王佳良　許棟鵬　趙振川　白雪　王曉山　耿明陽

摘 要：隨著國內(nèi)汽車行業(yè)及新能源汽車領(lǐng)域的快速崛起，產(chǎn)品變革周期縮短，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研發(fā)周期被大幅度壓縮。但隨著國內(nèi)主機(jī)廠發(fā)布的技術(shù)要求各項(xiàng)參數(shù)要求的日益嚴(yán)苛，甚至超過合資企業(yè)，使得轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)面臨壓力。本文舉例一種電動助力管柱，介紹基于Abaqus有限元仿真軟件，通過對主要的技術(shù)性能要求（管柱潰縮、靜態(tài)強(qiáng)度、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度和剛度、驅(qū)動單元強(qiáng)度及管柱的強(qiáng)度等）快速、準(zhǔn)確地計算，數(shù)據(jù)結(jié)果證明該思路可以有效縮短轉(zhuǎn)向管柱機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)的周期，對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)周期而言，運(yùn)用此方法可以整合出更多的資源進(jìn)行系統(tǒng)匹配。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向管柱 Abaqus 有限元計算 設(shè)計開發(fā)周期

1 引言

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對汽車的行駛安全至關(guān)重要，因此汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的零件都稱為保安件，其產(chǎn)品性能及可靠性必須滿足整車設(shè)計和法規(guī)[1]。轉(zhuǎn)向管柱是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中重要的組成環(huán)節(jié)，其基本作用是將方向盤的轉(zhuǎn)動通過轉(zhuǎn)向機(jī)傳遞到輪轂上，起到控制汽車轉(zhuǎn)向的作用。

其次，汽車是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，面臨著各種各樣復(fù)雜的工況考驗(yàn)，對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，所要面對的工況也是極其復(fù)雜的。目前，隨著國內(nèi)主機(jī)廠對整車技術(shù)要求日益增高，對轉(zhuǎn)向管柱的一些重要性能，如管柱潰縮曲線、靜態(tài)強(qiáng)度、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度和剛度、驅(qū)動單元強(qiáng)度及管柱的強(qiáng)度等，會遇到設(shè)計完成OTS驗(yàn)證階段出現(xiàn)達(dá)不到技術(shù)規(guī)范的要求情況，客戶會產(chǎn)生大量抱怨，最終會通過賠償或者簽訂偏差的形式進(jìn)行彌補(bǔ)。針對轉(zhuǎn)向管柱這一情況，本文通過舉例一款電動助力管柱設(shè)計開發(fā)驗(yàn)證過程，通過有限元計算驗(yàn)證各個重要局部小總成性能，最后匯總為轉(zhuǎn)向管柱總成性能，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱結(jié)構(gòu)計算、驗(yàn)證及優(yōu)化的目的，有效避免設(shè)計過程中缺陷及性能不達(dá)標(biāo)的問題。

2 電動助力轉(zhuǎn)向管柱的整體布置

2.1 硬點(diǎn)信息

結(jié)構(gòu)的整體布局，首先要明確轉(zhuǎn)向管柱在整車坐標(biāo)系下硬點(diǎn)坐標(biāo)。

根據(jù)整車硬點(diǎn)坐標(biāo)信息可以初步確定轉(zhuǎn)向管柱空間布置，再根據(jù)整車安裝點(diǎn)坐標(biāo)可以明確管柱主要的空間幾何約束尺寸，從而初步構(gòu)建整體結(jié)構(gòu)框架。

2.2 主要結(jié)構(gòu)選型

電動助力轉(zhuǎn)向管柱主要的結(jié)構(gòu)包括：潰縮機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、保持機(jī)構(gòu)、驅(qū)動單元等。

其主要選型依據(jù)：

（1）潰縮機(jī)構(gòu)，按照輸入技術(shù)規(guī)范要求，滿足潰縮曲線的前提下初步選用合適的擴(kuò)縮型式：內(nèi)潰式或外潰式。

（2）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：按照輸入整車周邊件定義手柄造型，按照技術(shù)要求選用手柄材質(zhì)。

（3）保持機(jī)構(gòu)：按照輸入安裝點(diǎn)信息確定安裝位置，再需要與潰縮、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行幾何空間配合。

（4）驅(qū)動單元：按照輸入技術(shù)規(guī)范要求，選用合適的傳動裝置及參數(shù)，如蝸輪蝸桿組合。

3 基于Abaqus的有限元計算驗(yàn)證

通過以往開發(fā)項(xiàng)目來看，通過主觀經(jīng)驗(yàn)設(shè)計后的轉(zhuǎn)向管柱結(jié)構(gòu)，若經(jīng)過工業(yè)化的快速樣件或手工樣件來進(jìn)行DV試驗(yàn)摸底，若性能達(dá)不到預(yù)期的要求，會在經(jīng)濟(jì)和時間成本上造成較大的浪費(fèi)，不利于項(xiàng)目周期的完成，也會造成研發(fā)費(fèi)用成本的提升。因此，可以對預(yù)先設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的有限元仿真計算成為有效的驗(yàn)證方案[2]。

本文基于Abaqus有限元仿真計算軟件，通過對電動助力轉(zhuǎn)向管柱的潰縮、調(diào)節(jié)、保持及管柱整體剛度性能進(jìn)行仿真計算，詳細(xì)介紹有限元方法基于轉(zhuǎn)向管柱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)方法。

3.1 潰縮

管柱潰縮，指的是轉(zhuǎn)向管柱在收到外界巨大的沖擊力時，管柱通過管管相抱等方式縮短軸向距離，避免沖擊駕駛員，起到安全保護(hù)的作用。因此，潰縮是轉(zhuǎn)向管柱一項(xiàng)重要的安全性能指標(biāo)。

對管柱潰縮量化的指標(biāo)：如本案例所示，橫坐標(biāo)距離，縱坐標(biāo)力，描述潰縮行程與潰縮力的關(guān)系。

在Abaqus中進(jìn)行建模，前處理：添加零件材料屬性，幾何發(fā)布，添加所有零部件接觸關(guān)系。邊界條件設(shè)定：固定上下安裝點(diǎn)，在轉(zhuǎn)向軸頂部沿軸線向下施加600mm/s的移動速度。

潰縮仿真計算邊界條件模型：

潰縮曲線計算結(jié)果：

通過轉(zhuǎn)向管柱潰縮曲線計算結(jié)果看來，基本滿足潰縮區(qū)間的技術(shù)要求，管柱潰縮結(jié)構(gòu)初步方案是有效的，最終結(jié)果制作樣件可以進(jìn)一步通過DV試驗(yàn)摸底來驗(yàn)證。

3.2 管柱靜態(tài)強(qiáng)度

靜態(tài)強(qiáng)度是描述轉(zhuǎn)向管柱在整車安裝位置固定后，收到外界較大的負(fù)載（如駕駛員上下車?yán)Х较虮P）地方破壞變形的能力，是描述轉(zhuǎn)向管柱性能的重要指標(biāo)之一。

邊界條件設(shè)定：固定上下安裝點(diǎn)，在方向盤中心的空間位置，沿著垂直于轉(zhuǎn)向管柱軸線的方向施加800N的載荷。構(gòu)架模型如下：

轉(zhuǎn)向管柱經(jīng)過靜態(tài)潰縮計算后，所有零件均未發(fā)生超過材料，主要結(jié)構(gòu)計算結(jié)果云圖如下圖5：

3.3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度

邊界條件設(shè)定：鎖止和松開方向施加300N集中力，Y方向施加150N集中力。（圖6）

計算結(jié)果：所有邊界條件對應(yīng)下的工況，均未出現(xiàn)超過材料屈服強(qiáng)度的應(yīng)力破壞。（圖7）

4 結(jié)束語

轉(zhuǎn)向管柱對應(yīng)的技術(shù)要求繁多且復(fù)雜，本文以某電動助力轉(zhuǎn)向管柱為例，列舉潰縮、靜態(tài)強(qiáng)度、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度等重要的性能要求進(jìn)行仿真計算驗(yàn)證，通過設(shè)計優(yōu)化、有限元計算輔助設(shè)計的思路，對外潰式電動助力轉(zhuǎn)向管柱性能進(jìn)行快速而準(zhǔn)確地進(jìn)行判斷。該設(shè)計驗(yàn)證方法可以有效地降低設(shè)計開發(fā)周期和研發(fā)費(fèi)用成本。

除轉(zhuǎn)向管柱外，汽車行業(yè)其他零部件的設(shè)計開發(fā)亦可以應(yīng)用該思路，以便快速適應(yīng)汽車行業(yè)快速迭代的趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉剛.淺談汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理及故障排除[J].黑龍江科技信息，2012（08）：41.

[2]王登峰，曾迥立．汽車吸能轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與駕駛員碰撞的仿真與試驗(yàn)[J].汽車工程，2003，25（1）：20-24．