汽车转向管柱的有限元分析

唐琳

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；分析

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。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。

1 问题提出

某新型轿车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，参考某轿车转向系统的相关标准，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 原结构有限元分析

2.1模型简化

管柱支架构比较复杂，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：不考虑管柱支架重力的作用；忽略焊缝的影响；忽略远离应力集中区的复杂局部结构影响；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。

2.2 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：μ=0.3；屈服极限：σS=410Mpa。

2.3 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，将模型划分为网格形。

2.4 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。

2.5 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：

最大合成应力出现在弹簧挂孔处，其值为474MPa，大于材料的屈服强度（σS=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。

3 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。

（5）支架翼板左右两端的翻边应力很小，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。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：最大合成应力出现在两边V型槽口处，其值为275MPa，小于材料的屈服强度（σS=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。

4 结论

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，变形情况得到了明显的改善。随着计算机软件技术的发展，虚拟设计在汽车转向系统设计中的应用将更加广泛。

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