汽車電子轉(zhuǎn)向柱鎖鎖舌斷裂分析及改善

顧中連，馮志華

（蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021）

汽車電子轉(zhuǎn)向柱鎖鎖舌斷裂分析及改善

顧中連，馮志華

（蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021）

根據(jù)汽車防盜安全標(biāo)準(zhǔn)要求,電子轉(zhuǎn)向柱鎖應(yīng)能承受不低于200NM載荷。通常轉(zhuǎn)向柱鎖由底座、上殼、印刷電路板、內(nèi)部傳動機(jī)構(gòu)及鎖舌構(gòu)成。本文運(yùn)用CAD軟件CATIA三維建模,有限元分析軟件ABAQUS作靜態(tài)力學(xué)仿真模擬，對電子轉(zhuǎn)向柱鎖鎖舌結(jié)構(gòu)受力情況建立數(shù)學(xué)模型，理論分析其承載應(yīng)力，并依據(jù)工程計算公式分析出鎖舌斷裂的關(guān)鍵影響因素。結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，分析總結(jié)出改善鎖舌強(qiáng)度和提高理論評估準(zhǔn)確性的方案。

電子轉(zhuǎn)向柱鎖；仿真模擬；鎖舌斷裂

汽車作為家庭消費(fèi)品日漸大眾化，銷量逐年攀高，其防盜要求也面臨著更大挑戰(zhàn)性。近年來汽車防盜裝置隨著汽車更新?lián)Q代不斷升級，防盜的方法也變得多樣化，目前電子轉(zhuǎn)向柱鎖被廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)機(jī)械鎖逐漸的被取代，主要是因?yàn)殡娮渔i技術(shù)難度大，智能化程度高且安全可靠，它屬于汽車DAS（Drive-Authorization-System）系統(tǒng)的一部分，上鎖解鎖動作必須滿足一定邏輯條件，因此它的出現(xiàn)符合當(dāng)今汽車廠和消費(fèi)者的需求。

從國內(nèi)汽車市場上可以看出對電子轉(zhuǎn)向柱鎖的需求越來越多，經(jīng)濟(jì)型家用車上也都開始安裝。而國內(nèi)研發(fā)和生產(chǎn)這類鎖的企業(yè)并不是太多，目前仍然是國外幾個主流汽車零件廠商占據(jù)大部分市場份額。國內(nèi)整個汽車市場上車型多，更新?lián)Q代相對較快，通常研發(fā)周期也因此相對較短。而且通常每個車型對結(jié)構(gòu)設(shè)計要求不太一樣，這樣轉(zhuǎn)向柱鎖的生產(chǎn)研制單位必須具有快速設(shè)計和驗(yàn)證的能力。

按照汽車安全標(biāo)準(zhǔn)ECER116和GB15740里普遍認(rèn)同的要求，電子轉(zhuǎn)向柱鎖必須能承受轉(zhuǎn)向管柱一定的扭矩負(fù)載。在實(shí)際開發(fā)項目中，轉(zhuǎn)向柱鎖經(jīng)常會發(fā)生強(qiáng)度不能滿足主機(jī)廠的扭矩要求，發(fā)生鎖舌斷裂或者變形現(xiàn)象，甚至損壞關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此鎖舌強(qiáng)度是一個關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。結(jié)合每個企業(yè)都會推平臺化產(chǎn)品情況，也就是選定一類典型產(chǎn)品，僅僅對客戶端的匹配接口做客制化，其它主體結(jié)構(gòu)保持不變。這樣能縮短研發(fā)周期和成本，也符合車型更新?lián)Q代快的要求。因此找出電子轉(zhuǎn)向柱鎖鎖舌斷裂的關(guān)鍵影響因素和理論評估方法具有重大應(yīng)用價值。

1 電子轉(zhuǎn)向柱鎖的三維模型和鎖舌應(yīng)力仿真

電子轉(zhuǎn)向鎖的強(qiáng)度要求是國標(biāo)或者企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的一個重要要求，而這主要涉及到接口結(jié)構(gòu)部分，因此電子鎖鎖舌強(qiáng)度的分析和優(yōu)化工作就決定能否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的關(guān)鍵問題點(diǎn)。針對這個問題，本文運(yùn)用工程力學(xué)相關(guān)知識分析其結(jié)構(gòu)受力情況，并建立數(shù)學(xué)模型，得出主要影響因子和它們的關(guān)聯(lián)關(guān)系及工程計算公式，最終依此可給出每個技術(shù)要求的評估結(jié)果或改善方案。

運(yùn)用CAD建模軟件CATIA建立產(chǎn)品相關(guān)結(jié)構(gòu)三維模型，如圖1。再使用仿真軟件ABAQUS模擬電子轉(zhuǎn)向柱鎖的受力情況,管柱花鍵外部承受加載扭矩Mt，從應(yīng)力云圖圖2上可以看出，鎖舌在和底座根部位置的應(yīng)力最大，和實(shí)際的失效情況一致，基本都在根部位置斷裂。

圖1 三維模型

圖2 應(yīng)力云圖

2 電子轉(zhuǎn)向柱鎖鎖舌的結(jié)構(gòu)簡圖

依據(jù)電子鎖結(jié)構(gòu)和鎖舌受力情況，可以剪力電子鎖鎖舌結(jié)構(gòu)簡圖，如圖3所示。簡圖中包含三個零件，鎖舌、鎖底座及管柱花鍵。當(dāng)管柱花鍵順時針旋轉(zhuǎn)時，花鍵齒會對鎖舌產(chǎn)生剪切力。由于關(guān)鍵關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)是對稱設(shè)計，逆時針受力情況也一樣。

3 電子轉(zhuǎn)向柱鎖鎖舌應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型和關(guān)鍵因素分析

依據(jù)此簡圖可建立力學(xué)數(shù)學(xué)模型。從鎖舌受力情況可以看出，影響鎖舌承受載荷的主要因素為：（1）鎖舌內(nèi)部接觸長度L1；（2）鎖舌外部伸出長度L2；（3）鎖舌受力面角度α；（4）轉(zhuǎn)向管柱花鍵半徑r；（5）鎖舌接觸面摩擦系數(shù)μs；（6）管柱扭矩Mt；（7）鎖舌材料剪切強(qiáng)度Ks；（8）鎖舌截面積s。

從結(jié)構(gòu)簡圖中看出，鎖舌斷裂主要是因?yàn)槌惺芗羟凶饔谩．?dāng)然實(shí)際受力和變形情況是很復(fù)雜的，很難精確的進(jìn)行理論工程應(yīng)力分析。實(shí)際上對這種工程構(gòu)件的強(qiáng)度計算，一般采用在試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立起來的比較簡便的計算方法，稱為剪切的實(shí)用計算或工程計算。

則工程計算公式為：

鎖舌頂端與本體滑槽接觸點(diǎn)受力F1=F2·L2/ (L1+L2)；

鎖舌與本體滑槽根部接觸點(diǎn)受力F2=μs· (Mtcosα/r)·(L1+L2)/L1。

從上面計算公式可以看出F1＞F2

再由剪切應(yīng)力τ=F/s得τmax=μs·Mtcosα ·(L1+L2)/(L1×r×s)。

基于標(biāo)準(zhǔn)化和平臺化開發(fā)情況，其中花鍵齒角度α，鎖舌內(nèi)部長度L1，摩擦系數(shù)μs，截面積s通常是定量，簡化后τmax=AMt(L1+L2)/r，那么變量只有承載扭矩、花鍵半徑和鎖舌外部伸出長度。

從以上工程計算公式很容易看出，鎖舌伸出長度和花鍵半徑是承載應(yīng)力的關(guān)鍵因素，是導(dǎo)致鎖舌斷裂的重要影響因素。實(shí)際上每個車型的這幾個參數(shù)也都不一樣,因此它們是影響鎖舌強(qiáng)度的重要變量。從實(shí)際產(chǎn)品失效案例中也能總結(jié)出這樣的規(guī)律，同樣鎖結(jié)構(gòu)，如果轉(zhuǎn)向管柱內(nèi)的花鍵半徑不一樣，最終的試驗(yàn)結(jié)果也會不一樣；同樣鎖舌伸出長度不一樣，結(jié)果也可能不一樣。依據(jù)這個經(jīng)驗(yàn)公式理論上已經(jīng)找出了鎖舌斷裂或者失效的重要影響因素。

圖3 結(jié)構(gòu)簡圖

4 電子鎖鎖舌斷裂的設(shè)計評估方案優(yōu)化

基于實(shí)際使用的結(jié)構(gòu)和材料特性參數(shù)，帶入此工程計算公式能接近準(zhǔn)確的計算出鎖舌承載應(yīng)力并驗(yàn)證鎖舌強(qiáng)度是否能滿足要求。這在項目開發(fā)前期快速評估設(shè)計方案是否能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)具有重大意義，甚至在較短的時間內(nèi)確認(rèn)新的設(shè)計要求能否滿足。對于項目來說能較大程度的縮短研發(fā)周期和降低成本，因?yàn)槠嚵慵邪l(fā)的標(biāo)準(zhǔn)高，往往要用模具或?qū)Ｓ迷O(shè)備來制作產(chǎn)品，然后經(jīng)過多個測試項目來驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性。如果一旦發(fā)生失效問題，那么會花很長時間來重新制作，重新驗(yàn)證，成本代價較高，周期也會延長。這種情況往往會使整個項目陷入被動狀態(tài)，因?yàn)榭蛻舻囊蠛拖嚓P(guān)匹配件的設(shè)計基本凍結(jié)，很難做出讓步或者改變零件試驗(yàn)條件。因此能運(yùn)用此工程計算公式能高效的評估設(shè)計方案和客戶要求。

如上述提到，實(shí)際受力和變形情況較復(fù)雜，很難準(zhǔn)確的理論計算出來，我們可以集合實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，來修正最終的計算結(jié)果，即增加一個修正系數(shù)，這樣可使計算結(jié)果更接近實(shí)際測試結(jié)果，提高理論評估的準(zhǔn)確性。具體方法是依據(jù)材料物理性能表查詢極限剪切應(yīng)力[τb]，再運(yùn)用DOE試驗(yàn)方法找出實(shí)際斷裂時鎖舌承受的扭矩或者力，根據(jù)上面的計算公式算出實(shí)際剪切應(yīng)力τ，則修正系數(shù)n= [τb]/ τ。這樣鎖舌承載應(yīng)力計算公式可以優(yōu)化成τ=n· Amt(L1+L2)/r，評估的準(zhǔn)確性會進(jìn)一步的提高。

5 結(jié)語

本文著重研究鎖舌斷裂的主要因素，并建立工程計算公式為快速評估設(shè)計方案提供理論依據(jù)。根據(jù)這個公式，一旦有失效情況發(fā)生或者需要提高設(shè)計的可靠性，可針對幾個主要影響因素提出相應(yīng)改善措施。例如盡可能的增加花鍵半徑或減小鎖舌伸出長度，這樣鎖舌承載應(yīng)力會得到有效的減小，最終提升產(chǎn)品的設(shè)計可靠性。

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