方向盤、轉(zhuǎn)向管柱資料

1、方向盤的構(gòu)成1. 骨架，一般為鋅合金，或者鋁合金，現(xiàn)在有些生產(chǎn)廠家正在嘗試采用更便宜、更輕的鎂合金。骨架采用壓鑄生產(chǎn)。少部分廠家還在使用鋼材鈑金做骨架，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 2. 發(fā)泡，發(fā)泡材料在發(fā)泡機中生成，生產(chǎn)時骨架固定在發(fā)泡機中 1和2組合起來就是最簡單的方向盤了。    方向盤3. 有些方向盤要求外表縫皮，國內(nèi)一般由工人縫制完成， 4. 有些方向盤要求有木料，使用專用機器將木片一層層疊積并最后上漆， 5. 有些方向盤的木料用假木代替，假木一般是用PP，ABS等塑料注塑完成，然后上水印 6. 方向盤上都會有和主駕駛氣囊DAB對應(yīng)的安裝卡扣或螺釘孔 7. 有些方向盤上要求有喇叭觸

2、點，比較簡單的方式就是把喇叭觸點壓入骨架中，還有一種方式就是做一個喇叭觸點模塊并集成一部分電氣線束和電路板在上面 8. 有些方向盤要求有開關(guān)，主要位于spoke shell或者主氣囊兩側(cè)，功能一般為電臺，加減速，巡航，聲音，接電話等。方向盤不僅要提供安裝卡扣，還要提供線束接口。 9. 方向盤下一般會有多功能開關(guān)模塊，或者paddle shift，這時候，需要考慮電氣連接。汽車轉(zhuǎn)向管柱支架有限元分析與結(jié)構(gòu)改進 李  寧（長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）摘要：運用有限元分析軟件，對某新型轎車的轉(zhuǎn)向管柱支架進行了分析。有限元分析結(jié)論與實測情況相符，確認原有管柱支架

3、結(jié)構(gòu)需要進行改進。文章通過分析原有管柱支架的應(yīng)力分布情況，提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進方案，再用有限元分析法從眾多的備選方案找到最佳改進方案。改進后的管柱支架樣件經(jīng)裝車測試，達到使用要求，改善效果明顯。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向管柱；有限元；結(jié)構(gòu)；強度  中圖分類號：U464.13  文獻標識碼：A  文章編號：1674-0432（2010）-11-0244-20 前言隨著社會經(jīng)濟和汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車變得越來越普及。汽車轉(zhuǎn)向管柱作為駕駛員操控汽車的重要部件，其安全性和可靠性顯得尤為重要。在汽車行駛的過程中，任何來自轉(zhuǎn)向管柱的異響、卡滯和變形過大都會給駕駛員造成很大的

4、心理壓力，影響行車安全。轉(zhuǎn)向管柱主要包括轉(zhuǎn)向軸總成、上柱管、管柱支架、緊定螺栓、拉脫鎖、下柱管、下支架、旋鉚銷軸、鎖定手柄等（見圖1）。轉(zhuǎn)向軸總成通常是上端加工有連接花鍵，用來安裝方向盤；下端焊接有萬向節(jié)總成，與轉(zhuǎn)向器連接，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向扭矩的傳遞。上、下柱管裝配在一起，通過管柱支架和下支架安裝在車架上。拉脫鎖與管柱支架通過注塑裝配在一起。圖1 汽車轉(zhuǎn)向管柱外形示意圖1.轉(zhuǎn)向軸總成 2.上柱管 3.管柱支架 4.緊定螺栓5.拉脫鎖 6.下柱管 7.下支架 8.旋鉚銷軸 9.鎖定手柄1 問題提出某新型轎車的轉(zhuǎn)向管柱的原結(jié)構(gòu)如圖1所示。在轉(zhuǎn)向管柱試裝車時發(fā)現(xiàn)，用力晃動方向盤，可以感覺到方向盤有較明顯的上

5、下位移。當(dāng)一個體重約60kg的測試人員完全懸吊在方向盤上時，可觀察到管柱支架的拉脫鎖安裝位內(nèi)側(cè)有明顯的永久變形。由于我國現(xiàn)行的汽車轉(zhuǎn)向管柱總成標準中，沒有對該變形量的檢驗方法和指標，因此，參考日本馬自達制定的HM普力馬/福美來型轎車吸能轉(zhuǎn)向管柱軸總成性能試驗計劃書和日本的三菱標準ES- X 23023汽車轉(zhuǎn)向柱1，在轉(zhuǎn)向軸頂部（即輸入端）裝上方向盤，沿垂直于軸線方向施加280N的靜載荷。測得方向盤中心點的位移為2.3mm,有較明顯的移動手感.通過觀察和測量，可初步確定其原因為支架的強度和剛度不夠。2 管柱支架受力分析整個轉(zhuǎn)向管柱在工作狀態(tài)下的力學(xué)模型可抽象為一個杠桿（如圖1）。旋鉚銷軸處為支點

6、O；作用在方向盤上的力簡化為集中力F，與O點的距離為L2；管柱支架對轉(zhuǎn)向管柱的反力簡化為集中力N，與O點的距離為L1。建立平衡狀態(tài)下的力矩方程：F·L2-N·L1=0可求得：根據(jù)國外的標準和經(jīng)驗，本研究確定試驗載荷F=280N。根據(jù)實際結(jié)構(gòu)H=150mm；L1=105mm；L2=457mm，可求得集中力N=1218.7N。3 原結(jié)構(gòu)有限元分析3.1 模型簡化管柱支架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜（如圖2）。支架翼板與立板焊接，拉脫鎖與翼板間通過注塑銷連接，彈簧掛孔處于翼板與立板焊縫旁邊。通過分析其工作狀態(tài)和外載荷情況，在不影響分析結(jié)果的前提下，對模型作如下簡化：圖2  管柱支架分實

7、體結(jié)構(gòu)1.支架立板 2.彈簧掛孔 3.拉脫鎖 4.支架翼板（1）不考慮管柱支架重力的作用。（2）忽略焊縫的影響。（3）忽略遠離應(yīng)力集中區(qū)的復(fù)雜局部結(jié)構(gòu)影響。（4）根據(jù)圣維南理論，將豎直方向的兩個安裝板結(jié)構(gòu)簡化，同時將集中載荷換算為等效的面載荷2。簡化后的管柱支架的模型如圖3所示。3.2 材料特性參數(shù)用線彈性材料本構(gòu)模型模擬支架鋼材，管柱支架的材料為：SPHC熱軋鋼板，F(xiàn)B3.2（PT.B）×1200（EC）；彈性模量：E=200GPa，泊松比：=0.3；屈服極限：S=410Mpa。3.3 模型網(wǎng)格劃分選用8節(jié)點solid92單元，以智能網(wǎng)格與局部加密的方法，將模型劃分為如圖3所示的網(wǎng)

8、格。圖3  管柱支架模型網(wǎng)格圖3.4 載荷與約束根據(jù)管柱支架受力分析，在轉(zhuǎn)向盤的中心施加280N的靜載荷，可轉(zhuǎn)化為管柱支架安裝板受到豎直方向的等效均布載荷7.6MPa。由于拉脫鎖對支架的約束，限制了支架Y方向（豎直方向）的位移，所以，在安裝拉脫鎖區(qū)域施加UY約束。拉脫鎖的V面限制了支架在前后和左右方向的位移，因此在V面上施加全約束。3.5 結(jié)果與分析模型劃分網(wǎng)格后，施加約束和載荷，分析得到的結(jié)果如下：圖4  合成應(yīng)力圖最大合成應(yīng)力出現(xiàn)在彈簧掛孔處（圖4中MX處），其值為474MPa，大于材料的屈服強度（S=410MPa）。支架的最大合成應(yīng)變?yōu)?.3mm，最大合成應(yīng)變出現(xiàn)在遠

9、離V型槽的部分。支架的應(yīng)變反映到轉(zhuǎn)向盤中心點,其位移為2.27mm，與實測結(jié)果相符，說明該有限元模型的分析結(jié)果是可信的。該結(jié)構(gòu)的支架應(yīng)力集中情況明顯，在方向盤上280N負載的作用下，應(yīng)力集中的部位會產(chǎn)生塑性變形。因此，通過有限元分析可以認定，原結(jié)構(gòu)的支架強度和剛度都不夠。4 支架結(jié)構(gòu)改進與有限元分析鑒于管柱支架原結(jié)構(gòu)不能滿足使用要求，有必要在不影響管柱及其相關(guān)部件裝配的前提下，對管柱支架的結(jié)構(gòu)進行改進。改進可從以下方面進行考慮：（1）支架翼板的厚度偏小是造成強度和剛度不夠的原因之一，可以通過適當(dāng)增加翼板厚度來改善結(jié)構(gòu)的強度和剛度。（2）由于應(yīng)力集中點出現(xiàn)在彈簧掛孔處，因此，可以在不影響功能的情

10、況下，將該彈簧掛孔到移出應(yīng)力大的區(qū)域，降低局部應(yīng)力。（3）支架立板與翼板的連接長度偏小，使得應(yīng)力集中在彈簧掛孔處。如果適當(dāng)增加連接長度，可以使應(yīng)力分布趨于均勻。（4）彈簧掛孔附近的圓角和直角也是造成該處應(yīng)力集中的因素之一，取消圓角和直角不但能緩解應(yīng)力集中，也能降低加工難度3。（5）支架翼板左右兩端的翻邊應(yīng)力很?。ㄈ鐖D2），而且加工比較困難，可以將該處的翻邊直接省去。尤其是在增加翼板厚度的情況下，更有必要省去翻邊。綜合考慮管柱支架的安裝和連接、板材選用、沖模更改、工藝改善、成本估算等各方面因素后，對管柱支架的結(jié)構(gòu)進行改進。通過使用有限元分析軟件對大量備選方案進行分析和調(diào)整，最終確定改進方案為：翼

11、板厚度由3.2mm增加到4.8mm；彈簧掛孔后移25mm；支架立板長度加長10mm；彈簧掛孔旁的棱邊外移，直到與V槽口相連；支架翼板左右兩端不翻邊。改進后的支架結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。圖5 改進后的支架模型圖通過對選定的改進方案進行有限元模型建立、劃分網(wǎng)格、施加載荷和分析求解后，得到的分析結(jié)果如下：圖6 合成應(yīng)力圖最大合成應(yīng)力出現(xiàn)在兩邊V型槽口處（如圖6中MX處），其值為275MPa，小于材料的屈服強度（S=410MPa）。支架的最大合成應(yīng)變?yōu)?.12mm，支架的位移反映到轉(zhuǎn)向盤中心點,其位移為0.9mm，移動的手感不明顯。因此，改進后的支架結(jié)構(gòu)強度和剛度足夠，加工方便，能滿足安全使用要求。5 結(jié)語本文采用有限元分析軟件，對某新型轎車的轉(zhuǎn)向管柱支架進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)強度和剛度不夠。有限分析結(jié)論與實測情況相符，因此確認了原有管柱支架結(jié)構(gòu)需要進行改進。通過分析原有管柱支架的應(yīng)力發(fā)布情況，提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進方案，再用有限元分析法從眾多的備選方案找到最佳改進方案?？s短了改型設(shè)計周期，節(jié)約了成本。改進后的管柱支架樣件經(jīng)裝車測試，剛度和強度均達到使用要求，