转向管柱支架断裂分析与改进

魏益冰，马玉金，邓春阳

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

转向管柱支架断裂分析与改进

魏益冰，马玉金，邓春阳

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

文章通过对转向管柱支架断裂问题的设计和工艺问题分析，从钣金件刚度提升和总成焊接边改进两方面进行改进。通过CAE辅助手段对制动、转向、垂向三个工况的仿真模拟，验证了设计分析的合理性和方案改进的有效性。

转向管柱支架；断裂；改进；CAE分析

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-160-03

前言

汽车转向管柱通过支架与车身连接。转向系统受路面激励，承受汽车运动过程中的载荷、振动、冲击和扭矩，并经转向管柱支架直接传递给车身。转向管柱支架的可靠性直接影响驾乘人员的操控安全性，支架的刚度不足还会对车身安装点的疲劳寿命产生很大影响。本文从问题描述、原因分析、方案改进和CAE分析四个方面对转向管柱支架断裂问题的进行分析和改进。

1 问题描述

整车可靠性试验时，车辆出现驾驶室转向管柱支架断裂现象，具体断裂位置见下图。从断裂痕迹判断为断裂处受拉应力，开裂点从两处焊接点开始扩展，最后裂纹连接断裂。

2 原因分析

钣金支架的断裂问题比较复杂，钣金材料材料选用、结构设计、使用工况都会对钣金支架的力学性能产生影响。对于由多个钣金件焊接、装配成型的总成支架，其力学性能还受焊接工艺、装配工艺的影响。本次断裂的转向管柱支架属于焊接总成支架，通过螺栓装配与车身连接，对于此类问题的分析应用设计、工艺角度全面分析。

2.1 设计分析

2.2.1 机构构成

如图2、图3所示，转向管柱通过支架总成与车身连接，支架总成由三个钣金件弧焊连接。

图2 转向管柱连接示意图

图3 转向管柱支架组成

2.2.2 受力分析

转向管柱支架在车辆使用过程中主要受制动、加速工况下的X向应力，转向工况下的Y向应力，同时收路面传递的其他振动、冲击等Z向应力。此次断裂零件是支架一，从断裂痕迹来看断裂处受拉应力。钣金件受拉应力产生断裂现象，主要是零件的刚度不足、抵抗振动和冲击的能力不足。

2.2 工艺分析

通过试验样车反馈信息和对故障件的分析得出如下结论：开裂点从两处弧焊焊接点开始扩展，最后裂纹连接断裂，弧焊点存在一定的应力集中现象。由于零件结构的限制，弧焊工艺不能更改，可以通过对焊接搭接边的结构更改来尽可能的分散应力。

综上：此次断裂问题出现的原因主要是支架零件结构刚度不足，支架总成焊接搭接边设计不合理。后续方案的改进方向应集中的零件刚度的提升和焊接搭接边的合理性改进两方面。

3 方案改进

3.1 零件刚度提升

图4 支架一刚度提升

钣金零件刚度提升措施主要是对零件结构进行力学分析，在不影响零件功能的情况下对关键部位进行加强。常见设计举措有：断面改进、材料牌号改进、材料厚度增加、增加加强筋、增加翻边等。如图4所示，支架一的刚度提升主要是在增加加强筋和翻边；如图5所示，支架二的刚度提升主要是断面改进、增加翻边。单个零件刚度的提升必然会带来总成刚度的提升。

图5 支架二刚度提升

3.2 焊接边改进

焊接边的改进主要是为了分散弧焊应力，提高总成零件的疲劳寿命。如图6所示，转向管柱支架总成焊接边改进位置有三处，这样的改进可以尽可能的分散弧焊应力，延迟首次裂纹的出现。

图6 焊接搭接边改进前后对比

4 CAE分析

4.1 分析工况

图7 转向管柱支架约束和加载示意图

根据车辆行驶工况，对转向管柱支架的仿真模拟可以从制动、转向、垂向三个工况进行分析。具体约束和加载如下：

a）制动工况：

载荷：沿X轴正方向施加1G力；

约束：约束支架三连接处123自由度。

b）转向工况：

载荷：沿Y轴正方向施加0.5G力；

约束：约束支架三连接处123自由度。

c）垂向工况：

载荷：沿Z轴负方向施加1G力；

约束：约束支架三连接处123自由度。

4.2 分析结果

制动、转向、垂向三个工况应力云图见图8、9、10，对比分析结果见表1。通过数据对比可以看出，三个工况下方案的改进效果明显。

图8 垂向工况von-Mises应力云图

图9 转向工况von-Mises应力云图

图10 制动工况von-Mises应力云图

表1 改进前后数据对比

5 结论

文章通过转向管柱支架断裂部位的力学分析，从设计和工艺角度对此支架和总成进行了改进，通过制动、转向、垂向三个工况的CAE仿真模拟，验证了方案改进的有效性。支架断裂是汽车常见的一种可靠性故障问题，本文对转向管柱支架断裂问题的分析与改进的研究对处理同类问题具有一定的指导和借鉴意义。

[1] 刘惟信.汽车设计.[M]清华大学出版社.2001.7要求著录.

The fracture analysis and improvement of the steering column bracket are analyzed

Wei Yibing, Ma Yujin, Deng Chunyang
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd automobile engineering institute, Shaanxi Xi'an 710200）

Through the analysis of the design and process of the fault of the steering column bracket, this paper improves both the stiffness of sheet metal and the improvement of the welding side of the assembly. The simulation simulation of brake,steering and vertical direction in three working conditions is verified through CAE auxiliary means, and the rationality of design analysis and the effectiveness of the scheme improvement are verified.

Steering column bracket; The fracture; improvement; CAE analysis

U467.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)19-160-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.055

魏益冰，就职于陕西重型汽车有限公司，主要从事白车身结构与性能方面的设计研究工作。