某輕卡方向盤耐久性能仿真研究

黃毅，陳佳，鐘根丁，熊德明

某輕卡方向盤耐久性能仿真研究

黃毅，陳佳，鐘根丁，熊德明

（江鈴汽車股份有限公司 產品開發技術中心，江西 南昌 330001）

方向盤是輕卡轉向系統關鍵部件，對整車耐久性能和駕乘人員的安全有著重要影響，文章針對某輕卡方向盤進行了CAE疲勞耐久性能研究，結果表明，此輕卡方向盤耐久性能滿足目標要求。

輕卡；方向盤；耐久性能

引言

隨著國家經濟蓬勃高速發展，人民的物質生活水平日益提高，輕卡銷量也得迅猛攀升，與先前輕卡用戶用車選擇喜歡不同，當代輕卡用戶在考慮輕卡承載性和價格的因素時，也重點關注整車NVH品質。

方向盤是轉向系統的重要組成部件，其與駕駛員直接接觸，其NVH振動特性對駕駛員的主觀感受和安全行駛有著重要影響，其結構耐久性能對整車安全屬性有著舉足輕重的作用和影響[1-5]。故研究方向盤耐久性能能具有重要的經濟和社會價值。

本文研究源于某輕卡新開發方向盤，需確保其耐久性能滿足設計目標要求，基于汽車結構理論和數值分析理論，利用Nastran軟件，對某輕卡方向盤進行了CAE疲勞耐久分析和模態分析，CAE分析結果表明此輕卡方向盤耐久性能滿足目標。

1 輕卡方向盤CAE疲勞耐久分析

1.1 方向盤FEA模型

本文采用Hyperworks軟件，對某輕卡方向盤進行了建模，網格尺寸大小為3 mm，方向盤骨架材質為鋁合金，其彈性模量為72 000 MPa，屈服強度為225 MPa。發泡材料質量在模型中采用一維Mass單元模擬，方向盤有限元模型如圖1所示。

圖1 某輕卡方向盤FEA模型

1.2 方向盤CAE極限扭轉疲勞耐久分析

輕卡在行駛過程中，會出現猛打方向盤避讓情形，即方向盤極限扭轉工況，需校核該極限工況下的方向盤疲勞耐久性能，在上述FEA模型基礎上，按照設計DVP工況，約束軸心全部自由度，在12點位置，方向盤輪緣的切線方向施加330 Nm扭矩，試驗前需檢查緊固件和花鍵狀態，邊界條件如圖2。

圖2 方向盤CAE極限扭轉疲勞邊界條件

圖3 方向盤CAE極限扭轉疲勞耐久分析結果

本文按照上述邊界條件，得到了某輕卡方向盤CAE極限扭轉疲勞耐久分析結果，可以得出，其最大塑性應變值為0.1%，滿足目標即等效塑性變形<12%。

1.3 方向盤CAE扭轉變形分析

本文開展了方向盤扭轉變形CAE分析，固定方向盤安裝位置全部自由度，在12點位置，施加方向盤輪緣切線處950 N載荷，邊界條件如圖4所示，在Ncode軟件中得到圖5的扭轉變形分析結果，結果顯示，方向盤永久變形為0度，滿足目標小于2度。

圖4 方向盤CAE扭轉變形分析邊界條件

圖5 方向盤CAE扭轉變形分析結果

1.4 方向盤CAE嵌入物疲勞耐久分析

方向盤在使用過程中，會出現外界物體干涉嵌入情形，故需校核方向盤嵌入物疲勞耐久性能，邊界條件為約束方向盤骨架安裝位置全部自由度，在12點方向位置分別施加沿輪緣的垂直向載荷1=245 N，2=490 N，3=1 275 N，如圖6所示。

圖6 方向盤嵌入物靜態彎曲邊界條件

圖7 方向盤嵌入物靜態彎曲分析結果

本文按照上述邊界條件，得到如圖7的CAE疲勞分析結果，其最大塑性應變值為0.8%，小于目標值1.5%，滿足設計目標。

1.5 方向盤CA旋轉疲勞耐久分析

方向盤主要是依靠人體雙手旋轉施加扭矩，并通過轉向管柱等機械部件實現轉向功能，故輕卡在進行正向設計期間，需重點考慮方向盤旋轉疲勞耐久性能。本文按照如下圖8的邊界條件，即約束安裝位置部件全部自由度，在方向盤3點和9點位置施加237 N載荷，CAE疲勞分析結果如圖9所示，顯示該工況下，方向盤疲勞壽命值為2.6E7，滿足設計目標大于2E6。

圖8 方向盤CAE旋轉疲勞耐久分析邊界

圖9 方向盤CAE旋轉疲勞耐久分析結果

2 輕卡方向盤模態分析

本文對某輕卡方向盤（駕駛室安裝狀態）o進行了模態分析，得到如圖10分析結果，一階向前后晃動模態頻率為40.3 Hz，二階X向橫向擺動模態頻率為30.7 Hz，三階垂向振動模態頻率為57.2 Hz，而該輕卡發動機怠速轉速為750 r/min，共振頻率為26.7 Hz，結合方向盤安裝狀態下的各階頻率可得出，成功避開了怠速共振，滿足設計目標。

3 結論

本文基于汽車結構理論和數值分析理論，利用Nastran軟件，對某輕卡方向盤進行了CAE疲勞耐久分析和模態分析，CAE分析結果表明此輕卡方向盤耐久性能滿足目標。

[1] 趙榮燦.某SUV高速行駛下方向盤振動分析與減振措施[D].秦皇島:燕山大學,2018.

[2] 徐小劍.基于ABAQUS的汽車方向盤模態仿真與試驗分析[J].上海工程技術大學學報,2019,12(1):12-16.

[3] 王銳,蘇小平.汽車副車架強度模態分析及結構優化[J].機械設計與制造,2014,35(4):46-58.

[4]黃勤,何帆影,宋磊,等.基于有限元方法的某輕卡車架性能研究[J].汽車實用技術,2020(07):89-91.

[5] 吳靜.基于Nastran的客戶關聯場景下某輕卡車架強度性能研究[J].汽車實用技術,2020(20):92-94.

Simulation Study on Durability of a Light Truck Steering Wheel

HUANG Yi, CHEN Jia, ZHONG Gending, XIONG Deming

( Product Development & Technical Center, Jiangling Motors Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330001 )

The steering wheel is the key component of the light truck steering system, which has an important impact on the durability of the whole vehicle and the safety of drivers and passengers. This paper studies the CAE fatigue durability of a light truck steering wheel, and the results show that the durability of the light truck steering wheel meets the target requirements.

Light truck; Steering wheel; Durability performance

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.040

U467

B

1671-7988(2021)21-153-03

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1671-7988(2021)21-153-03

黃毅，就職于江鈴汽車股份有限公司產品開發技術中心。