汽車鎂合金方向盤骨架不同截面形狀耦合結構強度分析

王克飛，時培成，張榮蕓

(安徽工程大學 汽車新技術安徽省工程技術研究中心，安徽 蕪湖 241000)

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汽車鎂合金方向盤骨架不同截面形狀耦合結構強度分析

王克飛，時培成*，張榮蕓

(安徽工程大學 汽車新技術安徽省工程技術研究中心，安徽 蕪湖 241000)

方向盤作為汽車的重要安全部件，其強度能否滿足要求至關重要.基于三輻條方向盤骨架不同截面形狀的耦合結構簡化模型，選取了在輪緣點載荷工況和扭轉載荷工況下評價不同截面形狀耦合結構性能的節點，利用數值分析方法計算出所選節點的應力、變形值，通過橫向和縱向對比得出在橫截面積相同情況下，U型輪緣組合矩形或圓形輪輻的方向盤骨架結構具有更好的性能.以某車型上U型輪緣組合矩形輪輻方向盤骨架結構為對象，采用有限元數值分析和實物實驗相結合的方法，對其進行彎曲強度和扭轉強度研究.結果表明，該型結構方向盤具有較好的強度性能，且數值計算結果與實驗結果基本吻合，可以為工程設計人員提供參考.

方向盤骨架；彎曲強度；扭轉強度；耦合

汽車產品設計逐漸向安全性和輕量化的方向發展[1]，在安全性和輕量化的雙重約束下，選擇高性能的結構材料和設計合理的結構成為汽車開發人員的首選.鎂合金材料具有比強度高、比剛度大、抗震減噪性能好、易于加工成型和回收利用等優點，被廣泛用于汽車方向盤骨架材料[2-4].方向盤骨架主要由輪緣、輪輻及輪轂三部分整體壓鑄而成，其結構如圖1所示.

圖1 三輻條鎂合金方向盤骨架三維模型

有關方向盤骨架強度分析和結構優化方面，前人也做了比較多的研究[5-7].文獻[5]分析了方向盤骨架在軸向載荷和沖擊載荷作用下，四輻條方向盤骨架應該具有的強度性能；文獻[6]基于有限元模型對汽車方向盤進行了模態分析、靜強度分析以及沖擊分析；文獻[7]利用梁截面簡化模型分析了方向盤的安全性和NHV性能.上述研究并未考慮方向盤骨架截面形狀不同對其力學性能的影響.理論上，考慮鎂合金方向盤骨架不同截面形狀耦合結構的力學性能差異，對方向盤骨架設計具有重要意義.

以AM50A鎂合金三輻條方向盤骨架為研究對象，利用ANSYS Workbench仿真軟件，同時根據方向盤骨架常見的U型、矩形、圓形截面形狀相互耦合的情況，對三輻條方向盤骨架進行力學性能分析，旨在為方向盤骨架設計提供有益的理論參考.

1 方向盤骨架的耦合結構簡化模型

考慮到在相同加載情況下更真實地反映不同截面形狀對方向盤骨架性能的影響，同時保證不增加材料成本，計算時采用截面面積、長度均相同的結構.輪緣、輪輻截面參數如圖2、圖3所示，輪轂統一采用圓盤結構，其內部嵌有花鍵，與轉向柱連接.根據截面形狀不同可組合成9種方向盤骨架模型，如表1所示.

圖2 輪緣截面示意圖 圖3 輪輻截面示意圖

表1 方向盤骨架組合模型

注：U為U型截面形狀；R為矩形截面形狀；C為圓形截面形狀；D為圓盤結構

2 有限元模型的建立

采用CAD軟件CATIA建立9種不同截面形狀的方向盤骨架簡化模型，利用CAE分析軟件ANSYS Workbench進行數值計算.選用MultiZone Sweep Meshing方法劃分網格，賦予模型AM50A鎂合金材料屬性.AM50A鎂合金材料屬性如表2所示.

表2 AM50A機械性能和物理性能參數

參數數值彈性模量/KN·mm-245泊松比0.35屈服強度130延伸率/%10

參數數值抗拉強度/MPa220硬度/HB50密度/Kg·m-31.78×103

3 彎曲強度計算

建立有限元模型，根據汽車行業和某企業方向盤標準規定的實驗方法[8]，在方向盤骨架輪緣上加載245 N大小的力，方向平行于轉向管柱軸線，力作用位置在方向盤12點方向輪緣中心.將載荷加在輪緣耦合節點處，約束條件為限制輪轂花鍵內表面6個自由度，評價標準為方向盤不得損壞，即方向盤骨架結構最大應力低于材料的屈服極限130 MPa；最大彈性變形量δmax<30 mm，加載模型如圖4所示.

為評估在點載荷工況下方向盤骨架各種截面形狀結構應力變形情況，根據應力變形集中區域，確定了9種方向盤骨架簡化模型的28個應力及變形檢測節點，如圖5所示.經過分析計算，同時結合骨架結構的對稱性并考慮到篇幅大小，三輻條方向盤骨架簡化模型左半部分檢測節點的等效應力值和變形值如圖6、圖7所示.

由圖6可知，不同截面形狀耦合的方向盤骨架最大應力均低于材料的屈服應力130 MPa，各種仿真模型均在9點鐘方向輪輻與輪緣連接處和輪輻與輪轂連接處以及6點鐘輪輻與輪轂連接處出現應力集中，且9點鐘輪輻與輪緣和輪轂連接處輪輻前側應力高于后側應力.A1、B1、C1型骨架結構方向盤最易在輪輻與輪緣和輪轂連接處出現應力集中，其中9點鐘位置應力要高于6點鐘位置應力，而A2、A3、B2、B3、C2、C3型骨架結構方向盤在連接處均具有較低的應力值.柱形圖中檢測節點1從左至右分別表示A1～ C3型結構應力值，其他檢測節點表示含義相同.

由圖7可知，各種耦合結構方向盤骨架最大變形量均低于評價標準30 mm，且各種仿真模型在12點鐘位置變形最大，6點鐘位置變形次之，而9點鐘輪輻與輪緣連接處變形比6點鐘變形略小.輪輻與輪緣連接處變形大于輪輻與輪轂處變形.輪輻在連接處前側面變形和后側面變形基本相同.A1、B1、C1型骨架結構方向盤變形量最大，而A2、A3、B2、B3、C2、C3型骨架結構方向盤變形均較小.柱形圖中檢測節點1從左至右分別表示A1～ C3型結構變形量，其他檢測節點表示含義相同.

根據計算結果，在輪緣點載荷工況下，方向盤骨架6、9點鐘方向輪輻與輪緣和輪轂連接處為應力較大的區域，其中9點鐘輪輻與輪緣和輪轂連接處輪輻前側應力高于后側應力，12、6點鐘方向為變形較大區域；采用A2、A3、B2、B3、C2、C3型骨架結構方向盤可從結構設計上一定程度減少應力集中和彈性變形，進而提高方向盤骨架的抗彎曲性能.

圖4 三輻條方向盤骨架加載模型 圖5 三輻條方向盤骨架簡化模型檢測節點

圖6 三輻條方向盤骨架檢測節點等效應力(點載荷工況)

圖7 三輻條方向盤骨架檢測節點變形量

4 扭轉強度計算

按實驗標準規定的實驗方法，在方向盤骨架輪緣3、9點鐘位置施加250 N·m的扭矩.采用一對力偶施加在方向盤骨架3、9點位置耦合節點上，約束條件為限制輪轂花鍵內表面的6個自由度，評價標準為骨架無損壞，即方向盤骨架結構最大應力低于材料的屈服極限130 MPa；最大變形角θmax=l/L≤3°，其中，l為周向變形量，L為變形點距軸心的距離.

在扭轉力矩作用下骨架簡化模型左半部分檢測節點等效應力值和變形角大小如圖8、圖9所示.由圖8可知，在扭轉載荷工況下，不同截面方向盤骨架在輪輻與輪緣和輪轂連接處均出現應力集中，應力最大值接近屈服強度130 MPa.相比較而言，A1、B1、C1型方向盤骨架結構在連接處均產生較高的應力值，A2、A3、B2、C2型方向盤骨架結構在連接處則具有較低的應力值.柱形圖中檢測節點1從左至右分別表示A1～ C3型結構應力值，其他檢測節點表示含義相同.

由圖9可知，在扭轉載荷工況下，不同截面骨架方向盤變形角均小于3°，在6、9、12點鐘輪輻與輪緣連接處變形角度較大，其中12點鐘位置變形角度最大，9點鐘位置變形角次之，6點鐘位置變形角略低于9點鐘變形角度.輪輻與輪緣連接處變形角大于輪輻與輪轂處變形角.輪輻在連接處前側面變形角和后側面變形角基本相同.B1型骨架結構方向盤變形角度最大，A1、C1型骨架結構方向盤變形角度基本相同并且略低于B1，A2、B2、C2型方向盤骨架結構具有最小的變形角度.柱形圖中檢測節點1從左至右分別表示A1～ C3型結構變形角，其他檢測節點表示含義相同.

圖8 三輻條方向盤骨架各檢測節點等效應力(扭轉載荷工況)

圖9 三輻條方向盤骨架檢測節點變形角

根據計算結果，在扭轉載荷工況下，采用A2、B2、C2型方向盤骨架結構，即U形、矩形、圓形輪緣組合矩形輪輻可從結構設計角度適當降低應力集中，同時減少扭轉變形，一定程度上提高方向盤骨架扭轉性能.

5 CAE分析

綜上所述，A2骨架結構型式方向盤具有較好的強度性能.優選某車型方向盤(A2結構型式)為研究對象，略去一些非受力部位、去除部分小孔等，對方向盤骨架進行CAE分析.

5.1 輪緣點載荷工況分析

加載約束條件如前，建立該車型A2骨架結構型式方向盤CAE分析模型，在方向盤骨架輪緣上加載245 N大小的力，方向平行于轉向管柱軸線，力作用位置在方向盤12點方向輪緣中心.將載荷加在輪緣耦合節點處，約束條件為限制輪轂花鍵內表面6個自由度，得到輪緣點載荷工況下方向盤骨架的應力、變形云圖如圖10、圖11所示.由圖10、圖11可知，應力最大值出現在3、9點鐘位置輪輻與輪緣連接前側圓角處，最大值為96.5 MPa；變形最大位置出現在輪緣12點鐘，根據評價標準，該骨架模型彈性變形量最大值為5.63 mm，應力集中區域和變形較大區域與前述計算基本相同，仿真結果滿足標準要求.

圖10 輪緣點載荷工況下三輻條方向盤骨架應力云圖 圖11 輪緣點載荷工況下三輻條方向盤骨架變形云圖

5.2 扭轉載荷工況分析

分析條件與前述相同，在方向盤骨架輪緣3、9點鐘位置施加250 N·m的扭矩.采用一對力偶施加在方向盤骨架3、9點位置耦合節點上，約束條件為限制輪轂花鍵內表面的6個自由度.扭轉載荷作用下該型方向盤骨架的應力、變形角云圖如圖12、圖13所示.由圖12、圖13可知，在扭轉載荷工況下，方向盤應力最大值出現在輪輻與輪轂的連接圓角處，為120.6 MPa，角變形最大處為12點鐘位置，最大值為1.04°，分析結果與前述計算結果基本相同，均符合標準要求.

圖12 扭轉載荷工況下三輻條方向盤骨架應力云圖 圖13 扭轉載荷工況下三輻條方向盤骨架變形角云圖

6 實驗驗證

將A2結構型式方向盤固定在實驗臺上，在方向盤輪緣12點鐘位置加245 N載荷，保持30 min后卸載，室溫放置5 min，實驗如圖14所示.實驗結果表明，方向盤無損壞，彈性變形為6.13 mm，與數值計算結果5.63 mm誤差8.16%，數值計算結果與試驗結果基本吻合.

將A2結構型式方向盤輪轂花鍵固定在模擬轉向柱上，預加扭矩載荷為250 N·m，載荷持續30 s，作用在方向盤3、9點鐘輪緣上，實驗如圖15所示.實驗結果表明，方向盤無損壞，彈性變形角為1.29°，與數值計算結果1.04°誤差19.38%.這是由于實驗中包覆層彈性變形的影響以及CAE仿真模型的簡化，致使仿真結果和實驗結果存在一定誤差.

圖14 三輻條方向盤骨架輪緣點載荷工況實驗 圖15 三輻條方向盤骨架扭轉載荷工況實驗

通過上述實驗驗證，忽略包覆層聚氨酯彈性變形和數值計算模型引起的誤差，仿真結果與實驗結果是吻合的，可以為工程設計人員提供參考.另外，該A2結構型式方向盤骨架在輪輻與輪緣和輪轂連接圓角部分應力較為集中，最大應力接近材料的屈服極限，為強度薄弱區域，強度安全系數有待進一步提高，可采用的方法包括在骨架截面適當布置加強筋、增大連接處圓角半徑和連接部分面積等.

7 結論

針對不同截面形狀耦合結構的方向盤骨架建立簡化模型，并對其進行數值分析，不僅可以快速找到方向盤強度薄弱區域，而且能夠獲得更高性能的截面組合結構，對方向盤設計具有一定的指導意義.

橫截面積相同的情況下U型截面結構具有更好的抗彎曲性能，而圓形截面和矩形截面的抗扭轉性能較高.采用U型輪緣組合矩形輪輻結構進行了數值分析，得出在輪緣點載荷下輪輻與輪緣連接前側圓角處易出現應力集中，輪緣12點鐘位置變形最大.在扭轉載荷工況下應力較大區域為輪輻與輪轂連接圓角處，變形角最大處在輪緣12點鐘位置.

以9種耦合結構簡化組合模型作方向盤骨架強度性能計算，獲得了一定的成果，但輪輻在連接處前側面應力高于后側面應力并未得到解決，可進一步通過優化輪輻位置得到改善.

采用的不同截面耦合結構簡化模型分析方法，既可以用于方向盤力學性能分析，還可以拓展到其他截面形狀耦合的結構設計中.

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[8] QC/T 563-1999，汽車轉向盤實驗方法[S].

Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

Analysis on Strength of Coupling Structure with Different Cross Section Shape of Magnesium Alloy for Vehicle Steering Wheel Armatures

WANG Ke-fei,SHI Pei-cheng*,ZHANG Rong-yun

(Anhui Advance Vehicle Technology and Engineering Research Center,

As an important safety part of vehicles,whether the strength of the steering wheel meets the national standard is fatal. Some nodes under the rim point load and torsion load are selected to estimate performance of coupling structure with different cross section shape for vehicle steering wheel armature,based on the simplified model of three-spoke steering wheel armature.Both stress value and deformation value of those nodes are calculated by numerical analysis method.The steering wheel armature with U-shaped section rim and rectangular or circular section spoke turned out to possess better performance by both horizontal and vertical comparison.Choosing steering wheel armature with U-shaped section rim and rectangular section spoke as the object and using the method of combining the finite element analysis and physical experiments,research on bending strength and torsional strength are proceeded.The results show that steering wheel armature with U-shaped section rim and rectangular section spoke possesses good performance and that although there is deviation between numerical simulation and practical test, the paper still can provide a reference for engineering designers.

steering wheel armature;bending strength;torsional strength;coupling

1672-2477(2016)05-0022-06

安徽省科技攻關計劃基金資助項目(1604A0902158)

王克飛(1986-)，男，安徽蒙城人，碩士研究生.

時培成(1976-)，男，安徽六安人，教授，博士．

U463.46

A