四向可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱靜態(tài)與動(dòng)態(tài)潰縮試驗(yàn)

陳勵(lì)

摘? 要：轉(zhuǎn)向管柱在汽車碰撞過(guò)程中是吸能的關(guān)鍵部件。文章介紹了四向可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱分類及潰縮難點(diǎn)。在軸向靜態(tài)潰縮基礎(chǔ)上，引入裝車角度因素，并建立潰縮仿真模型。通過(guò)動(dòng)態(tài)潰縮試驗(yàn)結(jié)果與仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證了模型的正確性。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向管柱;靜態(tài)潰縮;動(dòng)態(tài)潰縮;裝車角度;仿真

中圖分類號(hào)：U463.4? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）35-0005-04

Abstract： Steering column is a key component of energy absorption in the process of vehicle collision. This paper introduces the classification and crash difficulties of four-way adjustable steering string. On the basis of axial static crash， the factor of loading angle is introduced， and the crash simulation model is established. The correctness of the model is verified by the dynamic crash test results and the simulation model.

Keywords： steering column; static crash; dynamic crash; loading angle; simulation

1 概述

提及被動(dòng)安全，人們可能首先想到的就是安全帶，安全氣囊。誠(chéng)然在正面碰撞過(guò)程中，安全帶和安全氣囊起到至關(guān)重要的作用。但是在碰撞過(guò)程中轉(zhuǎn)向管柱吸能潰縮同樣增加了對(duì)于駕駛員頭部和胸部的保護(hù)，降低了在二次碰撞中所受到的傷害。因此轉(zhuǎn)向管柱作為汽車被動(dòng)安全的重要吸能部件之一越來(lái)越受到重視。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，為了滿足不同身高體型駕駛員的舒適性，轉(zhuǎn)向管柱由固定不可調(diào)節(jié)，發(fā)展成兩向可調(diào)節(jié)。而現(xiàn)今主流的乘用車均采用四向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向管柱，即長(zhǎng)度（前后方向）高度（上下方向）四方向均可調(diào)節(jié)。

2 四向可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱分類及潰縮難點(diǎn)

2.1 四向可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱分類

四向可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱根據(jù)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不同，分為手動(dòng)調(diào)節(jié)管柱及電動(dòng)調(diào)節(jié)管柱。

手動(dòng)調(diào)節(jié)管柱一般結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低。一般具有調(diào)節(jié)手柄機(jī)構(gòu)，起到開(kāi)啟及關(guān)閉調(diào)節(jié)功能的作用。將調(diào)節(jié)手柄打開(kāi)，可以握住方向盤讓轉(zhuǎn)向管柱四個(gè)方向自由調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)到駕駛員舒適位置后，再將手柄關(guān)閉，從而關(guān)閉調(diào)節(jié)功能。

電動(dòng)調(diào)節(jié)管柱顧名思義就是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。取消了調(diào)節(jié)手柄，改用按鍵控制電機(jī)進(jìn)行四向調(diào)節(jié)。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本也相對(duì)較高。在某些高端車型上將電子控制單元與調(diào)節(jié)電機(jī)通訊聯(lián)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱調(diào)節(jié)位置記憶及復(fù)位等功能。

2.2 四向可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱潰縮難點(diǎn)

四向可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱比無(wú)調(diào)節(jié)或兩向可調(diào)管柱在整車吸能要求要高很多。

一方面，調(diào)節(jié)自由度增加，導(dǎo)致了更多位置碰撞可能性，大大提高了對(duì)轉(zhuǎn)向管柱的吸能要求。

另一方面，在正面碰撞過(guò)程中沖擊主要來(lái)自水平方向，但管柱在整車上安裝會(huì)有一定傾斜角度即裝車角度，導(dǎo)致部分沖擊力轉(zhuǎn)化成側(cè)向力作用在高度方向上，可能造成被迫高度調(diào)節(jié)移動(dòng)，傾斜角度再次變大（見(jiàn)圖1）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)向管柱在車輛上裝車角度越大，就越難潰縮。一般轎車上轉(zhuǎn)向管柱裝車角度一般在22～28°的范圍以內(nèi)，也有SUV，MPV超過(guò)30°的。如加上被迫角度偏移（一般在0～2.5°內(nèi)），工況會(huì)更惡劣。

在四向可調(diào)管柱的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，需要考慮裝車角度盡量小，具備足夠的高度調(diào)節(jié)保持力，避免或減少碰撞過(guò)程中被迫高度調(diào)節(jié)角度偏移。

3 四向可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱潰縮試驗(yàn)

四向可調(diào)管柱的吸能性能的試驗(yàn)驗(yàn)證，主要分為靜態(tài)潰縮試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)潰縮試驗(yàn)兩種方法。

3.1 靜態(tài)潰縮

四向可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱根據(jù)設(shè)計(jì)要求的靜態(tài)潰縮曲線一般可分為三個(gè)階段，見(jiàn)圖2。

第一階段：轉(zhuǎn)向管柱從靜態(tài)保持到開(kāi)始潰縮。考慮到安全氣囊點(diǎn)爆后的反作用力，初始需要一定的軸向保持力。軸向保持力將決定初始峰值大小，然后過(guò)渡到第二階段。

第二階段：轉(zhuǎn)向管柱在長(zhǎng)度調(diào)節(jié)允許范圍內(nèi)潰縮至調(diào)節(jié)限位。此階段一般潰縮力會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但相對(duì)還是比較穩(wěn)定。

第三階段：轉(zhuǎn)向管柱潰縮至調(diào)節(jié)限位。破壞調(diào)節(jié)限位機(jī)構(gòu)會(huì)造成一定峰值。破壞后力值趨于穩(wěn)定，繼續(xù)潰縮吸能直至潰縮總行程結(jié)束。

靜態(tài)潰縮驗(yàn)證試驗(yàn)一般分為軸向潰縮和裝車角度潰縮。

3.1.1 管柱軸向靜態(tài)潰縮

將轉(zhuǎn)向管柱以一定恒定速度沿著主軸軸向?qū)苤鶋簼⒅烈鬂⒖s長(zhǎng)度。軸向方向是整車中管柱潰縮吸能的主要方向，故關(guān)注度最高。本文中采用軸向靜態(tài)試驗(yàn)速度為100mm/min，潰縮總行程60mm，對(duì)某款手動(dòng)調(diào)節(jié)管柱進(jìn)行潰縮試驗(yàn)，得到試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

從試驗(yàn)曲線可以看出該款轉(zhuǎn)向管柱的軸向靜態(tài)潰縮曲線基本符合上文中提到的潰縮三個(gè)階段的定義，但在第二階段有兩個(gè)峰，這是由于該產(chǎn)品調(diào)節(jié)限位結(jié)構(gòu)較難被破壞所導(dǎo)致。

3.1.2 管柱安裝角度靜態(tài)潰縮

軸向靜態(tài)潰縮只考慮管柱主潰縮方向吸能，但實(shí)際整車管柱有一定的安裝角度，導(dǎo)致側(cè)向力產(chǎn)生。考慮到此類情況，可以增加裝車角度靜態(tài)潰縮試驗(yàn)。

裝車角度潰縮試驗(yàn)中對(duì)試驗(yàn)夾具有特別要求，不但底座需要調(diào)整到試驗(yàn)角度即安裝角度，潰縮頭也需按裝車角度特殊設(shè)計(jì)和制造。

推薦試驗(yàn)夾頭設(shè)計(jì)如圖4，轉(zhuǎn)向管柱潰縮頭和試驗(yàn)設(shè)備工裝接觸面之間需考慮減少面與面之間的摩擦力，本文中采用了軸承結(jié)構(gòu)用以過(guò)渡。

對(duì)同款管柱又進(jìn)行了裝車角度靜態(tài)潰縮，試驗(yàn)條件如下：試驗(yàn)角度（即裝車角度）約24°。仍保持與軸向靜態(tài)潰縮相同試驗(yàn)速度和潰縮距離。最后得到試驗(yàn)曲線與軸向靜態(tài)試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖5。兩類試驗(yàn)曲線整體非常類似，裝車角度靜態(tài)潰縮力總體略高于軸向潰縮力。

需特別關(guān)注轉(zhuǎn)向管柱在裝車角度靜態(tài)潰縮時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中，也會(huì)造成一定側(cè)向力。如高度保持力小于裝車角度潰縮側(cè)力，高度方向同樣會(huì)滑移。此時(shí)試驗(yàn)角度不斷在變化，直至高度調(diào)節(jié)角度限位后潰縮角度不再變化，管柱繼續(xù)潰縮，這樣對(duì)試驗(yàn)分析干擾較大。

為了避免這一影響，如規(guī)范允許，也可以將管柱預(yù)先調(diào)節(jié)至高度極限位置，這時(shí)高度方向無(wú)法滑移，避免了高度方向的影響。

3.1.3 本章小結(jié)

裝車角度靜態(tài)潰縮試驗(yàn)中由于側(cè)力影響，整體潰縮力略高于軸向潰縮力，但趨勢(shì)一致。

為避免高度方向上地滑移，可以將管柱調(diào)節(jié)到高度限位再進(jìn)行試驗(yàn)。如試驗(yàn)角度過(guò)大不能正常潰縮，應(yīng)結(jié)合動(dòng)態(tài)潰縮進(jìn)一步判斷。

根據(jù)軸向靜態(tài)潰縮及裝車角度潰縮驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，建立并調(diào)整了初步的有限元仿真模型。

3.2 動(dòng)態(tài)潰縮

四向可調(diào)轉(zhuǎn)向管柱動(dòng)態(tài)潰縮驗(yàn)證試驗(yàn)主要分為落錘試驗(yàn)和人體模塊碰撞試驗(yàn)。

3.2.1 軸向落錘試驗(yàn)

將管柱固定在剛性基座上，高度方向調(diào)整中間位置，調(diào)整落錘沖擊點(diǎn)與主軸同一中心。以一定質(zhì)量重物以一定高度自由跌落，撞擊在模擬方向盤剛度的橡膠頭上，使轉(zhuǎn)向管柱進(jìn)行潰縮。

落錘試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證轉(zhuǎn)向管柱動(dòng)態(tài)吸能的總體性能表現(xiàn)，要求達(dá)到完整的潰縮行程。試驗(yàn)中需要調(diào)整到合適的沖擊能量，能量過(guò)大會(huì)容易對(duì)傳感器造成損壞;能量過(guò)低則管柱不能完全潰縮。一般情況下重量不做調(diào)整，以調(diào)節(jié)跌落高度來(lái)調(diào)整沖擊能量。

經(jīng)幾次前期試驗(yàn)調(diào)整后，試驗(yàn)最終采用重物質(zhì)量為50kg，高度為480mm，達(dá)到較為理想的潰縮過(guò)程。

對(duì)同款轉(zhuǎn)向管柱進(jìn)行軸向落錘試驗(yàn)，將仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，設(shè)置及試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖6。實(shí)際動(dòng)態(tài)潰縮曲線和仿真模型理論曲線在初始峰值和整段潰縮行程基本吻合，證明了仿真模型的正確性。

3.2.2 裝車角度落錘試驗(yàn)

用同樣方式將四向可調(diào)管柱固定，試驗(yàn)條件調(diào)整如下：

（1）基座旋轉(zhuǎn)至試驗(yàn)角度24°。

（2）調(diào)整基座前后位置使重物中心位置能正好沖擊撞擊在管柱夾頭端點(diǎn)。

（3）落錘試驗(yàn)仍采用了50kg的重物。

（4）根據(jù)潰縮狀態(tài)進(jìn)行高度調(diào)整，落錘高度經(jīng)過(guò)調(diào)整后改到1.2m，使轉(zhuǎn)向管柱能完全潰縮。

再次進(jìn)行裝車角度落錘試驗(yàn)，將實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比仿真計(jì)算結(jié)果，設(shè)置及試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖7。

實(shí)際動(dòng)態(tài)潰縮曲線和仿真模型理論曲線在整段潰縮行程中吻合程度較高，再一次證明了模型正確性。

3.2.3 人體模塊碰撞試驗(yàn)。

參照國(guó)標(biāo)GB 11557-2011《防止汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員傷害的規(guī)定》4.2條要求：人體模塊以24.1km/h～25.3km/h的速度水平撞擊轉(zhuǎn)向盤時(shí)，作用在轉(zhuǎn)向盤上的水平力不得大于11，123N。

試驗(yàn)設(shè)置及結(jié)果見(jiàn)圖8，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。但由于缺少安全氣囊和方向盤數(shù)模，無(wú)法對(duì)人體模塊碰撞進(jìn)行仿真分析，僅用于參考。

3.2.4 本章小結(jié)

相對(duì)于靜態(tài)潰縮，動(dòng)態(tài)潰縮試驗(yàn)設(shè)備比較復(fù)雜，如落錘試驗(yàn)需要高塔跌落裝置，人體模塊試驗(yàn)需要激發(fā)，氣囊點(diǎn)爆裝置和假人等裝置。試驗(yàn)時(shí)間一般小于0.1秒，肉眼根本無(wú)法辨識(shí)。觀察實(shí)際潰縮過(guò)程需配置高速攝影機(jī)。總體試驗(yàn)成本要比靜態(tài)試驗(yàn)高許多，一般只在研發(fā)階段進(jìn)行。

動(dòng)態(tài)潰縮試驗(yàn)相對(duì)來(lái)說(shuō)成本高，影響因素多，但更接近實(shí)際狀態(tài)。如結(jié)合動(dòng)態(tài)仿真一起進(jìn)行，能大大減少試驗(yàn)數(shù)量，降低研發(fā)成本。

將有限元仿真潰縮模型根據(jù)動(dòng)態(tài)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)微調(diào)，得到圖9最終調(diào)整后的仿真模型。此模型可以運(yùn)用于整車潰縮仿真。

4 結(jié)論

本文分別介紹四向可調(diào)吸能管柱的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)潰縮試驗(yàn)，并加入了安裝角的影響因素，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）常規(guī)的靜態(tài)潰縮只關(guān)注主潰縮方向（軸向）的吸能，但實(shí)際由裝車角度引起的側(cè)力會(huì)使總體的潰縮力變大，并有高度調(diào)節(jié)滑移的風(fēng)險(xiǎn)。軸向潰縮總體比較穩(wěn)定，可以用于初步建立仿真模型。

（2）動(dòng)態(tài)潰縮中的落錘試驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)重物高度調(diào)節(jié)沖擊能量，軸向動(dòng)態(tài)潰縮總體吸能小，裝車角度動(dòng)態(tài)潰縮吸能大，用于進(jìn)一步驗(yàn)證模型可靠性。

（3）人體模塊碰撞試驗(yàn)過(guò)程中安全氣囊和方向盤起了相當(dāng)大的影響，單獨(dú)分析轉(zhuǎn)向管柱潰縮性能幫助不大。

分析表明：在四向調(diào)節(jié)管柱的潰縮試驗(yàn)中如考慮整車的情況，裝車角對(duì)整體潰縮力影響較大，應(yīng)從設(shè)計(jì)角度盡量避免高度方向產(chǎn)生滑移。靜態(tài)潰縮和動(dòng)態(tài)潰縮由于設(shè)置和試驗(yàn)速度差別較大，所以潰縮曲線不盡相同，但總體趨勢(shì)接近。動(dòng)態(tài)沖擊成本較高，準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)。可以先進(jìn)行成本較低的靜態(tài)潰縮試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證及調(diào)整仿真數(shù)模。驗(yàn)證通過(guò)后，進(jìn)行動(dòng)態(tài)潰縮仿真模擬。如仿真滿足要求，最后再進(jìn)一步實(shí)際動(dòng)態(tài)潰縮。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果最后調(diào)整仿真數(shù)模。既能減少新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期又能降低研發(fā)成本，受到越來(lái)越多車企的肯定。

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