转向管柱碰撞吸能性能优化分析

周雪巍，王孔龙，王月玲，高 峰，马 慧，王华拓Zhou Xuewei，Wang Konglong，Wang Yueling，Gao Feng，Ma Hui，Wang Huatuo



转向管柱碰撞吸能性能优化分析

周雪巍，王孔龙，王月玲，高 峰，马 慧，王华拓Zhou Xuewei，Wang Konglong，Wang Yueling，Gao Feng，Ma Hui，Wang Huatuo

（北京汽车工程研究总院，北京 101300）

针对汽车转向管柱在整车碰撞测试过程中出现的吸能不足现象，通过对吸能因素、压溃距离和溃缩机理进行分析，优化整体性能，并对优化后的性能进行CAE仿真和实车验证。

转向管柱；碰撞；溃缩吸能

0 引 言

转向管柱作为传递驾驶员转向意图到车轮的部件，具有减小路面传递给驾驶员噪声和振动的功能，还可以在车辆发生碰撞时充分吸收碰撞能量，减小碰撞对驾驶员的伤害，国标中特别规定汽车转向机构在碰撞中的移动量及其对驾驶员的伤害限值。

正面碰撞时造成人员伤害的部位主要集中在头部、胸部及腿部，其中由转向盘、转向管柱和转向器组成的转向系统对驾驶员的伤害占比达46%，在转向系统中降低碰撞伤害的主要措施依赖于转向管柱。

转向管柱的溃缩结构很多，常见的有花键轴及花键套式、尼龙销式、钢珠滚压式和套管挤压吸能式等，但基本都是利用摩擦力、材料剪切变形和材料变形来吸收能量。根据整车碰撞经验，转向管柱最好具有多级溃缩机构，初始溃缩力应小于2 500 N，但有些管柱由于成本结构的原因，只有一级溃缩机构，为保证可靠性，溃缩力可以控制在4 500 N以下。溃缩行程一般要求达到60 mm以上，且整个管柱溃缩行程不得与其他刚性边界干涉。

某转向管柱的结构如图1所示，溃缩机构由上管柱体、下管柱体及变形支架组成，变形支架通过拉脱块和剪切销与仪表台横梁固定。当汽车发生正面碰撞时，碰撞冲击传到转向盘，先由转向盘和安装气囊吸收冲击能量，当冲击载荷超过一定限值时，剪切销被剪断，变形支架带着上管柱体和下管柱体剪断树脂销，与拉脱块分离，在脱离仪表台横梁的过程中上管柱体和下管柱体被压溃，溃缩过程中利用管柱内外管接触部分的摩擦阻力进一步吸收碰撞冲击能量。

通过对汽车转向管柱在整车碰撞测试过程中出现的吸能不足现象进行优化改进，分析溃缩结构对整车碰撞吸能的影响。

1 整车碰撞吸能不良问题分析

某车型在40%偏置碰撞试验中，仅得分6.9分，满分18分，其中驾驶员头部3 m/s2加速度超标，仅得0.720分（满分4分）。从试验录像中发现，在碰撞过程中转向管柱在车辆纵向和垂向出现较大的跳动量，对完成碰撞的转向管柱进行三坐标尺寸测量，发现车辆的纵向和垂向均超过对应部位的高性能限值，头部罚分1.000分，胸部罚分0.405分。如图2所示，转向盘位置有比较明显的移动。

对该转向管柱进行拆解，发现转向管柱上固定点拉脱块有一侧未脱落，如图3所示方框区域Ⅰ，区域Ⅱ也出现了明显的变形。如图4所示，在仪表台横梁上残留有一块拉脱块，驾驶舱前围的孔也已经出现较为明显的变形。

转向管柱的拉脱块与变形支架之间采用的剪切销为矩形结构，矩形剪切销由于受力面大，能够较好地消减路面传来的振动，但压溃力也较大，该车转向管柱的压溃力曲线如图5所示，最高压溃力为4 500 N。

该车转向管柱设计由于成本原因，转向系统从前机舱转向器到转向管柱固定点成直线布置，这样导致碰撞时，车身发动机舱变形后带动转向中间轴向后侵入时直接传力至转向管柱；另外，转向管柱上固定点在IP横梁上，下固定点在车身前围上，车身前围的侵入直接导致转向管柱绕上固定点转动，导致气囊展开方向受到影响而被扣分。如果转向中间轴向后侵入时转向管柱能及时溃缩，脱离仪表台横梁，那么此时车身前围的侵入就不会使转向管柱发生转动，因为转向管柱已经发生溃缩并脱离仪表台横梁。

2 转向管柱吸能性能优化与验证

为使转向管柱及时发生溃缩，更容易从仪表台横梁上脱出，将转向管柱的剪切销由矩形更改为三角形，减小其受力面积，前后方案对比如图6所示，由此将压溃力曲线上的最高压溃力从4 500 N降至3 500 N，如图7所示。

对更改前、后的转向管柱跳动量进行CAE仿真对比，如图8所示，分析发现改进后转向管柱在碰撞时的跳动量降低了60%以上，改进效果明显。

改进后的转向管柱装车进行整车碰撞验证，转向管柱溃缩77 mm，如图9所示，驾驶员头部没有受到来自转向管柱的冲击力，相比改进前的转向管柱，碰撞跳动量从整车外观来看无明显变化，如图10所示。整车碰撞试验得分达到14分，获得理想的改进效果。

3 结 论

1）对于转向系统从前机舱转向器到转向管柱固定点成直线布置的结构，转向管柱若只有一级溃缩结构，其最大溃缩力应尽量低，控制在3 500 N左右能达到一定碰撞吸能要求。

2）对于采用一级溃缩机构的转向管柱，其与仪表台横梁的溃缩结构设计所采用的剪切销形状，三角形结构比矩形结构更有利于碰撞吸能。

3）在转向管柱碰撞跳动量分析中，跳动量没有一个很好的经验值，从本例优化方案来看，车辆垂向（向）跳动在100 mm以内，能更好地保护驾驶员头部不受伤害。

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1002-4581（2017）03-0037-03

U463.43：U467

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10.14175/j.issn.1002-4581.2017.03.009