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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. 方向盤上都會有和主駕駛氣囊DAB對應(yīng)的安裝

2、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叭觸點(diǎn)壓入骨架中，還有一種方式就是做一個喇叭觸點(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，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

3、：運(yùn)用有限元分析軟件，對某新型轎車的轉(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，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：U464.13文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-0432〔2022〕-11-0244-2 0 前言 隨著社會經(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

4、中，任何來自轉(zhuǎn)向管柱的異響、卡滯和變形過大都會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

5、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)，用力晃動方向盤，可以感覺到方向盤有較明顯的上下位移。當(dāng)一個體重約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)行的汽車轉(zhuǎn)向管柱總成標(biāo)準(zhǔn)中，沒有對該變形量的檢驗(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

6、不夠。 2 管柱支架受力分析 整個轉(zhuǎn)向管柱在工作狀態(tài)下的力學(xué)模型可抽象為一個杠桿〔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

7、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，將豎直方向的兩個安裝板結(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)B3.2〔PT.B〕1200〔EC〕；彈性模量：E=200GPa，泊松比：μ=0.3；屈

8、服極限：σS=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。 由于拉脫鎖對支架的約束，限制了支架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)

9、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〔σS=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)力集中的部位會產(chǎn)生塑性變形。因此，通過有限元分析可以認(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： 〔

10、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

11、。 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 通過對選定的改良方案進(jìn)行有限元模型建立、劃分網(wǎng)格、施加載荷和分析求解后，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

12、屈服強(qiáng)度〔σS=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 ⑴本文采用有限元分析軟件，對某新型轎車的轉(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。 ⑵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。 ⑶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

13、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: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