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隨著社會經(jīng)濟(jì)和汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車變得越來越普及。汽車轉(zhuǎn)向管柱作為駕駛員操控汽車的重要部件，其安全性和可靠性顯得尤為重要。在以前的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，人們很少意識到盜竊者通過強(qiáng)行扭轉(zhuǎn)方向盤使得鎖止機(jī)構(gòu)失效，從而使整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效，進(jìn)而發(fā)生車輛盜竊的現(xiàn)象。所以轉(zhuǎn)向管柱及點(diǎn)火鎖的組合機(jī)構(gòu)必須具有較高抵抗變形與抗扭轉(zhuǎn)的性能，才能保證在較大的外力矩下不發(fā)生破壞，且能夠確保鎖止功能的正常，減少車輛盜竊的現(xiàn)象發(fā)生。下面介紹對其進(jìn)行有限元分析。
因某車型出口需要，根據(jù)法規(guī)要求，轉(zhuǎn)向管柱的鎖止機(jī)構(gòu)在經(jīng)歷正、反兩個方向各2500次的磨損后，應(yīng)能夠承受正、反300Nm的扭矩，并且加載后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不出現(xiàn)影響安全的破壞。試驗(yàn)方法如下：首先轉(zhuǎn)向管柱與點(diǎn)火鎖的組合機(jī)構(gòu)安裝于轉(zhuǎn)向軸總成上，然后整體裝置固定于試驗(yàn)臺上，固定點(diǎn)為實(shí)際與車身安裝位，即轉(zhuǎn)向管柱安裝座固定點(diǎn)與轉(zhuǎn)向軸套安裝板固定點(diǎn)，外力矩施加在轉(zhuǎn)向軸的頂端位置，即與方向盤安裝處。轉(zhuǎn)向管柱與點(diǎn)火鎖組合機(jī)構(gòu)的功能實(shí)現(xiàn)過程如下：點(diǎn)火鎖通過凸臺插入轉(zhuǎn)向管柱的方槽內(nèi)，由轉(zhuǎn)向管柱固定支座通過螺栓共同固定在轉(zhuǎn)向管柱上。當(dāng)點(diǎn)火鎖上的鑰匙拔出時，鎖舌會自動彈出，并插入轉(zhuǎn)動軸相應(yīng)的孔內(nèi)，這時方向盤的轉(zhuǎn)動被抑制，整個機(jī)構(gòu)處于鎖止?fàn)顟B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)防盜的功能。轉(zhuǎn)向管柱與點(diǎn)火鎖組合機(jī)構(gòu)的受力過程如下：外扭矩施加在轉(zhuǎn)向軸的頂端位置，轉(zhuǎn)向軸上的扭矩通過鎖舌轉(zhuǎn)化為力，后經(jīng)鎖舌傳遞至點(diǎn)火鎖的凸臺上，并通過凸臺傳遞至轉(zhuǎn)向管柱上，最終作用在轉(zhuǎn)向管柱安裝座上。力的傳遞過程中主要的受力部件為轉(zhuǎn)向管柱及點(diǎn)火鎖，所以二者應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度來抵抗外扭矩。為避免由于轉(zhuǎn)向管柱與點(diǎn)火鎖組合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足導(dǎo)致認(rèn)證試驗(yàn)的失敗，我們首先借用CAE的手段預(yù)測初始設(shè)計(jì)方案的可行性。
根據(jù)CAD數(shù)模，利用Abaqus/CAE建立轉(zhuǎn)向管柱與點(diǎn)火鎖組合機(jī)構(gòu)的有限元模型，采用有限元求解器Abaqus/Standard進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。轉(zhuǎn)向管柱采用3mm四面體單元劃分，且方槽及失效部位采用細(xì)化處理，單元尺寸1mm；點(diǎn)火鎖采用四面體單元劃分，固定支座采用5mm殼單元劃分。點(diǎn)火鎖與轉(zhuǎn)向管柱之間設(shè)定CONTACT，同時在螺栓上施加BOLTLOAD使兩者建立預(yù)緊關(guān)系。轉(zhuǎn)向管柱及點(diǎn)火鎖組合機(jī)構(gòu)單元總數(shù)1059549個，其有限元模型如圖所示。(1)載荷：通過轉(zhuǎn)向軸的扭矩將轉(zhuǎn)化為力的形式傳遞至點(diǎn)火鎖的鎖舌頂端側(cè)面上，后經(jīng)點(diǎn)火鎖傳至整個機(jī)構(gòu)。力F的大小可以根據(jù)以下公式確定，M為作用在轉(zhuǎn)向軸的扭矩，L為轉(zhuǎn)向軸中心線至鎖舌頂端的距離。(2)邊界條件：約束轉(zhuǎn)向管柱安裝螺栓位置的5個自由度，同時約束上端軸承位置的5個自由度并釋放沿轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)動自由度。從轉(zhuǎn)向管柱與點(diǎn)火鎖的應(yīng)力云圖上看，兩者的最大應(yīng)力分別為1I00MPa與445MPa，此應(yīng)力值大大超過了自身材料的抗拉極限。由于兩部件均為鑄鋁材料，其力學(xué)性能比鋼材的要弱，而且轉(zhuǎn)向管柱的方槽拐角處幾何特征過度加劇，易發(fā)生斷裂，點(diǎn)火鎖同樣存在此現(xiàn)象。
根據(jù)轉(zhuǎn)向管柱及點(diǎn)火鎖的分析結(jié)果，對兩部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)�？梢园逊讲凼艿降牧D(zhuǎn)移到其他位置，即使方槽的寬度兩側(cè)各增加間隙，更改后的結(jié)構(gòu)可以保證點(diǎn)火鎖的凸臺不與轉(zhuǎn)向管柱的方槽接觸，同時在轉(zhuǎn)向管柱的兩側(cè)增加“耳狀”結(jié)構(gòu)，這樣方槽受到的力完全轉(zhuǎn)移到“耳狀”結(jié)構(gòu)上，同時對點(diǎn)火鎖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)，具體實(shí)施方案見圖。更改后的轉(zhuǎn)向管柱的最大應(yīng)力并不在方槽的位置，而是轉(zhuǎn)移到“耳狀”結(jié)構(gòu)的根部位置，且應(yīng)力由原來的1100MPa將至174MPa，此應(yīng)力低于自身材料的抗拉極限，滿足強(qiáng)度的要求;如圖巧所示，從更改結(jié)構(gòu)后的點(diǎn)火鎖的應(yīng)力云圖上看，應(yīng)力集中的位置并沒有改變，但是最大應(yīng)力由原結(jié)構(gòu)的445MPa將至178MPa，同樣滿足強(qiáng)度的要求。把更改后的轉(zhuǎn)向管柱及點(diǎn)火鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果為兩者均未發(fā)生失效，驗(yàn)證了方案整改的有效性，同時通過了認(rèn)證試驗(yàn)。
1、利用CAE仿真分析工具可以很方便的對部件之間的接觸問題及螺栓預(yù)緊力進(jìn)行模擬，使仿真分析更加貼合實(shí)際狀況；2、利用CAE技術(shù)對于解決結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)是有效的，它不僅縮短了整改周期，降低巨額的設(shè)計(jì)變更費(fèi)用，同時可以節(jié)省大量的試驗(yàn)成本及時間，提高工作效率。
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