汽車四向調節轉向管柱系統的分析與研究

馬衛鋒，王明娣

(蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

汽車轉向系統[1]是底盤系統的重要系統之一。隨著人們對汽車駕駛的安全性和舒適性要求的不斷提高，駕駛者越來越關注人機工程，而轉向管柱[2]是轉向系統的重要部件之一。目前轉向管柱逐步由傳統的固定式轉向管柱發展為角度可調式轉向管柱，再到四向可調式[3](角度可調和伸縮調節)轉向管柱，使得方向盤有更多、更合理的操作位置，設計更具人性化。

目前主流的四向調節轉向管柱，主要有懸臂梁式和管套管式。懸臂梁式的上護管或者下護管通常為鋁合金材料，由于裝配精度要求很高，所以很多部位需要精加工，成本較高；此外，該設計的調節機構與吸能機構結構較為復雜，下護管相比普通護管體積較大，不利于轉向管柱在整車中的布置。另外一種管套管式，上、下護管通過塑料襯套注塑脹緊連接，注塑壓力過大，伸縮調節力過大，舒適性變差，注塑壓力過小，上、下護管連接不夠緊密，還會導致固有頻率[4]低。固有頻率低可能會引起轉向系統與發動機發生共振，方向盤抖動會引發駕駛員的疲勞,并使駕駛舒適性與安全性受到影響[5]。

本文基于對某款助力轉向系統(electric power steering，EPS)四向調節管柱的分析，利用TRIZ創新方法，通過建模、FEA分析等工具，設計了一種新型的四向調節轉向管柱系統。本文的方法理論結合實際：有限元模態分析方法可以在設計前期進行預測、提高成功率；而試驗驗證又可以檢驗、補充和修正原始的有限元模型[6-7]。

1 四向調節轉向管柱工作原理

轉向柱式電動助力轉向系統(column EPS，CEPS )[8]管套管式四向調節轉向系統如圖1所示。

1—下部安裝點；2—上部安裝點；3—調節支架；4—上護管；5—壓縮支架；6—調節手柄；7—下護管；8—助力單元。圖1 管套管式四向調節轉向系統

該套管式四向調節轉向系統助力單元置于轉向管柱上。轉向管柱有上、下部安裝點并與整車支架安裝在一起。下部安裝點(即下部安裝吊耳)通過2個螺栓與車輛前部支架固定，轉向管柱與固定螺栓之間有旋轉的自由度；上部安裝點(即上部安裝支撐)通過螺栓與車輛支架固定，該安裝點處于完全固定狀態，無自由度。

調節手柄鎖止時，通過增力機構擠壓調節支架變形，使得調節支架與壓縮支架夾緊抱死(其中調節支架安裝在上部安裝支撐上，壓縮支架焊接在上護管上)，此時為正常鎖止狀態。當調節手柄松開時，調節支架與壓縮支架由夾緊狀態釋放出間隙。因為上、下護管之間、轉向軸與上助力軸之間有足夠的重疊區域和導向長度，此時可前后調節方向盤，即伸縮調節； 由于只有上部安裝支撐通過螺栓固定在整車支架上，轉向護管以及安裝在其上的部件可繞著下部安裝吊耳、沿著調節支架的滑槽旋轉，即方向盤的角度調節，以上即為轉向管柱四向調節。待調節完畢，鎖止調節手柄即可。

2 基于TRIZ 技術矛盾與沖突分析

2.1 TRIZ理論[9]分析

TRIZ理論是阿奇舒勒在1946年創立的，其意義為發明問題的解決理論。在TRIZ理論中通過工程經驗總結出48個工程參數和40條發明原理,見表1。TRIZ理論將矛盾分為兩類：技術矛盾是技術系統中兩個參數之間的矛盾；物理矛盾是技術系統中針對一個參數的矛盾。

表1 TRIZ理論40個發明原理

TRIZ理論解決問題的流程如圖2所示。

圖2 TRIZ理論解決問題的流程圖[10]

將TRIZ理論應用于結構創新設計：待解決的問題如管柱同時具有高固有頻率和低滑動力，而管柱固有頻率的高低與伸縮調節力的大小都是通過注塑壓力這一個參數體現的。運用TRIZ理論，將其定義為物理矛盾。滑動力小的要求只發生在調節過程中，而固有頻率高的要求恰好相反，只在手柄鎖死的工作狀態。兩者時間上無交叉，因此可以使用TRIZ 理論的時間分離原理。

根據文獻[11]中描述的分離原理與發明原理的對應關系表查得，表1中原理15動態特性原理可用于該矛盾分析：使物體自動調節，以便在每個階段的性能達到最佳狀態；或使不動的物體設計為可動，或使其有柔性。

詳細分析如下：讓上、下護管常態處于“抱緊”狀態，緊密接觸以增大護管剛度，提高固有頻率；同時在上、下護管需要調節時，兩者接觸“松開”，以減小滑動力。

綜上，利用TRIZ理論將注塑壓力這單一參數抽象化為物理矛盾，并且在時間分離原理和發明原理中的動態特性原理指導下得到一般解: 固有頻率和滑動力的要求進行時間上的分離，具體解決方案在2.2節中詳細介紹。

2.2 問題的解決方案

新型管柱三維建模如圖3所示。該設計在管套、管式、管柱的基礎上增加了一些新穎的設計：上護管套入下護管。為了降低上護管外徑和下護管內徑的加工難度，在上、下護管之間設計有一個塑料襯套，該襯套固定在下護管內側。壓縮支架分為兩半，分別焊接在下護管上。在下護管上留有開口槽，槽口端部開口收窄，以控制變形量。

1—下護管；2—下護管開口槽放大圖；3—安裝支架；4—上護管；5—壓縮支架；6—塑料襯套。圖3 新型四向調節轉向管柱爆炸圖

1)當手柄鎖死時(工作常態)，通過2個凸輪壓緊安裝支架，安裝支架為U型開口，安裝支架變形夾緊壓縮支架，導致焊接在壓縮支架上的下護管開口槽變形夾緊塑料襯套以及上護管，這樣上、下護管處于“抱死”狀態，緊密接觸增大護管剛度，以得到較高的固有頻率；同時在塑料襯套的內側，設計有若干個有一定寬度的加強筋，在護管潰縮時，增加摩擦力，同時在下護管上槽口有控制變形量的設計，這樣就可以保證有較為穩定的摩擦力。 因此可以取消原設計的相關吸能機構的零部件，如吸能鋼帶、保持架、拉脫塊等，這將會大大減少成本。

2)當手柄松開時(調節狀態)，調節凸輪釋放間隙，上、下護管以及襯套處于自由狀態護管與襯套的正壓力大大降低，摩擦力非常小，此時進行方向盤伸縮調節就比較輕便。調節完畢，鎖上手柄，又回到工作狀態。

綜上，新設計取消注塑壓力控制固有頻率和滑動力的單一參數。基于TRIZ理論動態特性，將原本固定不動的壓縮支架，重新設計并留有開口。在工作常態時，壓縮支架受擠壓變形與護管"抱死"，因而獲取較高固有頻率；在調節狀態，釋放與護管的間隙以獲取較小的滑動力。管柱夾緊和釋放的受力示意圖見圖4。

圖4 新型管柱的夾緊與釋放的受力示意圖

3 FEA模態分析和試驗驗證

3.1 FEA模態分析

根據上述建模，對同等坐標下、同等安裝點、同等方向盤的工況下，進行分析如下：1)網格劃分，采取參數化網格劃分，每個網格大小約2～3 mm。2)零件簡化，將方向盤總成與助力單元按質心和質量進行簡化；將軸系簡化為Beam單元并設置對應的內、外徑；將軸承簡化為剛性體，在與之接觸的護管設置bushing單元，模擬對應的接觸剛度；焊點簡化為剛性單元。3)約束，對調節手柄處的長螺栓加載對應的預緊力，模擬擰緊狀態下護管收縮夾緊；對安裝點按螺栓擰緊的剛性連接狀態。4)材料設置，護管和支架等鋼材取彈性模量203 GPa、泊松比0.3，殼體等鋁材取彈性模量71 GPa、泊松比0.33。FEA模型如圖5所示。

圖5 FEA模態分析簡化模型

新設計轉向系統模態分析(固有頻率)結果如下：

垂向55 Hz(Min)；橫向52.5 Hz(Min)。

現有量產的該種轉向系統實測數據：垂向約42 Hz(Min)；橫向約43 Hz(Min)。

3.2 試驗驗證

1) 模態測試

將轉向管柱原型樣件固定到試驗臺架上，采用錘擊法對4個樣件的多個調節極限位置和垂向、橫向分別測試，測試設備及安裝如圖6所示。其中一組模態測試曲線，如圖7所示。

圖6 模態試驗示例

圖7 模態試驗曲線

模態測試結果：垂向57.25 Hz(Min)；橫向53.25 Hz(Min)，與FEA結果非常接近，對比原量產轉向管柱有10 Hz左右的提升。詳細模態測試結果如表2所示。

表2 模態測試結果 單位：Hz

2) 伸縮調節力測試

將樣件固定到試驗臺架上，并且將調節手柄松開， 分別測試拉伸和壓縮工況下的調節力大小，其中一組伸縮力曲線如圖8所示。

圖8 伸縮調節力曲線

原設計伸縮調節力為80N(Max)，新設計測試結果不超過70N，調節力降低約10N，詳細調節力測試結果如表3。

表3 伸縮調節力測試結果 單位：N

由上述數據可以看出，新設計的四向調節轉向系統在固有頻率上有大幅度提升；而且伸縮調節力也有明顯降低。

4 結語

本文基于某款主流四向調節轉向系統的分析，運用TRIZ理論設計新型的四向調節轉向管柱，通過FEA仿真分析以及試驗驗證表明：該設計可以獲得較高固有頻率、較小的伸縮調節力，有效地提升了轉向管柱的性能；同時由于簡化了吸能機構，可獲得較低的成本，為類似轉向管柱的性能提升和成本優化提供技術參考和數據支持。