汽车电调转向管柱溃缩仿真研究

摘 要：随着智能驾驶技术的飞速发展，新能源汽车对智能座舱配置的需求持续增长，电调管柱将满足消费者对个性化、智能化驾驶体验的渴望。电调管柱的溃缩机构是在防止驾驶员受伤的关键部件，其溃缩吸能力及强度问题一直是管柱设计阶段最为重要的问题之一，文章针对电调管柱在初始设计阶段的静态溃缩力性能及动态溃缩实验中的潜在强度问题进行分析。利用ABAQUS软件进行有限元仿真，并进行相关实验进行验证，对后续电调管柱的溃缩力性能及强度分析有一定的指导意义。

关键词：电调管柱 有限元仿真 静态溃缩 动态溃缩

1 绪论

智能座舱、智能驾驶伴随着汽车电动化的浪潮不断发展，电调管柱是一种汽车转向系统的创新设计，通过控制器对方向盘进行角向和轴向的调整，可以提高驾驶者的驾驶舒适性和操作便捷性。电调管柱最显著的特点是可以根据驾驶员的个人喜好和需求，一键操作自动调整方向盘的角度和高度。汽车安全是当前汽车工业可持续发展的三大主题之一，在汽车的生产研发过程中，其主被动安全显得尤为重要。据最新交通事故统计资料和汽车碰撞试验的研究结果表明：当汽车发生正面碰撞时，汽车转向机构是导致驾驶员受伤的主要部件之一[1]。转向管柱的溃缩机构是防止驾驶员受伤的关键部件，在汽车碰撞过程中，该溃缩机构既要保证转向管柱的溃缩性能，又要保证管柱不能出现损伤继而影响车辆的后续驾驶[2]。本文针对某款电调管柱的溃缩机理进行分析，并通过建立其仿真计算模型分析其溃缩性能及强度。通过仿真分析对电调管柱模型进行优化调整，使得汽车发生碰撞溃缩后，电调管柱在保证优异溃缩性能的同时不会出现断裂失效，使汽车能保持驾驶功能。这对于今后提高电调管柱的强度性能、保证汽车驾驶功能具有重要意义。

2 管柱溃缩性能介绍

本文汽车转向系统电动调节管柱（下文统称电调管柱）为分析对象，如图1所示，该款电动调节管柱利用四向调节机构，可实现四个方向的位置调节。其作为汽车转向系统的重要组成部分，不仅有效节省驾驶空间，还能够确保方向盘处在人机交互的最优位置，提高驾驶舒适性。该款电调管柱电机、下柱管以及连接支架等部件采用铝材料，质量较轻，结构紧凑，具有较好的力学性能。在初始设计阶段，就要充分考量转向管柱的溃缩性能，当汽车出现剧烈碰撞时，管柱首先要进行溃缩吸能，避免对驾驶员造成二次伤害，与此同时，要在此基础上提升其强度性能，保证汽车在碰撞后仍具有正常的转向功能。利用仿真手段在前期模拟实况，有效预估并解决产品初始设计阶段存在的潜在问题，可以有效缩短后期试验时长及产品开发周期。

电调管柱溃缩力主要由管柱摩擦力、铆钉剪切力与吸能带形变力共同控制，当管柱发生溃缩时，首先是上柱管带动支架对铆钉施加剪切力剪断铆钉，此时会达到溃缩峰值力，该力由管柱摩擦力与铆钉剪切力共同作用。其中管柱摩擦力由轴向负载装置控制：，其中是预紧力，是拧紧力系数，d是螺纹公称直径；为轴向负载个数；管柱摩擦力计算公式为，其中µ为柱管之间的摩擦系数。不同型号铆钉的抗拉强度是已知的，铆钉的剪切强度，而铆钉剪切工况下承受的剪力为剪切面面积[3]。随后溃缩力由管柱摩擦力与吸能带形变力共同作用。

3 管柱动态溃缩强度分析

管柱的落锤动溃试验是将管柱通过工装夹具安装在试验台架上，按客户实验要求调整管柱轴线与锤头重物之间的角度，将40kg的重物从1m高度自由落下[4]。本文通过有限元分析方法研究该实验条件下电调管柱的强度性能，使用hypermesh软件建立电调管柱的仿真计算模型，对接触区域以及可能出现的断裂开裂区域的网格采用局部加密，其中落锤与管柱轴线按照试验规范调整相应的角度，其整体仿真分析模型如图2所示，其中图2a）为动态溃缩开始前的仿真计算模型，图2b）为动态溃缩过程中的仿真计算模型。

为了提升计算精度及效率，落锤动溃分析中蘑菇头、半球形硅胶垫用一次四面体单元C3D4模拟，锤头重物用六面体单元C3D8模拟，部分钣金支架、螺栓等规则结构使用六面体实体单元（C3D8R）模拟，上柱管、转向轴等钣金壳体结构采用S4R模拟，而下柱管、支架等铸造件采用四面体二次单元（C3D10M）模拟。半球形硅胶垫材料使用超弹性材料数据，强度重点关注部件采用塑性参数。

电调管柱的各部件之间通过connector及接触进行连接，设置各个部件的接触为通用接触，摩擦系数为0.2。而管管摩擦系数定义为动静摩擦系数。蘑菇头通过coupling连接在管柱轴端。设置使用Abaqus Explicit模块对管柱进行落锤动溃分析。整个溃缩过程分为两步，第一步为螺栓打紧阶段，第二步为落锤下落阶段。为了减少计算量，锤头与半球型硅胶垫的距离调整为40mm，动溃分析步时间为0.04s，锤头速度设置为4427mm/s，加载过程加载速度曲线通过Amptitude幅值曲线控制，并设置质量缩放系数为1.5e-7，在球头下方传感器处设置探针输出其载荷曲线。仿真完成后提取传感器处载荷曲线，并采用自适应滤波函数对结果进行滤波，去除数据中的异常值，并与实验得到的载荷曲线进行对标，并通过调整数模使仿真结果与实验结果基本一致，如图3所示。从图3可以看出，在落锤下落过程中，溃缩峰值力可达到9500N。

如图4所示为溃缩曲线达到峰值力时的应力计算结果云图，从图中可以看出在落锤下落过程中后旋转螺栓左侧位置Mises应力已经达到了244MPa，超过了材料的抗拉强度230MPa，故在溃缩峰值力下此处极有可能出现断裂情况，而开槽位置并未表现出应力集中情况，且应力值较小，并未达到材料的抗拉强度，不存在开裂风险。根据仿真结果推测电调管柱出现开裂断裂原因为下柱管在动态溃缩落锤砸下时后旋转点左侧位置首先达到材料的抗拉强度，产生裂纹并在拉应力的作用下迅速断裂。随后在支架的固定约束下，下柱管受力位置发生变化，其开槽位置处受到较大冲击应力，该集中应力超过材料抗拉强度出现裂纹，随后在扭力作用下裂纹拓展造成最终问题的产生，故本文只需避免后旋转点处在动溃峰值力下其Mises应力超过抗拉强度即可解决该管柱的强度问题。

4 优化方案及结果

目前对于机械部件经常出现的失效问题，常规的解决方法有加厚加筋等增强结构强度措施、折弯放缓倒圆角等消除应力集中措施以及更换材料等增强材料强度措施。针对本文所产生的问题，由于后旋转点位置材料厚度方向较薄仅为5mm且结构存在折弯导致其折弯处材料高度位置较非折弯处薄，故尝试采取后旋转点位置加厚、折弯处高度方向加高以及下柱管更换强度属性更为优异的材料等措施尝试解决问题。

方案1为后旋转点处厚度方向加厚1mm，折弯处高度暂不变（此方案成本极低，模具无需大的修改），其溃缩到达峰值力时仿真云图如图5a）所示，从图中可以看出后旋转点左侧位置Mises应力依旧达到了240MPa，超过材料的抗拉强度，下柱管存在断裂风险。方案2采取后旋转点处厚度方向加厚2mm，折弯处高度方向加高1.5mm，该结构在其动态溃缩到达峰值力时仿真云图如图5b）所示，从图5b）中可以看出后旋转点左侧位置Mises应力已经降至171MPa，远低于材料的抗拉强度，判定其无断裂风险。方案3将下柱管材料更改为强度更高的铝合金材料，计算结果如图5c）所示，从图中可以看出在溃缩峰值力下后旋转点左侧位置Mises应力为278MPa，低于铝合金材料的抗拉强度320MPa，不存在断裂风险，故更换材料也可解决断裂问题。

考虑制造成本因素，更换材料会导致成本增加，本文优先采用方案2进行优化设计。考虑到对后旋转位置加厚加高时，受到汽车护罩支架限位的影响，对应的后旋转支架需要相应的减薄，故调取后旋转支架在溃缩峰值力时的应力云图，如图6所示，从图中可以看出支架在溃缩峰值力的作用下其Mises应力为143MPa，远低于材料的抗拉强度，证明后旋转支架无断裂风险。综上，该款电调管柱将采用方案2进行设计优化。

5 结论

本文通过对电调管柱在初始设计阶段考虑到的断裂问题进行分析，并通过金相分析及有限元仿真分析方法来评估该潜在问题造成的后果，并针对该问题采取不同的方案进行优化，成功规避该问题。后期采用方案2措施进行优化设计并进行实验跟踪未发现相关强度问题，证明该优化方案的合理性。本文采用的动态溃缩仿真方法成功规避了该问题，对今后转向管柱的强度分析有一定的指导意义。

参考文献：

[1]张金焕，杜汇良，马春生.汽车碰撞性安全性设计[M].北京：清华大学出版社，2010：3-11.

[2]陈励.四向可调转向管柱静态与动态溃缩试验[J].科技创新与应用，2020.

[3]刘泓文，等.编.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1998.

[4]全国汽车标准化技术委员会（SAC/TC114），汽车转向操纵机构性能要求及试验方法：QC/T649—2013[S].北京：中国计划出版社，2013.