碰撞安全與轉向管柱潰縮吸能結構開發

江天保 沈岱武

奇瑞新能源汽車 安徽省蕪湖市 241002

1 前言

隨著汽車消費的普及，汽車安全事故越來越多，對汽車安全的要求也越來越高；本文主要介紹為使得在碰撞事故發生后減輕對駕駛員的傷害，從轉向管柱潰縮吸能開發入手，介紹如何開發一種可潰縮的轉向管柱。

當高速行駛的汽車撞擊到低速或者靜止的物體后，高速行駛的汽車就會有一個比較大的減速度，根據牛頓定律，駕駛員由于慣性的作用，會向前繼續運動，怎么樣來約束駕駛員繼續向前運動并降低駕駛員受到傷害程度，是被動安全需要解決的問題，本文只介紹安全轉向管柱在被動安全約束系統中起到的作用和開發過程。

2 被動安全約束系統簡介

在諸多約束系統中，轉向管柱對駕駛員起到比較重要的作用。對于中等尺寸的轎車，在被動約束系統中，據統計轉向管柱吸收駕駛員總能量約18%左右。

圖1 被動安全關聯示意圖

轉向管柱/方向盤是汽車發生碰撞時，駕駛員的頭、頸、胸與之發生二次碰撞的重點區域，對于被動安全設計要點為：

☆ 對氣囊（DAB）有效支撐，并保持承壓方向；

☆ 對方向盤具有一定程度的塑形變形，以吸收人體碰撞的沖擊能量（GB11557/ECER12）

☆ 轉向管柱具有潰縮特性，理論設計有效潰縮距離至少應≥60mm；

☆ 在轉向管柱/方向盤的潰縮路徑上，應確保沒有相關零部件影響潰縮，考慮到如點火開關、護罩、IP等影響，實際試驗中潰縮距離應不低于40mm。

3 轉向管柱潰縮性能開發流程

圖2 開發流程示意圖

3.1 項目定義

項目啟動后，根據立項輸入中的整車安全等級，確認轉向管柱的潰縮性能，根據需要，合理定義轉向管柱潰縮性能。需要明確轉向管柱初始潰縮力，管柱總成潰距離和中間軸潰縮距離。

3.2 轉向管柱潰縮方案選用

轉向管柱潰縮方案比較多，每種潰縮方式的控制方法和控制精度也不同。根據項目要求，選擇性價比最優的方案組合，滿足性能要求。

選擇轉向管柱潰縮方案，盡量參考公司和供應商成熟的潰縮機構，對于潰縮塊、調節支架等需要開模的件，盡量在現有產品上選擇，盡可能降低開發成本和驗證周期。前期產品定義時，可以考慮多個方案，

根據后期系統試驗后，最終確認最優的方案進行凍結。

3.3 管柱在整車上的布置

轉向管柱的裝配角度要與方向盤中心點，轉向器輸入軸的位置匹配，并考慮到中間軸的力矩波動及其布置位置和可潰縮長度。

管柱在整車中進行布置時，應給出布置范圍，在滿足人機工程的前提下，盡量向著有利于轉向管柱潰縮的方向布置，因為布置一旦凍結，后期更改是比較麻煩的。

圖3

管柱碰撞位置如圖3受力分析，

根據上圖，可得出如下圖受力方程：

FT：沿轉向管柱軸線向下的潰縮力

FH：作用在轉向管柱上的水平力

FM：管柱與固定點的摩擦力

FP：管柱與固定點的正壓力

α：轉向管柱側向布置角度

N：轉向管柱拉脫塊的拉脫力

K：管柱與固定點的摩擦系數

根據上述方程可得：

我們假定：N=4000N

FH=9000N

K=0.15

最終可求解得：α=46.0136°

由上述公式可見，在一定的摩擦系數、拉脫力、水平方向的壓力下，轉向管柱側向布置角度存在一定的布置極限。超過此角度軸向潰縮的轉向管柱就不可能會潰縮。

根據經驗，轉向管柱側向角度一般跑車推薦約18°左右，轎車推薦約24～26°，MPV、SUV等車型的時候也有超過30°情況。正碰時駕駛員的運動方向，在不佩帶安全帶時是車輛的前后方向，佩帶安全帶時，最好是駕駛員的頭部要躲過方向盤是最理想的，因此管柱側向布置角度越小越有利，一般轎車都有自身的人機特性，都有些不同，但盡可能設定在22～28°的范圍以內。

3.4 布置數據（潰縮距離）校核

轉向管柱潰縮距離按照下面的順序逐個校核，見圖4。

3.5 管柱靜態壓潰潰縮力校核

根據結論，初步定義好轉向管柱總成潰縮力，根據總成潰縮力進行分解，把每個小部件的吸能力設定好，見圖5。

根據壓潰力和壓潰形成，初步形成潰縮力-位移曲線，力和位移的曲線，應該在定義的范圍內，如圖6為定義的初始曲線。把轉向管柱模擬整車安裝在試驗臺架上，進行靜壓潰試驗測量，最后測量出實際潰縮曲線，和設定值進行比較，進行反復調試，最后得出設計曲線。

圖4 周邊件校核示意簡圖

圖5

圖6 潰縮吸能曲線定義示意簡圖

3.6 轉向管柱動態壓潰

轉向管柱動態壓潰，具體的試驗指標和方法，需要進一步和碰撞試驗室探討試驗方法及其接受標準。

3.7 轉向管柱在被動安全系統中驗證

臺車試驗時，把儀表橫梁、儀表板、儀表、轉向管柱、組合開關、組合開關護罩、點火鎖、方向盤裝配在臺車上，安裝被動安全約束系統要求，把經過靜壓潰試驗后的轉向管柱裝配在臺車試驗臺上進行驗證，驗證前，需要檢查轉向潰縮通道是否滿足設計狀態。最后根據臺車試驗的數據，確認轉向管柱是否需要優化，見圖7。

3.8 轉向管柱在整車中碰撞驗證

整車碰撞前需要做好準備工作，轉向管柱主要在64Km/h的40%偏置碰和50Km/h的100%剛性壁碰撞進行驗證。轉向管柱裝車前檢測潰縮力（靜壓潰試驗報告），裝車后檢查潰縮通道，試驗驗證。根據試驗采集到的數據和轉向管柱潰縮情況，討論轉向管柱的優化方案，和優化方向，見圖8。

圖7 被動安全臺車驗證示意簡圖

圖8 整車碰撞驗證示意簡圖

4 結論

據統計，正面碰撞時方向盤、轉向管柱和轉向器組成的轉向系統對駕駛員造成的損傷占到駕駛員損傷的46%，造成人員傷害的部位集中在頭部、胸部及腿部。所以，轉向管柱的安全設計至關重要，具體體現在吸能和潰縮兩個方面。從前文闡述中，歷經設計輸入確認、結構設計分析、各層級的實物驗證，直至最終設計凍結，本文檔介紹的方法，有效支撐了整車的碰撞安全性能開發。