭轉(zhuǎn)變形分析

本文開(kāi)展了方向盤(pán)扭轉(zhuǎn)變形CAE分析，固定方向盤(pán)安裝位置全部自由度，在12點(diǎn)位置，施加方向盤(pán)輪緣切線處950 N載荷，邊界條件如圖4所示，在Ncode軟件中得到圖5的扭轉(zhuǎn)變形分析結(jié)果，結(jié)果顯示，方向盤(pán)永久變形為0度，滿足目標(biāo)小于2度。

圖4 方向盤(pán)CAE扭轉(zhuǎn)變形分析邊界條件

圖5 方向盤(pán)CAE扭轉(zhuǎn)變形分析結(jié)果

1.4 方向盤(pán)CAE嵌入物疲勞耐久分析

方向盤(pán)在使用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)外界物體干涉嵌入情形，故需校核方向盤(pán)嵌入物疲勞耐久性能，邊界條件為約束方向盤(pán)骨架安裝位置全部自由度，在12點(diǎn)方向位置分別施加沿輪緣的垂直向載荷1=245 N，2=490 N，3=1 275 N，如圖6所示。

圖6 方向盤(pán)嵌入物靜態(tài)彎曲邊界條件

圖7 方向盤(pán)嵌入物靜態(tài)彎曲分析結(jié)果

本文按照上述邊界條件，得到如圖7的CAE疲勞分析結(jié)果，其最大塑性應(yīng)變值為0.8%，小于目標(biāo)值1.5%，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.5 方向盤(pán)CA旋轉(zhuǎn)疲勞耐久分析

方向盤(pán)主要是依靠人體雙手旋轉(zhuǎn)施加扭矩，并通過(guò)轉(zhuǎn)向管柱等機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，故輕卡在進(jìn)行正向設(shè)計(jì)期間，需重點(diǎn)考慮方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)疲勞耐久性能。本文按照如下圖8的邊界條件，即約束安裝位置部件全部自由度，在方向盤(pán)3點(diǎn)和9點(diǎn)位置施加237 N載荷，CAE疲勞分析結(jié)果如圖9所示，顯示該工況下，方向盤(pán)疲勞壽命值為2.6E7，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)大于2E6。

圖8 方向盤(pán)CAE旋轉(zhuǎn)疲勞耐久分析邊界

圖9 方向盤(pán)CAE旋轉(zhuǎn)疲勞耐久分析結(jié)果

2 輕卡方向盤(pán)模態(tài)分析

本文對(duì)某輕卡方向盤(pán)（駕駛室安裝狀態(tài)）o進(jìn)行了模態(tài)分析，得到如圖10分析結(jié)果，一階向前后晃動(dòng)模態(tài)頻率為40.3 Hz，二階X向橫向擺動(dòng)模態(tài)頻率為30.7 Hz，三階垂向振動(dòng)模態(tài)頻率為57.2 Hz，而該輕卡發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為750 r/min，共振頻率為26.7 Hz，結(jié)合方向盤(pán)安裝狀態(tài)下的各階頻率可得出，成功避開(kāi)了怠速共振，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 結(jié)論

本文基于汽車(chē)結(jié)構(gòu)理論和數(shù)值分析理論，利用Nastran軟件，對(duì)某輕卡方向盤(pán)進(jìn)行了CAE疲勞耐久分析和模態(tài)分析，CAE分析結(jié)果表明此輕卡方向盤(pán)耐久性能滿足目標(biāo)。

[1] 趙榮燦.某SUV高速行駛下方向盤(pán)振動(dòng)分析與減振措施[D].秦皇島:燕山大學(xué),2018.

[2] 徐小劍.基于ABAQUS的汽車(chē)方向盤(pán)模態(tài)仿真與試驗(yàn)分析[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2019,12(1):12-16.

[3] 王銳,蘇小平.汽車(chē)副車(chē)架強(qiáng)度模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014,35(4):46-58.

[4]黃勤,何帆影,宋磊,等.基于有限元方法的某輕卡車(chē)架性能研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2020(07):89-91.

[5] 吳靜.基于Nastran的客戶關(guān)聯(lián)場(chǎng)景下某輕卡車(chē)架強(qiáng)度性能研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2020(20):92-94.

Simulation Study on Durability of a Light Truck Steering Wheel

HUANG Yi, CHEN Jia, ZHONG Gending, XIONG Deming

( Product Development & Technical Center, Jiangling Motors Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330001 )

The steering wheel is the key component of the light truck steering system, which has an important impact on the durability of the whole vehicle and the safety of drivers and passengers. This paper studies the CAE fatigue durability of a light truck steering wheel, and the results show that the durability of the light truck steering wheel meets the target requirements.

Light truck; Steering wheel; Durability performance

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.040

U467

B

1671-7988(2021)21-153-03

U467

B

1671-7988(2021)21-153-03

黃毅，就職于江鈴汽車(chē)股份有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)中心。