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1、方向盤的構(gòu)成1. 骨架，一般為鋅合金，或者鋁合金，現(xiàn)在有些生產(chǎn)廠家正在嘗試采用更廉價(jià)、更輕的鎂合金。骨架采用壓鑄生產(chǎn)。少局部廠家還在使用鋼材鈑金做骨架，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 2. 發(fā)泡，發(fā)泡材料在發(fā)泡機(jī)中生成，生產(chǎn)時(shí)骨架固定在發(fā)泡機(jī)中 1和2組合起來就是最簡單的方向盤了。 方向盤3. 有些方向盤要求外表縫皮，國內(nèi)一般由工人縫制完成， 4. 有些方向盤要求有木料，使用專用機(jī)器將木片一層層疊積并最后上漆， 5. 有些方向盤的木料用假木代替，假木一般是用PP，ABS等塑料注塑完成，然后上水印 6. 方向盤上都會(huì)有和主駕駛氣囊DAB對(duì)應(yīng)的安裝卡扣或螺釘孔 7. 有些方向盤上要求有喇叭觸點(diǎn)，比擬簡單的方式就是把喇

2、叭觸點(diǎn)壓入骨架中，還有一種方式就是做一個(gè)喇叭觸點(diǎn)模塊并集成一局部電氣線束和電路板在上面 8. 有些方向盤要求有開關(guān)，主要位于spoke shell或者主氣囊兩側(cè)，功能一般為電臺(tái)，加減速，巡航，聲音，接 等。方向盤不僅要提供安裝卡扣，還要提供線束接口。 9. 方向盤下一般會(huì)有多功能開關(guān)模塊，或者paddle shift，這時(shí)候，需要考慮電氣連接。汽車轉(zhuǎn)向管柱支架有限元分析與結(jié)構(gòu)改良李 寧長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023摘要：運(yùn)用有限元分析軟件，對(duì)某新型轎車的轉(zhuǎn)向管柱支架進(jìn)行了分析。有限元分析結(jié)論與實(shí)測情況相符，確認(rèn)原有管柱支架結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行改良。文章通過分析原有管柱支架的應(yīng)力分布情況

3、，提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改良方案，再用有限元分析法從眾多的備選方案找到最正確改良方案。改良后的管柱支架樣件經(jīng)裝車測試，到達(dá)使用要求，改善效果明顯。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向管柱；有限元；結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度 中圖分類號(hào)：U464.13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-04322022-11-0244-20 前言隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和汽車工業(yè)的開展，汽車變得越來越普及。汽車轉(zhuǎn)向管柱作為駕駛員操控汽車的重要部件，其平安性和可靠性顯得尤為重要。在汽車行駛的過程中，任何來自轉(zhuǎn)向管柱的異響、卡滯和變形過大都會(huì)給駕駛員造成很大的心理壓力，影響行車平安。轉(zhuǎn)向管柱主要包括轉(zhuǎn)向軸總成、上柱管、管柱支架、緊定螺栓、拉脫鎖、下柱管、下支架、旋鉚銷軸、鎖定

4、手柄等見圖1。轉(zhuǎn)向軸總成通常是上端加工有連接花鍵，用來安裝方向盤；下端焊接有萬向節(jié)總成，與轉(zhuǎn)向器連接，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向扭矩的傳遞。上、下柱管裝配在一起，通過管柱支架和下支架安裝在車架上。拉脫鎖與管柱支架通過注塑裝配在一起。圖1 汽車轉(zhuǎn)向管柱外形示意圖1.轉(zhuǎn)向軸總成 2.上柱管 3.管柱支架 4.緊定螺栓5.拉脫鎖 6.下柱管 7.下支架 8.旋鉚銷軸 9.鎖定手柄1 問題提出某新型轎車的轉(zhuǎn)向管柱的原結(jié)構(gòu)如圖1所示。在轉(zhuǎn)向管柱試裝車時(shí)發(fā)現(xiàn)，用力晃動(dòng)方向盤，可以感覺到方向盤有較明顯的上下位移。當(dāng)一個(gè)體重約60kg的測試人員完全懸吊在方向盤上時(shí)，可觀察到管柱支架的拉脫鎖安裝位內(nèi)側(cè)有明顯的永久變形。由于我國現(xiàn)

5、行的汽車轉(zhuǎn)向管柱總成標(biāo)準(zhǔn)中，沒有對(duì)該變形量的檢驗(yàn)方法和指標(biāo)，因此，參考日本馬自達(dá)制定的?HM普力馬/福美來型轎車吸能轉(zhuǎn)向管柱軸總成性能試驗(yàn)方案書?和日本的三菱標(biāo)準(zhǔn)ES- X 23023?汽車轉(zhuǎn)向柱?1，在轉(zhuǎn)向軸頂部即輸入端裝上方向盤，沿垂直于軸線方向施加280N的靜載荷。測得方向盤中心點(diǎn)的位移為2.3mm,有較明顯的移動(dòng)手感.通過觀察和測量，可初步確定其原因?yàn)橹Ъ艿膹?qiáng)度和剛度不夠。2 管柱支架受力分析整個(gè)轉(zhuǎn)向管柱在工作狀態(tài)下的力學(xué)模型可抽象為一個(gè)杠桿如圖1。旋鉚銷軸處為支點(diǎn)O；作用在方向盤上的力簡化為集中力F，與O點(diǎn)的距離為L2；管柱支架對(duì)轉(zhuǎn)向管柱的反力簡化為集中力N，與O點(diǎn)的距離為L1。建立

6、平衡狀態(tài)下的力矩方程：FL2-NL1=0可求得：根據(jù)國外的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)，本研究確定試驗(yàn)載荷F=280N。根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)H=150mm；L1=105mm；L2=457mm，可求得集中力N=1218.7N。3 原結(jié)構(gòu)有限元分析3.1 模型簡化管柱支架結(jié)構(gòu)比擬復(fù)雜如圖2。支架翼板與立板焊接，拉脫鎖與翼板間通過注塑銷連接，彈簧掛孔處于翼板與立板焊縫旁邊。通過分析其工作狀態(tài)和外載荷情況，在不影響分析結(jié)果的前提下，對(duì)模型作如下簡化：圖2 管柱支架分實(shí)體結(jié)構(gòu)1.支架立板 2.彈簧掛孔 3.拉脫鎖 4.支架翼板1不考慮管柱支架重力的作用。2忽略焊縫的影響。3忽略遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)的復(fù)雜局部結(jié)構(gòu)影響。4根據(jù)圣維南理論，

7、將豎直方向的兩個(gè)安裝板結(jié)構(gòu)簡化，同時(shí)將集中載荷換算為等效的面載荷2。簡化后的管柱支架的模型如圖3所示。3.2 材料特性參數(shù)用線彈性材料本構(gòu)模型模擬支架鋼材，管柱支架的材料為：SPHC熱軋鋼板，F(xiàn)B3.2PT.B1200EC；彈性模量：E=200GPa，泊松比：=0.3；屈服極限：S=410Mpa。3.3 模型網(wǎng)格劃分選用8節(jié)點(diǎn)solid92單元，以智能網(wǎng)格與局部加密的方法，將模型劃分為如圖3所示的網(wǎng)格。圖3 管柱支架模型網(wǎng)格圖3.4 載荷與約束根據(jù)管柱支架受力分析，在轉(zhuǎn)向盤的中心施加280N的靜載荷，可轉(zhuǎn)化為管柱支架安裝板受到豎直方向的等效均布載荷7.6MPa。由于拉脫鎖對(duì)支架的約束，限制了支

8、架Y方向豎直方向的位移，所以，在安裝拉脫鎖區(qū)域施加UY約束。拉脫鎖的V面限制了支架在前后和左右方向的位移，因此在V面上施加全約束。3.5 結(jié)果與分析模型劃分網(wǎng)格后，施加約束和載荷，分析得到的結(jié)果如下：圖4 合成應(yīng)力圖最大合成應(yīng)力出現(xiàn)在彈簧掛孔處圖4中MX處，其值為474MPa，大于材料的屈服強(qiáng)度S=410MPa。支架的最大合成應(yīng)變?yōu)?.3mm，最大合成應(yīng)變出現(xiàn)在遠(yuǎn)離V型槽的局部。支架的應(yīng)變反映到轉(zhuǎn)向盤中心點(diǎn),其位移為2.27mm，與實(shí)測結(jié)果相符，說明該有限元模型的分析結(jié)果是可信的。該結(jié)構(gòu)的支架應(yīng)力集中情況明顯，在方向盤上280N負(fù)載的作用下，應(yīng)力集中的部位會(huì)產(chǎn)生塑性變形。因此，通過有限元分析可

9、以認(rèn)定，原結(jié)構(gòu)的支架強(qiáng)度和剛度都不夠。4 支架結(jié)構(gòu)改良與有限元分析鑒于管柱支架原結(jié)構(gòu)不能滿足使用要求，有必要在不影響管柱及其相關(guān)部件裝配的前提下，對(duì)管柱支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良。改良可從以下方面進(jìn)行考慮：1支架翼板的厚度偏小是造成強(qiáng)度和剛度不夠的原因之一，可以通過適當(dāng)增加翼板厚度來改善結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。2由于應(yīng)力集中點(diǎn)出現(xiàn)在彈簧掛孔處，因此，可以在不影響功能的情況下，將該彈簧掛孔到移出應(yīng)力大的區(qū)域，降低局部應(yīng)力。3支架立板與翼板的連接長度偏小，使得應(yīng)力集中在彈簧掛孔處。如果適當(dāng)增加連接長度，可以使應(yīng)力分布趨于均勻。4彈簧掛孔附近的圓角和直角也是造成該處應(yīng)力集中的因素之一，取消圓角和直角不但能緩解應(yīng)力

10、集中，也能降低加工難度3。5支架翼板左右兩端的翻邊應(yīng)力很小如圖2，而且加工比擬困難，可以將該處的翻邊直接省去。尤其是在增加翼板厚度的情況下，更有必要省去翻邊。綜合考慮管柱支架的安裝和連接、板材選用、沖模更改、工藝改善、本錢估算等各方面因素后，對(duì)管柱支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良。通過使用有限元分析軟件對(duì)大量備選方案進(jìn)行分析和調(diào)整，最終確定改良方案為：翼板厚度由3.2mm增加到4.8mm；彈簧掛孔后移25mm；支架立板長度加長10mm；彈簧掛孔旁的棱邊外移，直到與V槽口相連；支架翼板左右兩端不翻邊。改良后的支架結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。圖5 改良后的支架模型圖通過對(duì)選定的改良方案進(jìn)行有限元模型建立、劃分網(wǎng)格、施加

11、載荷和分析求解后，得到的分析結(jié)果如下：圖6 合成應(yīng)力圖最大合成應(yīng)力出現(xiàn)在兩邊V型槽口處如圖6中MX處，其值為275MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度S=410MPa。支架的最大合成應(yīng)變?yōu)?.12mm，支架的位移反映到轉(zhuǎn)向盤中心點(diǎn),其位移為0.9mm，移動(dòng)的手感不明顯。因此，改良后的支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度足夠，加工方便，能滿足平安使用要求。5 結(jié)語本文采用有限元分析軟件，對(duì)某新型轎車的轉(zhuǎn)向管柱支架進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度和剛度不夠。有限分析結(jié)論與實(shí)測情況相符，因此確認(rèn)了原有管柱支架結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行改良。通過分析原有管柱支架的應(yīng)力發(fā)布情況，提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改良方案，再用有限元分析法從眾多的備選方案找到最正確改良方案。縮短了改型設(shè)計(jì)周期，節(jié)約了本錢。改良后的管柱支架樣件經(jīng)裝車測試，剛度和強(qiáng)度均到達(dá)使用要求，變形情況得到了明顯的改善。參考文獻(xiàn)1 鄧飛.汽車轉(zhuǎn)向管柱總成標(biāo)準(zhǔn)的分析研究.汽車與船舶J.2022,4：10-11.2 張洪信.有限元根底理論與ANSYS應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2022,2.3 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè):第三版M.化學(xué)工業(yè)出版社, 1998.作者簡介：李寧1979-，男，長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師，研究方向：機(jī)械故障診斷、機(jī)械結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度。最新 精品 Word 歡送下載 可修改