方向盘、转向管柱资料.doc

方向盘的构成1. 骨架，一般为锌合金，或者铝合金，现在有些生产厂家正在尝试采用更便宜、更轻的镁合金。骨架采用压铸生产。少部分厂家还在使用钢材钣金做骨架，结构复杂。 2. 发泡，发泡材料在发泡机中生成，生产时骨架固定在发泡机中 1和2组合起来就是最简单的方向盘了。 方向盘3. 有些方向盘要求外表缝皮，国内一般由工人缝制完成， 4. 有些方向盘要求有木料，使用专用机器将木片一层层叠积并最后上漆， 5. 有些方向盘的木料用假木代替，假木一般是用PP，ABS等塑料注塑完成，然后上水印 6. 方向盘上都会有和主驾驶气囊DAB对应的安装卡扣或螺钉孔 7. 有些方向盘上要求有喇叭触点，比较简单的方式就是把喇叭触点压入骨架中，还有一种方式就是做一个喇叭触点模块并集成一部分电气线束和电路板在上面 8. 有些方向盘要求有开关，主要位于spoke shell或者主气囊两侧，功能一般为电台，加减速，巡航，声音，接电话等。方向盘不仅要提供安装卡扣，还要提供线束接口。 9. 方向盘下一般会有多功能开关模块，或者paddle shift，这时候，需要考虑电气连接。汽车转向管柱支架有限元分析与结构改进李 宁（长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023）摘要：运用有限元分析软件，对某新型轿车的转向管柱支架进行了分析。有限元分析结论与实测情况相符，确认原有管柱支架结构需要进行改进。文章通过分析原有管柱支架的应力分布情况，提出相应的结构改进方案，再用有限元分析法从众多的备选方案找到最佳改进方案。改进后的管柱支架样件经装车测试，达到使用要求，改善效果明显。关键词：转向管柱；有限元；结构；强度 中图分类号：U464.13文献标识码：A文章编号：1674-0432（2010）-11-0244-20 前言随着社会经济和汽车工业的发展，汽车变得越来越普及。汽车转向管柱作为驾驶员操控汽车的重要部件，其安全性和可靠性显得尤为重要。在汽车行驶的过程中，任何来自转向管柱的异响、卡滞和变形过大都会给驾驶员造成很大的心理压力，影响行车安全。转向管柱主要包括转向轴总成、上柱管、管柱支架、紧定螺栓、拉脱锁、下柱管、下支架、旋铆销轴、锁定手柄等（见图1）。转向轴总成通常是上端加工有连接花键，用来安装方向盘；下端焊接有万向节总成，与转向器连接，实现转向扭矩的传递。上、下柱管装配在一起，通过管柱支架和下支架安装在车架上。拉脱锁与管柱支架通过注塑装配在一起。图1 汽车转向管柱外形示意图1.转向轴总成 2.上柱管 3.管柱支架 4.紧定螺栓5.拉脱锁 6.下柱管 7.下支架 8.旋铆销轴 9.锁定手柄1 问题提出某新型轿车的转向管柱的原结构如图1所示。在转向管柱试装车时发现，用力晃动方向盘，可以感觉到方向盘有较明显的上下位移。当一个体重约60kg的测试人员完全悬吊在方向盘上时，可观察到管柱支架的拉脱锁安装位内侧有明显的永久变形。由于我国现行的汽车转向管柱总成标准中，没有对该变形量的检验方法和指标，因此，参考日本马自达制定的HM普力马/福美来型轿车吸能转向管柱轴总成性能试验计划书和日本的三菱标准ES- X 23023汽车转向柱1，在转向轴顶部（即输入端）装上方向盘，沿垂直于轴线方向施加280N的静载荷。测得方向盘中心点的位移为2.3mm,有较明显的移动手感.通过观察和测量，可初步确定其原因为支架的强度和刚度不够。2 管柱支架受力分析整个转向管柱在工作状态下的力学模型可抽象为一个杠杆（如图1）。旋铆销轴处为支点O；作用在方向盘上的力简化为集中力F，与O点的距离为L2；管柱支架对转向管柱的反力简化为集中力N，与O点的距离为L1。建立平衡状态下的力矩方程：FL2-NL1=0可求得：根据国外的标准和经验，本研究确定试验载荷F=280N。根据实际结构H=150mm；L1=105mm；L2=457mm，可求得集中力N=1218.7N。3 原结构有限元分析3.1 模型简化管柱支架结构比较复杂（如图2）。支架翼板与立板焊接，拉脱锁与翼板间通过注塑销连接，弹簧挂孔处于翼板与立板焊缝旁边。通过分析其工作状态和外载荷情况，在不影响分析结果的前提下，对模型作如下简化：图2 管柱支架分实体结构1.支架立板 2.弹簧挂孔 3.拉脱锁 4.支架翼板（1）不考虑管柱支架重力的作用。（2）忽略焊缝的影响。（3）忽略远离应力集中区的复杂局部结构影响。（4）根据圣维南理论，将竖直方向的两个安装板结构简化，同时将集中载荷换算为等效的面载荷2。简化后的管柱支架的模型如图3所示。3.2 材料特性参数用线弹性材料本构模型模拟支架钢材，管柱支架的材料为：SPHC热轧钢板，FB3.2（PT.B）1200（EC）；弹性模量：E=200GPa，泊松比：=0.3；屈服极限：S=410Mpa。3.3 模型网格划分选用8节点solid92单元，以智能网格与局部加密的方法，将模型划分为如图3所示的网格。图3 管柱支架模型网格图3.4 载荷与约束根据管柱支架受力分析，在转向盘的中心施加280N的静载荷，可转化为管柱支架安装板受到竖直方向的等效均布载荷7.6MPa。由于拉脱锁对支架的约束，限制了支架Y方向（竖直方向）的位移，所以，在安装拉脱锁区域施加UY约束。拉脱锁的V面限制了支架在前后和左右方向的位移，因此在V面上施加全约束。3.5 结果与分析模型划分网格后，施加约束和载荷，分析得到的结果如下：图4 合成应力图最大合成应力出现在弹簧挂孔处（图4中MX处），其值为474MPa，大于材料的屈服强度（S=410MPa）。支架的最大合成应变为0.3mm，最大合成应变出现在远离V型槽的部分。支架的应变反映到转向盘中心点,其位移为2.27mm，与实测结果相符，说明该有限元模型的分析结果是可信的。该结构的支架应力集中情况明显，在方向盘上280N负载的作用下，应力集中的部位会产生塑性变形。因此，通过有限元分析可以认定，原结构的支架强度和刚度都不够。4 支架结构改进与有限元分析鉴于管柱支架原结构不能满足使用要求，有必要在不影响管柱及其相关部件装配的前提下，对管柱支架的结构进行改进。改进可从以下方面进行考虑：（1）支架翼板的厚度偏小是造成强度和刚度不够的原因之一，可以通过适当增加翼板厚度来改善结构的强度和刚度。（2）由于应力集中点出现在弹簧挂孔处，因此，可以在不影响功能的情况下，将该弹簧挂孔到移出应力大的区域，降低局部应力。（3）支架立板与翼板的连接长度偏小，使得应力集中在弹簧挂孔处。如果适当增加连接长度，可以使应力分布趋于均匀。（4）弹簧挂孔附近的圆角和直角也是造成该处应力集中的因素之一，取消圆角和直角不但能缓解应力集中，也能降低加工难度3。（5）支架翼板左右两端的翻边应力很小（如图2），而且加工比较困难，可以将该处的翻边直接省去。尤其是在增加翼板厚度的情况下，更有必要省去翻边。综合考虑管柱支架的安装和连接、板材选用、冲模更改、工艺改善、成本估算等各方面因素后，对管柱支架的结构进行改进。通过使用有限元分析软件对大量备选方案进行分析和调整，最终确定改进方案为：翼板厚度由3.2mm增加到4.8mm；弹簧挂孔后移25mm；支架立板长度加长10mm；弹簧挂孔旁的棱边外移，直到与V槽口相连；支架翼板左右两端不翻边。改进后的支架结构模型如图5所示。图5 改进后的支架模型图通过对选定的改进方案进行有限元模型建立、划分网格、施加载荷和分析求解后，得到的分析结果如下：图6 合成应力图最大合成应力出现在两边V型槽口处（如图6中MX处），其值为275MPa，小于材料的屈服强度（S=410MPa）。支架的最大合成应变为0.12mm，支架的位移反映到转向盘中心点,其位移为0.9mm，移动的手感不明显。因此，改进后的支架结构强度和刚度足够，加工方便，能满足安全使用要求。5 结语本文采用有限元分析软件，对某新型轿车的转向管柱支架进行了分析，结果发现强度和刚度不够。有限分析结论与实测情况相符，因此确认了原有管柱支架结构需要进行改进。通过分析原有管柱支架的应力发布情况，提出相应的结构改进方案，再用有限元分析法从众多的备选方案找到最佳改进方案。缩短了改型设计周期，节约了成本。改进后的管柱支架样件经装车测试，刚度和强度均达到使用要求，变形情况得