汽车EPS转向柱溃缩机构动态性能分析与结构改进研究

张维

【摘 要】在汽车正面碰撞过程中，具有良好碰撞性能的转向柱对保护驾驶员的安全极其重要。针对这个问题，以微型轿车转向柱为研究对象，运用有限元分析软件ANSYS软件对其进行模态和刚度分析，了解其动态性能，对转向柱溃缩结构输入轴上下部、上下套筒以及定位保險块三方面进行优化改进设计，再通过试验分析得出改进后的结构溃缩力平稳并达到使用要求。

【关键词】有限元；转向柱；溃缩；试验

0 概述

转向柱是汽车EPS的最基本组成部件之一，是汽车上重要配件，决定汽车行驶可靠性和安全性，根据交通部的统计资料和对汽车碰撞试验的研究，当汽车发生正面碰撞时，有46%的驾驶员伤害都是由转向盘、转向管柱和转向器等转向机构造成的[1]。随着汽车行业的发展，设计的性能要求越来越高。转向柱主要用来支撑转向盘及传动轴等，溃缩吸能性能也越来越重要。其良好的功能能改善车辆舒适度，提高车辆操作稳定性。避免转向柱低阶模态频率过低，与发动机的频率重合产生共振，降低噪声，提高汽车NVH性能。本文利用ANSYS软件对其进行模态和刚度分析，了解其动态性能，从而对转向柱进行优化设计，并通过试验验证改进后的结构能达到使用要求。

1 转向柱有限元分析

1.1 有限元模型的建立

由于转向柱为薄壁零件，型较复杂，网格尺寸设置为2mm，分析单元均采用壳单元SHELL181.转向柱材料密度为7850kg/m3、弹性模量2.06×1011Pa、泊松比0.3。划分网格，得到66170个节点，232770个单元。上下支架限制全部自由度，上下轴承限制转向轴向移动，方向盘等量质量块重约2.8kg，作用于转向轴上端并与轴线平行。

1.2 转向柱模态分析

为了研究转向柱在支撑架、上下轴承和方向盘集中载荷作用下的固有振动特性，分析前四阶模态，得到前四阶固有频率和振型。

转向柱第一至第四阶的固有频率分别为25.787、26.755、37.787、78.769Hz。为了避开怠速时方向盘抖动，可以设置转向柱的一阶模态值，从而为转向柱结构改进和优化提供参考。

1.3 转向柱刚度分析

方向盘转动使EPS转向柱下端则受到来自转向器的阻抗力偶作用，上端受到扭矩作用，因此对转向柱进行刚度分析主要是求其扭转角的大小，以验证器结构是否达到强度要求，以及为其结构改进提供依据。在输入轴施加扭矩400Nm，边界约束条件与模态分析一致。转向柱的总变形量最大值为0.716mm，且发生在输入轴下部与输出轴的配合处。

2 汽车EPS溃缩结构改进

在利用ANSYS分析的基础上，对汽车EPS转向柱中的溃缩结构进行改进。由于新法规对EPS管柱总成溃缩要求的提高，管柱总成溃缩力大小及稳定性，已成为各汽车厂考核的一大重点。而溃缩力的大小及稳定性与管柱的整体结构有很大的关系。针对这一情况，分析现有产品，虽然溃缩部份具体结构有所差异，但总体来说均是由输入轴上下部、上下套筒以及定位保险块三部分组成。从这三方面入手，具体对各方面的溃缩结构进行优化。

2.1 输入轴上下部

现输入轴上下部改进前后的溃缩结构，在设计上都是在输入轴上下部之间注塑聚甲醛，通过剪切聚甲醛形成的圆柱销而发生输入轴上下部的溃缩。两种结构的不同点在于：如果输入轴上下部的花键配合精度达不到要求，则改进前的结构溃缩力明显会大于改进后的溃缩力，而且溃缩力波动非常大。

从试验结果看，改进后结构溃缩力很稳定，造成这种结果的原因有两点：第一是注塑压力。改进后结构的注塑压力较小，则溃缩力较小，即使注塑压力加大，其一致性还是较好；第二是花键配合精度。由于花键配合存在间隙，注塑的聚甲醛会将间隙填满，导致溃缩时存在很大的摩擦力，并且这种摩擦力随花键配合间隙的大小而变化，很不稳定，从而导致溃缩力的不稳定。改进后结构的花键由于注塑结构只是沿圆周四点注塑聚甲醛，摩擦力相对来说较小，因而对溃缩力的影响也较小。

2.2 上下套筒

改进前的结构采用下套筒冲四条筋，并对筋补充加工以满足尺寸要求，然后将上套筒与下套筒通过过盈配合压装到位，以达到溃缩的目的。此结构在碰撞时，由于冲击力会给管柱较大的径向剪切力，此时下套筒上的筋就会剪切上套筒内壁，增大溃缩载荷。

改进后的结构采用八点凹筋结构，在上套筒外圆处向内冲铆8处，保证内壁形成8个长方形面，通过工装压装，直接与下套筒外圆柱面过盈配合。此结构方式在溃缩时，由于是8点接触 ，径向剪切力的作用对溃缩力影响不大，因此溃缩力差异不大。

从试验结果看，该结构的一致性很好，最大溃缩载荷基本都在（1.5～1.8）kN的范围内，并且溃缩的保持力波动不大，一致性也较好。

2.3 定位保险块

改进前溃缩方式采用向铸铝成型的定位保险块的8个孔内注入聚甲醛而与安装板连接。由于铸铝与钢板之间的摩擦系数大，因此，摩擦力也很大，因撞击时压力可能不同，所以，摩擦力的大小变化差异也很大。同时，溃缩时需要冲断8个点，因此溃缩载荷较大且变化范围大。

改进后结构采用定位保险块与定位保险块盖板组装在一起与安装板连接，定位保险块盖板与定位保险块均为塑料件，摩擦系数很小，故摩擦力就比较小，受侧向压力大小变化的影响的溃缩力变化就很小，溃缩力主要由剪切塑料柱产生，因此，溃缩力比较容易控制，从试验结果来看，溃缩载荷基本保持在（0.5～0.9）kN之间。同时，因不需要在组装时进行注塑，因而提高了生产效益，降低了生产成本。

管柱总成采用改进后的溃缩结构，从试验结果看，最大溃缩力保持在（3.0～4.5）kN，溃缩保持力保持在（1.8～2.8）kN，完全符合汽车厂要求溃缩力的要求，因此整体溃缩结构方案可行。按此溃缩结构方案，如溃缩力要求发生改变，只需调节注塑压力和上下套筒配合的过盈量即可实现溃缩力的调节，因此该溃缩结构方案具有通用性。

3 结论

通过运用有限元分析软件ANSYS软件对其进行模态和刚度分析，转向柱第一至第四阶的固有频率分别为25.787、26.755、37.787、78.769Hz。转向柱的总变形量最大值为0.716mm，且发生在输入轴下部与输出轴的配合处。并对转向柱溃缩结构输入轴上下部、上下套筒以及定位保险块三方面进行优化改进设计，通过试验分析得出改进后的结构最大溃缩力保持在（3.0～4.5）kN，溃缩保持力保持在（1.8～2.8）kN，完全符合汽车厂要求溃缩力的要求，整体溃缩结构方案可行。

【参考文献】

[1]张荣芸.基于EPS/ESP的汽车横向运动稳定性及其混沌控制研究[D].合肥工业大学，2015.

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