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安全、環(huán)保、節(jié)能是未來汽車的三大主題，作為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重要部件一轉(zhuǎn)向管柱更是如此，從傳統(tǒng)的純機(jī)械結(jié)構(gòu)、電動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)到管柱助力的電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(即C-EPS)。
近年來，汽車轉(zhuǎn)向管柱的發(fā)展超乎尋常，其安全性顯得尤其重要，不僅要求進(jìn)行總成的靜態(tài)壓縮特性考核，還必須滿足國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB11557和美國聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS203的要求。企業(yè)如果要想在激烈的市場(chǎng)竟?fàn)幹忻摲f而出，必須采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段。
1、有限元分析
根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向管柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為滿足轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求，有限元分析技術(shù)主要應(yīng)用在轉(zhuǎn)向柱的靜態(tài)強(qiáng)度、靜態(tài)剛度分析、模態(tài)分析、疲勞分析、碰撞吸能分析幾個(gè)方面。
1.1、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度/剛度分析
作為機(jī)械產(chǎn)品，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)在一定的工作條件，如額定載荷、過載及熱載等情況下，其結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度如何，能否滿足在工作載荷下不發(fā)生失效破壞，不發(fā)生過大變形影響工作性能等。因此，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)做剛強(qiáng)度校核，是每個(gè)設(shè)計(jì)師首要考慮的問題。在滿足剛強(qiáng)度要求的前提下，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行一些優(yōu)化分析，還可以帶來諸如節(jié)省材料等經(jīng)濟(jì)性方面的益處，但傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)校核難度較大。轉(zhuǎn)向管柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度涉及有限元分析領(lǐng)域包括：結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析，熱傳導(dǎo)與結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分析，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，靜剛強(qiáng)度優(yōu)化分析。
1.2、模態(tài)分析
模態(tài)分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性包括固有頻率和振型。模態(tài)分析是最基本的動(dòng)力學(xué)分析，也是其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，如響應(yīng)譜分析、隨機(jī)振動(dòng)、DDAM振動(dòng)分析、模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析都需要在模態(tài)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行。
轉(zhuǎn)向管柱模態(tài)分析結(jié)果的準(zhǔn)確與否，關(guān)鍵在十模型的簡(jiǎn)化，特別是對(duì)上下支撐軸承的簡(jiǎn)化。一般轎車轉(zhuǎn)向柱上軸承采用單列向心球軸承等剛性軸承，而下部則采用柔性軸承，如帶橡膠或彈性材料的滾針和球軸承。實(shí)際的分析結(jié)果表明，除轉(zhuǎn)向柱本身的結(jié)構(gòu)因素外，在一定的條件下，支撐軸承的剛度、方向盤質(zhì)量及質(zhì)心位置對(duì)模態(tài)的影響最大。若軸承剛度越大(或方向盤質(zhì)量越低，或質(zhì)心位置越低)，則轉(zhuǎn)向柱固有頻率越高。
1.3、疲勞壽命分析
機(jī)械產(chǎn)品各部件的材料、零件和構(gòu)件在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變的作用下，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)逐漸產(chǎn)生局部的永久的結(jié)構(gòu)變化，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋或繼續(xù)擴(kuò)展直到斷裂，產(chǎn)生疲勞破壞。由于疲勞斷裂發(fā)生往往會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性人身事故，所以疲勞成為力學(xué)、材料和工程界所共同重視的學(xué)科。
轉(zhuǎn)向管柱的疲勞分析主要應(yīng)用在轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸，其目的是預(yù)測(cè)在一定的扭矩和頻率的交變負(fù)荷下，能夠經(jīng)受住疲勞的次數(shù)，根據(jù)交變負(fù)荷的周期則可以根據(jù)次數(shù)確定以時(shí)間描述的疲勞壽命。
1.4、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)吸能結(jié)構(gòu)碰撞分析
最新的國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB11557-2011規(guī)定了二次碰撞人體模塊胸碰和頭碰的性能要求，因此轉(zhuǎn)向管柱一般設(shè)計(jì)有吸能結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是靠經(jīng)驗(yàn)初步確定各個(gè)吸能處的靜態(tài)潰縮力，待做出物理樣機(jī)后進(jìn)行試驗(yàn)并校核。
汽車碰撞時(shí)駕駛員的二次沖撞是在幾十毫秒到幾百毫秒內(nèi)完成的。在碰撞過程中，駕駛員和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)各零部件在慣性載荷作用下發(fā)生大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大變形的接觸碰撞。因而，研究轉(zhuǎn)向管柱碰撞能量的吸收特性應(yīng)建立在瞬態(tài)、非線性(材料非線性、幾何非線性、接觸非線性)的基礎(chǔ)之上。主要分析內(nèi)容包括：吸能結(jié)構(gòu)碰撞仿真的建模與計(jì)算控制；人體模塊有限元模型變形剛度的仿真測(cè)定；吸能結(jié)構(gòu)碰撞仿真的非線性有限元分析；通過實(shí)際碰撞試驗(yàn)校驗(yàn)動(dòng)態(tài)仿真分析結(jié)果的正確性。
借助有限元分析和運(yùn)動(dòng)仿真，可以針對(duì)不同設(shè)計(jì)變量進(jìn)行設(shè)計(jì)研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得出最佳的設(shè)計(jì)方案，可以在產(chǎn)品投入試制前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題，確保設(shè)計(jì)安全可靠，縮短開發(fā)周期，減少設(shè)計(jì)成本，隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，虛擬設(shè)計(jì)在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將更加廣泛。
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