汽车转向管柱支架有限元分析与结构改进

图 6 合成应力图
最大合成应力出现在两边 V 型槽口处（如图 6 中 MX 处），其 值为 275MPa，小于材料的屈服强度（σS=410MPa）。支架的最大 合成应变为 0.12mm，支架的位移反映到转向盘中心点 , 其位移为 0.9mm，移动的手感不明显。
因此，改进后的支架结构强度和刚度足够，加工方便，能满 足安全使用要求。
图管 3. 管柱支架 4. 紧定螺栓 5. 拉脱锁 6. 下柱管 7. 下支架 8. 旋铆销轴 9. 锁定手柄
1 问题提出
某新型轿车的转向管柱的原结构如图 1 所示。在转向管柱试 装车时发现，用力晃动方向盘，可以感觉到方向盘有较明显的上 下位移。当一个体重约 60kg 的测试人员完全悬吊在方向盘上时， 可观察到管柱支架的拉脱锁安装位内侧有明显的永久变形。
构需要进行改进。文章通过分析原有管柱支架的应力分布情况，提出相应的结构改进方案，再用有限元分析法从众多的备选方案找到最
佳改进方案。改进后的管柱支架样件经装车测试，达到使用要求，改善效果明显。
关键词：转向管柱；有限元；结构；强度
中图分类号：U464.13
文献标识码：A
文章编号：1674-0432（2010）-11-0244-2
2 管柱支架受力分析
整个转向管柱在工作状态下的力学模型可抽象为一个杠杆（如
图 2 管柱支架分实体结构
1. 支架立板 2. 弹簧挂孔 3. 拉脱锁 4. 支架翼板
（1）不考虑管柱支架重力的作用。 （2）忽略焊缝的影响。 （3）忽略远离应力集中区的复杂局部结构影响。 （4）根据圣维南理论，将竖直方向的两个安装板结构简化， 同时将集中载荷换算为等效的面载荷 [2]。 简化后的管柱支架的模型如图 3 所示。 3.2 材料特性参数 用 线 弹 性 材 料 本 构 模 型 模 拟 支 架 钢 材， 管 柱 支 架 的 材 料 为：SPHC 热 轧 钢 板，FB3.2（PT.B）×1200（EC）； 弹 性 模 量： E=200GPa，泊松比：μ=0.3；屈服极限：σS=410Mpa。 3.3 模型网格划分 选用 8 节点 solid92 单元，以智能网格与局部加密的方法， 将模型划分为如图 3 所示的网格。
际结构 H=150mm；L1=105mm；L2=457mm，可求得集中力 N=1218.7N。
3 原结构有限元分析
3.1 模型简化 管柱支架结构比较复杂（如图 2）。支架翼板与立板焊接，
拉脱锁与翼板间通过注塑销连接，弹簧挂孔处于翼板与立板焊缝 旁边。通过分析其工作状态和外载荷情况，在不影响分析结果的 前提下，对模型作如下简化：
由于我国现行的汽车转向管柱总成标准中，没有对该变形量 的检验方法和指标，因此，参考日本马自达制定的《HM 普力马 / 福美来型轿车吸能转向管柱轴总成性能试验计划书》和日本的三 菱标准 ES- X 23023《汽车转向柱》[1]，在转向轴顶部（即输入端） 装上方向盘，沿垂直于轴线方向施加 280N 的静载荷。测得方向盘 中心点的位移为 2.3mm, 有较明显的移动手感 . 通过观察和测量， 可初步确定其原因为支架的强度和刚度不够。
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艺改善、成本估算等各方面因素后，对管柱支架的结构进行改进。 通过使用有限元分析软件对大量备选方案进行分析和调整，最终 确定改进方案为：翼板厚度由 3.2mm 增加到 4.8mm；弹簧挂孔后 移 25mm；支架立板长度加长 10mm；弹簧挂孔旁的棱边外移，直到 与 V 槽口相连；支架翼板左右两端不翻边。改进后的支架结构模 型如图 5 所示。
图 1）。旋铆销轴处为支点 O；作用在方向盘上的力简化为集中力 F，
与 O 点的距离为 L2；管柱支架对转向管柱的反力简化为集中力 N， 与 O 点的距离为 L1。建立平衡状态下的力矩方程：
F·L2-N·L1=0
可求得： N
=
F ⋅ L2 L1
根据国外的标准和经验，本研究确定试验载荷 F=280N。根据实
图 3 管柱支架模型网格图
3.4 载荷与约束 根据管柱支架受力分析，在转向盘的中心施加 280N 的静载荷，
可转化为管柱支架安装板受到竖直方向的等效均布载荷 7.6MPa。 由于拉脱锁对支架的约束，限制了支架 Y 方向（竖直方向）
的位移，所以，在安装拉脱锁区域施加 UY 约束。拉脱锁的 V 面限 制了支架在前后和左右方向的位移，因此在 V 面上施加全约束。 3.5 结果与分析
0 前言
随着社会经济和汽车工业的发展，汽车变得越来越普及。汽车 转向管柱作为驾驶员操控汽车的重要部件，其安全性和可靠性显得 尤为重要。在汽车行驶的过程中，任何来自转向管柱的异响、卡滞 和变形过大都会给驾驶员造成很大的心理压力，影响行车安全。
转向管柱主要包括转向轴总成、上柱管、管柱支架、紧定螺 栓、拉脱锁、下柱管、下支架、旋铆销轴、锁定手柄等（见图 1）。 转向轴总成通常是上端加工有连接花键，用来安装方向盘；下端 焊接有万向节总成，与转向器连接，实现转向扭矩的传递。上、 下柱管装配在一起，通过管柱支架和下支架安装在车架上。拉脱 锁与管柱支架通过注塑装配在一起。
该结构的支架应力集中情况明显，在方向盘上 280N 负载的作 用下，应力集中的部位会产生塑性变形。因此，通过有限元分析 可以认定，原结构的支架强度和刚度都不够。
4 支架结构改进与有限元分析
鉴于管柱支架原结构不能满足使用要求，有必要在不影响管 柱及其相关部件装配的前提下，对管柱支架的结构进行改进。改 进可从以下方面进行考虑：
模型划分网格后，施加约束和载荷，分析得到的结果如下：
图 5 改进后的支架模型图
通过对选定的改进方案进行有限元模型建立、划分网格、施 加载荷和分析求解后，得到的分析结果如下：
图 4 合成应力图
最大合成应力出现在弹簧挂孔处（图 4 中 MX 处），其值为 474MPa，大于材料的屈服强度（σS=410MPa）。支架的最大合成 应变为 0.3mm，最大合成应变出现在远离 V 型槽的部分。支架的 应变反映到转向盘中心点 , 其位移为 2.27mm，与实测结果相符， 说明该有限元模型的分析结果是可信的。
5 结语
⑴本文采用有限元分析软件，对某新型轿车的转向管柱支架 进行了分析，结果发现强度和刚度不够。有限分析结论与实测情 况相符，因此确认了原有管柱支架结构需要进行改进。
⑵通过分析原有管柱支架的应力发布情况，提出相应的结构 改进方案，再用有限元分析法从众多的备选方案找到最佳改进方 案。缩短了改型设计周期，节约了成本。
（1）支架翼板的厚度偏小是造成强度和刚度不够的原因之一， 可以通过适当增加翼板厚度来改善结构的强度和刚度。
（2）由于应力集中点出现在弹簧挂孔处，因此，可以在不影 响功能的情况下，将该弹簧挂孔到移出应力大的区域，降低局部 应力。
（3）支架立板与翼板的连接长度偏小，使得应力集中在弹簧 挂孔处。如果适当增加连接长度，可以使应力分布趋于均匀。
[3] 成大先 . 机械设计手册 : 第三版 [M]. 化学工业出版社 , 1998.
作者简介：李宁（1979-），男，长江大学机械工程学院讲师， 研究方向：机械故障诊断、机械结构与强度。
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⑶改进后的管柱支架样件经装车测试，刚度和强度均达到使 用要求，变形情况得到了明显的改善。
参考文献
[1] 邓飞 . 汽车转向管柱总成标准的分析研究 . 汽车与船舶 [J].2008,（4）：10-11.
[2] 张洪信 . 有限元基础理论与 ANSYS 应用 [M]. 北京：机械 工业出版社，2006,2.
2010 年第 11 期 （总第 249 期）
吉林农业
JILIN AGRICULTURAL
NO.11，2010 （CumulativetyNO.249）
汽车转向管柱支架有限元分析与结构改进
李宁
（长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023）
摘要：运用有限元分析软件，对某新型轿车的转向管柱支架进行了分析。有限元分析结论与实测情况相符，确认原有管柱支架结
（4）弹簧挂孔附近的圆角和直角也是造成该处应力集中的因 素之一，取消圆角和直角不但能缓解应力集中，也能降低加工难 度 [3]。
（5）支架翼板左右两端的翻边应力很小（如图 2），而且加 工比较困难，可以将该处的翻边直接省去。尤其是在增加翼板厚 度的情况下，更有必要省去翻边。
综合考虑管柱支架的安装和连接、板材选用、冲模更改、工