摘 要：轉(zhuǎn)向管柱在汽車碰撞過程中是吸能的關(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

　　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。誠然在正面碰撞過程中，安全帶和安全氣囊起到至關(guān)重要的作用。但是在碰撞過程中轉(zhuǎn)向管柱吸能潰縮同樣增加了對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)較簡單，成本相對較低。一般具有調(diào)節(jié)手柄機(jī)構(gòu)，起到開啟及關(guān)閉調(diào)節(jié)功能的作用。將調(diào)節(jié)手柄打開，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電機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(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，大大提高了對轉(zhuǎn)向管柱的吸能要求。

　　另一方面，在正面碰撞過程中沖擊主要來自水平方向，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，見圖2。

　　第一階段：轉(zhuǎn)向管柱從靜態(tài)保持到開始潰縮。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，然后過渡到第二階段。

　　第二階段：轉(zhuǎn)向管柱在長度調(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?？紤]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)用以過渡。

　　對同款管柱又進(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)行對比，見圖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，能量過大會(huì)容易對傳感器造成損壞;能量過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程。

　　對同款轉(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)行了對比，設(shè)置及試驗(yàn)曲線見圖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)果對比仿真計(jì)算結(jié)果，設(shè)置及試驗(yàn)曲線見圖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)。

　　參照國標(biāo)GB 11557-2011《防止汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對駕駛員傷害的規(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，無法對人體模塊碰撞進(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，肉眼根本無法辨識。觀察實(shí)際潰縮過程需配置高速攝影機(jī)?？傮w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)相對來說成本高，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，但總體趨勢接近。動(dòng)態(tài)沖擊成本較高，準(zhǔn)備時(shí)間較長?？梢韵冗M(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)品開發(fā)周期又能降低研發(fā)成本，受到越來越多車企的肯定。

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