转向管柱在整车碰撞中的分析与改进

转向管柱在整车碰撞中的分析与改进

左张兵

（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海201804）

摘要：介绍了转向管柱在汽车碰撞中的作用，结合某车型整车碰撞试验结果，通过改变转向管柱溃缩机构，调节压溃性能参数，提升整车碰撞性能等级。

关键词：转向管柱碰撞安全汽车

1前言：

随着汽车工业的发展，汽车安全性已得到了世界各国政府及消费者的关注，对汽车安全要求越来越高，碰撞安全法规也越趋严格。如何通过整车结构设计、零部件性能优化满足国际国内相关法规，在汽车事故中更好地保护驾乘人员，是目前汽车安全设计的一大课题。文中对通过改变转向管柱压溃性能参数提升整车安全碰撞等级进行了探讨。

2转向管柱在碰撞过程中的作用

提到汽车碰撞安全件，人们首先想到安全气囊、安全带、安全头枕等。随着汽车安全技术的发展，很多汽车零部件开始扮演安全卫士的角色。可压溃式转向管柱凭借着其吸能机构成为了汽车乘员保护系统之一。

当汽车发生正面碰撞事故时，由于车身车架变形导致转向轴转向盘后移，而人体在惯性力的作用下往前冲，司机胸部和头部会碰撞到转向盘而受伤。如果转向管柱是可压溃式吸能管柱，汽车发生碰撞时，管柱便会产生压缩变形而吸收能量，起到缓冲作用，并使转向盘的后移量减小。[1]保护驾驶员，降低伤害值。

3转向管柱零件压溃性能试验

转向管柱设计开发时，整车安全CAE设定的静压溃要求，是管柱综合性能指标之一，分别采用什么吸能结构，既满足安全要求，又满足整车布置、NVH、功能、强度耐久等试验要求。当结构确定后，其压溃性能曲线一般也随之确定。DELPHI最新研制出一种自适应吸能管柱，可根据碰撞严重度、驾驶员体重、座椅位置、安全带状态等激发不同吸能机构压溃，分别提供不同压溃力，最大程度保护驾驶员。[2]

管柱零件压溃性能试验是模拟整车碰撞过程中管柱压溃工况设计的试验。前期整车通过CAE模型可以分解出，驾驶员最低伤害值对应的管柱压溃力，最大程度保证压溃吸收能量，可以提出对应压溃距离的压溃力要求。一般国内供应商均有能力完成该试验，见示意图1，采用实际整车安装螺栓，将转向管柱固定在刚性支架上，如果是可调转向管柱，角度高度均调节致中间位置，沿上管柱轴线在模拟方向盘上施加力，施力速度10mm/sec，记录下压溃力与压溃距离之间关系曲线。

图1管柱零件压溃试验示意图

由于整车实际碰撞过程中，人体对方向盘的作用力不是正对管柱轴线，见图2整车碰撞时管柱实际受力示意图，其中F为实际受力,考虑该情况，管柱零件静态压溃时除了轴向压溃试验，还会增加一项带侧向力的试验，即试验时模拟增加一固定外力图2中F1。

F1=F*SINα（1）

式中F峰值一般在4KN到6KN之间，取5KN，方向盘安装角度α一般车型在22°到26°之间，取25°，计算F1=F*SINα=5*SIN25=2.113，在试验中一般我们设定2KN的侧向力。这种工况测得的试验数据更接近整车实际碰撞。但国内供应商一般无法进行，需要双通道试验台架，上海检测中心可以进行。

图2整车碰撞时管柱实际受力示意图

4整车安全试验

由于汽车事故造成的巨大损失，世界各发达国家都对汽车碰撞安全性做出强制性要求，并建立了各自的法规。比较有代表的是美联邦FMVSS和欧洲ECE和EEC，其他如日本、加拿大、澳大利亚等国家包括中国基本是参考美国和欧洲的法规制定的。[3]整车碰撞试验主要有前部正面碰撞、前部偏置碰撞、侧面碰撞等，其中管柱与之关系密切的主要是正面碰撞、偏置碰撞。

一般整车安全开发，首先根据市场定位，对竞争车型进行分析，确认安全目标、主被动安全配置，设计阶段建立整车概念设计CAE模型，分解各子系统性能目标，转向管柱主要包括可溃缩距离、压溃力及几级压溃。管柱工程师根据初版目标确定管柱相关结构，并通过零部件试验进行验证，当管柱静压溃试验满足要求时，再进行系统滑车试验，如果该试验也满足最初确立的系统目标，再进行整车碰撞试验。这样可以最大程度节约成本，减少开发时间。

5实例

以某A级车为例。根据竞争车型对比，CAE模型分析，确立管柱压溃要求如图3（a）所示。要求压溃力曲线必须在该范围内，根据该目标以及其他性能要求，确定了上管柱结构如示意图4。

a)试验要求b)试验结果

图3管柱静压溃试验要求及结果

图4某A级车上管柱结构示意图

压溃结构主要包括上支架拉脱块，中间注塑销连接芯轴，以及内外套管。压溃力理论分析如下：

FP=F1+F2+F3（2）

FS=F3+F4（3）

FP——转向管柱峰值溃缩力

FS——转向管柱峰值后的稳定压溃力

F1——拉脱块拉脱力

F2——中间芯轴注塑销破坏力

F3——内外套管滑移摩擦力

F4——中间芯轴滑移摩擦力

样件完成后进行管柱静压溃试验结果如图3（b）所示，三根管柱试验结果均满足试验要求。但当进行系统滑车试验时发现，管柱发生压溃距离不到10mm，远小于设计值60mm，即没有完全压溃。综合其他安全件试验参数，重新建模CAE分析，调整了管柱的试验目标，见图5（a）。

a)试验要求b)试验结果

图5管柱静压溃试验要求及结果

根据新的目标，如果通过降低公式（2）、（3）中F1、F2、F3、F4，可以制造这样的管柱，但无法满足管柱其他功能强度等要求，故现有管柱结构调整内部参数无法满足新的要求。本着改动最小风险最低的原则，改动上下芯轴由注塑销连接为花键滑动配合。经过子零件的调试确认了管柱内部参数，满足了新要求，见图5（b）曲线图。

第二轮系统滑车试验成功完成，但整车试验假人伤害值较大，为进一步提升碰撞得分，提升安全性能等级，进行了新一轮优化，包括气囊开启时间、气孔大小等安全件参数，经过整车碰撞试验参数及几轮滑车试验数据，管柱的静压溃曲线又进行了调整，要求如图6（a）所示。

a)试验要求b)试验结果

图6管柱静压溃试验要求及结果

零部件经过多轮试验调试，甚至对内部结构进行微小更改，最终满足了新的要求如图6（b），系统滑车试验、整车碰撞试验结果也令人满意。管柱也满足其他功能、强度、耐久、疲劳等试验。

6结论

本文介绍了转向管柱零部件压溃性能结构及试验，通过具体实例说明了改变转向管柱压溃性能参数可在一定程度上提升整车安全性能。但要真正提升一款车的安全碰撞等级，仅仅优化转向管柱远远不够，其贡献有限。更多地得依靠整车车身结构、前仓布置、防撞杆、车架、保险杠、安全气囊、安全带、座椅等等安全器件。

参考文献

[1]刘惟信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2006；

[2]MohamedSahulHamid,NirmalNarayanasamy,MinooJ.ShahandRichardK.Riefe,“SystemsApproachinDevelopmentofAdaptiveEnergyAbsorbingSteeringColumnsbyVirtualEngineering”SAEpaper#2005-01-0705,SAE2005WorldCongress,Detroit,Michigan,April11-14,2005；

[3]黄世霖，王晓冬，张金换汽车碰撞与安全[M].北京：清华大学出版社，2000