汽車方向盤骨架結構參數對性能的影響研究

郭楹輝 白仲力 王金炯 陳 曉 董春旺

(1.臺州科技職業學院 機電與模具工程學院，浙江 臺州318020；2.中國農業科學院 茶葉研究所，浙江 杭州310008)

0 前言

汽車方向盤的設計好壞對整車駕駛安全性起到重要的作用，骨架作為方向盤的核心部件，良好的產品結構設計是性能的先行條件。通過對骨架進行CAE數值模擬分析，可縮短整個研發周期和費用，提高其綜合性能，本文采用多指標試驗與數值模擬相結合，對骨架的力學性能進行分析，結合典型相關分析方法，明確骨架結構參數與其性能之間的相關關系，為方向盤骨架結構設計提供有效設計方法和理論依據。

1 數值模擬試驗分析

1.1 骨架模型建立

圓盤方向盤骨架可分為單輻、雙輻、三輻和四輻型，其主要由輪圈、輪輻、輪轂和花鍵套等部分組成。在UG三維軟件中建立骨架三維實體模型（如圖1）。

圖1 方向盤骨架結構

1.2 試驗設計分析

由骨架結構組成可知，結構參數與性能間的關系是一個多因素多指標的優化設計問題，為此采用有限元數值模擬正交試驗的方法對其進行分析研究[1-3]。對骨架性能主要影響因素有：輪輻寬L、輪輻高H、輪圈壁厚B1、輪輻壁厚B2、連接圓角R1、連接圓角R2和過渡圓角R3。分別建立不同因素水平組合的骨架三維有限元模型，在NX Nastran環境下進行800N力的靜壓試驗和135N.m扭矩的靜扭強度試驗分析計算，結果如表1所示。

表1 試驗方案及數值模擬結果

表2為試驗仿真數據及評估結果，其中應力、位移、扭曲應力和變形的最大試驗值是利用有限元仿真軟件Nastran仿真得出，最后1列的綜合評估得分為該行的5個無量綱值權重之和。無量綱值轉換如公式為：

式中：Xi為試驗值，Yi為無量綱值

因各項指標重要程度有差異，故先對每項指標的無量綱值乘以相應的加權系數得該項指標的加權評分，本試驗中，位移與變形量指標作為重要質量指標，以2倍計算，即權數為2，而對應力、扭曲應力與質量等指標，僅以排隊評分為依據，即權數為1，故其評分公式為：

綜合評分=節點應力×1+位移×2+扭應力×1+變形×2+質量×1 （2）

如表3所示每號試驗的綜合評分。

2 典型相關分析

典型相關分析以每組指標作為整體考慮，尋找這一組指標的線性組合與另一組指標的線性組合,使兩者之間的相關達到最大。以骨架的5個結構參數為一組變量，以骨架性能的6個指標為另一組變量，令:

式中，m1，m2，…，m13等為待定系數。使得U、V之間具有最大相關性,這個相關系數就是典型相關系數。試驗數據利用統計分析軟件SPSS進行處理。

2.1 骨架結構與性能間的相關分析

由表2可知,綜合分均與位移、扭力、變形量間存在顯著或極顯著負相關。變形量與扭力間存在極顯著正相關，即扭力越大變形越大。由表3可知，B1與應力間存在顯著相關，H則對扭力、變形量及綜合性能起決定影響，H參數設計值越大扭力和變形越小，方向盤的質量安全越有保障。

表2 骨架性能指標間的相關分析

表3 骨架結構與性能間的典型相關系數

2.2 骨架結構與性能的典型相關分析

將骨架結構參數與性能參數進行典型相關分析，共得到6組典型變量，它們的典型相關系數及顯著水平見表4。由表4可以看出，前2組典型變量的典型相關系數達極顯著水平，其余4組典型變量均未達顯著水平。前2組典型變量基本反映了骨架結構參數與性能間的相關關系，故選擇第Ⅰ、Ⅱ組典型變量進行主要分析。

表4 骨架結構與性能的典型相關分析

3 基于結構參數的綜合性能預測模型

由上述分析知，通過逐步回歸分析，建立基于結構參數的綜合性能預測模型，對設計中多參數選擇與性能摸底具有指導意義。對表2數據分析得到表5。可知，ZF綜合評分=7.818H-5.125B14.561L-98.061

表5 逐步回歸分析結果

4 結論

（1）由骨架結構參數與其性能的第Ⅰ、Ⅱ組典型相關分析,明確了結構參數中的H輻高對性能中的扭力和變形起決定因素。結構參數中的R2圓角對性能中的應力起決定因素。

（2）通過逐步回歸分析方法，建立了基于H、B1和L的綜合評分預測方程，進一步明確了結構參數與性能間存在相關關系，為方向盤骨架結構設計時提供指導方向和新的分析思路。

［1］毛萍莉，金銳，周樂，劉正.AM60鎂合金方向盤骨架壓鑄充型過程數值模擬[J].材料與冶金學報，2010(03):420-422.

［2］胡建軍，周冀衡，柴家榮，張仕華.多指標正交試驗數據的優化分析及應用[J].中國煙草學報，2008(02):09-14.

［3］周小紅，施漢昌，邱玉琴，劉加恩.復合式氧微電極結構參數對于性能的影響[J].清華大學學報：自然科學版，2008(06):991-994.