基于Abaqus有限元計算的電動助力轉向管柱設計

王佳良　許棟鵬　趙振川　白雪　王曉山　耿明陽

摘 要：隨著國內汽車行業及新能源汽車領域的快速崛起，產品變革周期縮短，汽車轉向系統的研發周期被大幅度壓縮。但隨著國內主機廠發布的技術要求各項參數要求的日益嚴苛，甚至超過合資企業，使得轉向系統設計開發面臨壓力。本文舉例一種電動助力管柱，介紹基于Abaqus有限元仿真軟件，通過對主要的技術性能要求（管柱潰縮、靜態強度、調節機構強度和剛度、驅動單元強度及管柱的強度等）快速、準確地計算，數據結果證明該思路可以有效縮短轉向管柱機械結構設計開發的周期，對于轉向系統的設計開發周期而言，運用此方法可以整合出更多的資源進行系統匹配。

關鍵詞：轉向管柱 Abaqus 有限元計算 設計開發周期

1 引言

汽車轉向系統對汽車的行駛安全至關重要，因此汽車轉向系統的零件都稱為保安件，其產品性能及可靠性必須滿足整車設計和法規[1]。轉向管柱是汽車轉向系統中重要的組成環節，其基本作用是將方向盤的轉動通過轉向機傳遞到輪轂上，起到控制汽車轉向的作用。

其次，汽車是一個復雜的動態系統，面臨著各種各樣復雜的工況考驗，對于轉向系統而言，所要面對的工況也是極其復雜的。目前，隨著國內主機廠對整車技術要求日益增高，對轉向管柱的一些重要性能，如管柱潰縮曲線、靜態強度、調節機構強度和剛度、驅動單元強度及管柱的強度等，會遇到設計完成OTS驗證階段出現達不到技術規范的要求情況，客戶會產生大量抱怨，最終會通過賠償或者簽訂偏差的形式進行彌補。針對轉向管柱這一情況，本文通過舉例一款電動助力管柱設計開發驗證過程，通過有限元計算驗證各個重要局部小總成性能，最后匯總為轉向管柱總成性能，實現轉向管柱結構計算、驗證及優化的目的，有效避免設計過程中缺陷及性能不達標的問題。

2 電動助力轉向管柱的整體布置

2.1 硬點信息

結構的整體布局，首先要明確轉向管柱在整車坐標系下硬點坐標。

根據整車硬點坐標信息可以初步確定轉向管柱空間布置，再根據整車安裝點坐標可以明確管柱主要的空間幾何約束尺寸，從而初步構建整體結構框架。

2.2 主要結構選型

電動助力轉向管柱主要的結構包括：潰縮機構、調節機構、保持機構、驅動單元等。

其主要選型依據：

（1）潰縮機構，按照輸入技術規范要求，滿足潰縮曲線的前提下初步選用合適的擴縮型式：內潰式或外潰式。

（2）調節機構：按照輸入整車周邊件定義手柄造型，按照技術要求選用手柄材質。

（3）保持機構：按照輸入安裝點信息確定安裝位置，再需要與潰縮、調節機構等進行幾何空間配合。

（4）驅動單元：按照輸入技術規范要求，選用合適的傳動裝置及參數，如蝸輪蝸桿組合。

3 基于Abaqus的有限元計算驗證

通過以往開發項目來看，通過主觀經驗設計后的轉向管柱結構，若經過工業化的快速樣件或手工樣件來進行DV試驗摸底，若性能達不到預期的要求，會在經濟和時間成本上造成較大的浪費，不利于項目周期的完成，也會造成研發費用成本的提升。因此，可以對預先設計的結構進行快速、準確的有限元仿真計算成為有效的驗證方案[2]。

本文基于Abaqus有限元仿真計算軟件，通過對電動助力轉向管柱的潰縮、調節、保持及管柱整體剛度性能進行仿真計算，詳細介紹有限元方法基于轉向管柱產品結構設計開發方法。

3.1 潰縮

管柱潰縮，指的是轉向管柱在收到外界巨大的沖擊力時，管柱通過管管相抱等方式縮短軸向距離，避免沖擊駕駛員，起到安全保護的作用。因此，潰縮是轉向管柱一項重要的安全性能指標。

對管柱潰縮量化的指標：如本案例所示，橫坐標距離，縱坐標力，描述潰縮行程與潰縮力的關系。

在Abaqus中進行建模，前處理：添加零件材料屬性，幾何發布，添加所有零部件接觸關系。邊界條件設定：固定上下安裝點，在轉向軸頂部沿軸線向下施加600mm/s的移動速度。

潰縮仿真計算邊界條件模型：

潰縮曲線計算結果：

通過轉向管柱潰縮曲線計算結果看來，基本滿足潰縮區間的技術要求，管柱潰縮結構初步方案是有效的，最終結果制作樣件可以進一步通過DV試驗摸底來驗證。

3.2 管柱靜態強度

靜態強度是描述轉向管柱在整車安裝位置固定后，收到外界較大的負載（如駕駛員上下車拉拽方向盤）地方破壞變形的能力，是描述轉向管柱性能的重要指標之一。

邊界條件設定：固定上下安裝點，在方向盤中心的空間位置，沿著垂直于轉向管柱軸線的方向施加800N的載荷。構架模型如下：

轉向管柱經過靜態潰縮計算后，所有零件均未發生超過材料，主要結構計算結果云圖如下圖5：

3.3 調節機構強度

邊界條件設定：鎖止和松開方向施加300N集中力，Y方向施加150N集中力。（圖6）

計算結果：所有邊界條件對應下的工況，均未出現超過材料屈服強度的應力破壞。（圖7）

4 結束語

轉向管柱對應的技術要求繁多且復雜，本文以某電動助力轉向管柱為例，列舉潰縮、靜態強度、調節機構強度等重要的性能要求進行仿真計算驗證，通過設計優化、有限元計算輔助設計的思路，對外潰式電動助力轉向管柱性能進行快速而準確地進行判斷。該設計驗證方法可以有效地降低設計開發周期和研發費用成本。

除轉向管柱外，汽車行業其他零部件的設計開發亦可以應用該思路，以便快速適應汽車行業快速迭代的趨勢。

參考文獻：

[1]王曉剛.淺談汽車轉向系統原理及故障排除[J].黑龍江科技信息，2012（08）：41.

[2]王登峰，曾迥立．汽車吸能轉向機構與駕駛員碰撞的仿真與試驗[J].汽車工程，2003，25（1）：20-24．