基于ABAQUS的汽車轉(zhuǎn)向管柱上段總成的分析與研究

于富冬，張曄

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

基于ABAQUS的汽車轉(zhuǎn)向管柱上段總成的分析與研究

于富冬，張曄

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

轉(zhuǎn)向管柱上段總成是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分，轉(zhuǎn)向性能的好壞直接影響汽車行駛的安全和操縱性。采用ABAQUS分析軟件，對汽車轉(zhuǎn)向管柱上段及轉(zhuǎn)向管柱上段總成進(jìn)行了模態(tài)分析，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TS16949體系對轉(zhuǎn)向管柱上段總成軸向位移進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)分析、對方向鎖進(jìn)行鎖止強(qiáng)度試驗(yàn)、對轉(zhuǎn)向柱管進(jìn)行了溫度試驗(yàn)，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

轉(zhuǎn)向管柱上段總成；ABAQUS；TS16949體系

0 引言

近年來，我國汽車行業(yè)發(fā)展迅速，各種各樣的汽車已經(jīng)漸漸進(jìn)入人們的日常生活中，而汽車的安全性能問題也在不斷受到消費(fèi)者們的關(guān)注。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的重要組成部分，在汽車結(jié)構(gòu)功能方面發(fā)揮著巨大作用。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是指由駕駛?cè)藛T操縱、能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)和回位的一套機(jī)構(gòu)。而轉(zhuǎn)向管柱上段總成作為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分，對于汽車轉(zhuǎn)向性能好壞有著重要影響，直接影響著汽車行駛的安全性和操縱性。

轉(zhuǎn)向管柱上段總成主要由轉(zhuǎn)向上下軸分總成、轉(zhuǎn)向管柱三角支架、支架座、轉(zhuǎn)向管柱支架、懸架、左右支架、萬向節(jié)叉等部件構(gòu)成(見圖1—2)。

轉(zhuǎn)向上下軸分總成上端有連接花鍵，用來安裝方向盤；下端是焊接的萬向節(jié)叉，連結(jié)到轉(zhuǎn)向器后，這樣就可以達(dá)到傳遞扭矩的效果。上、下柱管配合在一起，通過轉(zhuǎn)向管柱支架安裝在車架上。

1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TS16949體系

ISO/TS16949是國際汽車行業(yè)的技術(shù)規(guī)范，是在ISO9001的基礎(chǔ)上加進(jìn)了汽車行業(yè)的技術(shù)規(guī)范。其針對性和使用性非常明確：此規(guī)范只適用于汽車整車廠和其直接的零備件制造商。TS16949特別注重廠家的完成品及實(shí)現(xiàn)這個(gè)完成品的質(zhì)量系統(tǒng)能力。它認(rèn)為這是整個(gè)制造過程活動(dòng)的基礎(chǔ)。此外，它還特別注重一個(gè)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量管理系統(tǒng)的有效性。

文中的轉(zhuǎn)向管柱上段總成質(zhì)量已達(dá)到ISO/TS16949質(zhì)量管理體系認(rèn)證，通過有限元軟件ABAQUS對其進(jìn)行相關(guān)分析，證明其滿足質(zhì)量要求。

2 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

作為動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)內(nèi)容——模態(tài)分析在進(jìn)行其他動(dòng)力學(xué)分析之前有著重要意義。通過對物體進(jìn)行模態(tài)分析：(1)可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或按照特定的頻率進(jìn)行振動(dòng)；(2)可以使工程師認(rèn)識(shí)到不同類型的動(dòng)力載荷結(jié)構(gòu)是如何響應(yīng)的；(3)有助于在其他動(dòng)力學(xué)分析中估算求解控制參數(shù)。

模態(tài)分析中的主要4個(gè)步驟是：(1)建模。定義材料密度，忽略非線性性質(zhì)，只能使用線性單元和線性材料；(2)選擇分析步類型并設(shè)置模態(tài)提取選項(xiàng)；須定義一個(gè)線性攝動(dòng)分析步的頻率提取分析步；(3)施加邊界條件、載荷并求解；(4)結(jié)果處理。

為了保證模態(tài)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對模型進(jìn)行了部分簡化：

(1)上下支撐軸承部分。轉(zhuǎn)向管柱上段總成上軸安裝深溝球軸承，下軸采用彈性材料的滾針軸承。由于軸承內(nèi)部有許多復(fù)雜實(shí)體，存在復(fù)雜的接觸問題，因此，將其簡化為具有該彈性模量的勻質(zhì)實(shí)體，這樣會(huì)減少建模和分析工作量，提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2)利用ABAQUS軟件中的綁定約束簡化支架與管柱體焊接、管柱三角支架與管柱體焊接、懸架與管柱體焊接。

部分零件材料性能參數(shù)見表1。

表1 材料性能參數(shù)

圖3是轉(zhuǎn)向管柱的模態(tài)圖，圖4是轉(zhuǎn)向管柱上段總成的二階模態(tài)圖。

對轉(zhuǎn)向管柱上段總成進(jìn)行了模態(tài)分析后，企業(yè)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向管柱時(shí)可以主動(dòng)避開這些頻率，這樣可以盡可能地減小這些頻率上的激勵(lì)，進(jìn)而消除過度噪聲和振動(dòng)，對后面的共振頻率、噪聲試驗(yàn)等有著重要意義。

3 轉(zhuǎn)向管柱上段總成標(biāo)準(zhǔn)分析

在汽車裝配中，轉(zhuǎn)向上軸與汽車方向盤相連接。汽車在運(yùn)動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)向上軸經(jīng)常會(huì)受到來自軸向的力。因此對轉(zhuǎn)向管柱上段總成在軸向施加載荷，對其進(jìn)行軸向位移分析，觀察其軸向位移量如圖6所示，在其允許范圍之內(nèi)，滿足性能要求。

4 方向鎖鎖止強(qiáng)度試驗(yàn)

在汽車轉(zhuǎn)向管柱上段總成中，方向鎖已經(jīng)成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置，其強(qiáng)度測試試驗(yàn)方法一般為：按實(shí)車位置安裝方向鎖，在軸向鎖套上施加扭矩，鎖套與管柱配合區(qū)域應(yīng)無損傷。在ABAQUS軟件中，在鎖套與軸之間采用綁定約束，接著在鎖套的鍵槽處施加扭矩，然后進(jìn)行結(jié)果后處理，觀察鎖套在配合區(qū)域的受力情況。應(yīng)力圖和位移圖分別如圖7—8所示。

可以看出：鎖套在承受扭矩處所受到的最大應(yīng)力和位移均在允許范圍內(nèi)，符合質(zhì)量性能要求。

5 溫度試驗(yàn)

由于我國地域遼闊，緯度跨越比較大，南北方溫差較大，因此，在對汽車轉(zhuǎn)向管柱進(jìn)行測試時(shí)必須對轉(zhuǎn)向柱管進(jìn)行溫度試驗(yàn)，要求轉(zhuǎn)向管柱必須滿足下面的基本性能：

(1)低溫環(huán)境測試。在低溫環(huán)境中(-40 ℃)放置一段時(shí)間(70 h)，然后轉(zhuǎn)移到常溫環(huán)境下(20 ℃)放置2 h。

(2)高溫環(huán)境測試。在高溫環(huán)境中(85 ℃)放置一段時(shí)間(96 h)，然后轉(zhuǎn)移到常溫環(huán)境下(20 ℃)放置2 h。

(3)常溫試驗(yàn)。將轉(zhuǎn)向管柱上段總成在20 ℃的環(huán)境下放置72 h，作為對比試驗(yàn)。

文中取轉(zhuǎn)向柱管進(jìn)行分析，利用ABAQUS的溫度場對其進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)向柱管的彈性模量210 000 MPa，泊松比0.3，線膨脹系數(shù)1.38×10-5/℃。下面是在低溫、高溫環(huán)境下選取一點(diǎn)繪制的時(shí)間-應(yīng)力圖。

由圖10可以看出：在-40 ℃的環(huán)境下，隨著壓力的不斷增加，選取節(jié)點(diǎn)上應(yīng)力不斷增大，當(dāng)?shù)?0 h后，應(yīng)力達(dá)到最大，此后受力不再變化，但是溫度回到20 ℃，這時(shí)節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力會(huì)不斷變小，當(dāng)一段時(shí)間后應(yīng)力又會(huì)變大，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11是同一節(jié)點(diǎn)在20 ℃下90 h的時(shí)間-應(yīng)力圖，可以看出:在常溫下受到壓力時(shí)轉(zhuǎn)向管柱的應(yīng)力是穩(wěn)定變化的。

由圖10—12可以看出高低溫對轉(zhuǎn)向管柱的影響，因此在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向管柱時(shí)應(yīng)充分考慮溫度變化對它的影響。

6 結(jié)束語

借助有限元分析軟件ABAQUS分別對轉(zhuǎn)向管柱上段總成進(jìn)行了模態(tài)分析、對轉(zhuǎn)向上軸進(jìn)行了軸向位移分析、對方向鎖進(jìn)行了鎖止強(qiáng)度分析，最后利用ABAQUS的熱分析模塊對轉(zhuǎn)向管柱進(jìn)行了溫度場分析。利用有限元分析軟件，在產(chǎn)品投入使用前分析其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，可確保設(shè)計(jì)安全可靠，減少設(shè)計(jì)成本。汽車轉(zhuǎn)向管柱上段總成作為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，在使用前對其進(jìn)行虛擬分析發(fā)現(xiàn)存在的潛在問題，可以減少現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)安全隱患的概率，對汽車行業(yè)有著重要意義。

【1】王成華.基于ABAQUS的汽車轉(zhuǎn)向柱模態(tài)分析與研究[D].青島:青島理工大學(xué),2013.

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【4】王峰.鎂合金汽車轉(zhuǎn)向管柱支架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(3):204-206.

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【7】楊洪斌.汽車轉(zhuǎn)向管柱的有限元分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2012(4):48-50.

【8】荊海燕.汽車零部件企業(yè)質(zhì)量管理體系有效性研究[D].秦皇島:燕山大學(xué),2010.

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AnalysisandResearchforCarSteeringColumnAssemblyBasedonABAQUS

YU Fudong， ZHANG Ye

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China)

Automotive steering column assembly is an important part of vehicle steering system. The steering performance will directly affect safety and handling of a car. Using ABAQUS software, modal analyses for the car steering column and steering column assembly were done. According to industry standard TS16949 system, axial displacement standard analysis was made for the steering column assembly, locking strength test was made for the direction lock, temperature test was made for steering pillar tube. The results illustrate the rationality of its structure design.

Steering column assembly; ABAQUS; TS16949 system

2015-01-10

于富冬(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)及其理論。E-mail：1276720173@qq.com。