转向管柱的碰撞安全设计
汽车碰撞试验中方向管柱的动态分析
汽车碰撞试验中方向管柱的动态分析
商恩义;乌秀春
【期刊名称】《机床与液压》
【年(卷),期】2005(000)001
【摘要】以运动学的坐标转换理论为基础,对汽车方向管柱在高速碰撞试验中的位置和姿态进行了动态分析.
【总页数】2页(P182-183)
【作者】商恩义;乌秀春
【作者单位】锦州锦恒汽车安全系统股份有限公司,辽宁,锦州,121007;辽宁工学院汽车与交通工程学院,辽宁,锦州,121001
【正文语种】中文
【中图分类】U467.14
【相关文献】
1.图像分析法在汽车碰撞试验中的研究 [J], 贾晓东
2.三维激光扫描技术在汽车碰撞试验中的应用 [J], 梁建国;梁志桐;周铭森
3.图像分析法在汽车碰撞试验中的研究 [J], 贾晓东
4.车载数据采集系统在汽车碰撞试验中的应用与分析 [J], 梁亚飞;邱起起
5.三维激光扫描技术在汽车碰撞试验中的应用 [J], 梁建国;梁志桐;周铭森
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伸缩式转向柱设计原则
伸缩式转向柱设计原则设计原则一：结构设计原则1. 转向柄的设计转向柄是伸缩式转向柱的一个重要部分。
在设计转向柄时，应该考虑到人体工学和行车操作的实际情况。
转向柄的形状应该符合人手的握持习惯，以减少疲劳和危险。
转向柄应该具有良好的防滑性能，以便在潮湿或者多灰尘的路面上使用。
2. 伸缩式转向柱的抗弯性能伸缩式转向柱的抗弯性能需要满足国家相关的标准要求。
这些标准要求主要涉及材料强度、弯曲角度和弯曲强度等方面。
伸缩式转向柱的弯曲强度应该保证在正常使用情况下，转向柱的抗拉强度不会被破坏。
伸缩式转向柱需要具备较好的耐久性能，以应对长时间使用时的损耗和磨损。
伸缩式转向柱的表面涂层应该采用能够抗腐蚀和抗磨损的特殊工艺。
在设计中还需要考虑伸缩式转向柱的使用频率和使用环境等因素。
伸缩式转向柱的碰撞安全设计需要满足国家相关的标准要求。
这些标准要求主要涉及到碰撞时的保护措施和碰撞时转向柱抗撞性能等方面。
伸缩式转向柱的设计中应该考虑到可能存在的碰撞情况，并在转向柱和挡板之间设置缓冲装置。
伸缩式转向柱的维护和保养设计需要考虑到其实际的维修需要和保养要求。
伸缩式转向柱的设计中应该考虑到可能存在的维修难度和保养周期，如设置便于拆卸的维修孔等。
伸缩式转向柱的设计需要满足国家相关的质量标准要求。
这些标准要求主要涉及到材料质量、制造工艺质量和完成质量等方面。
伸缩式转向柱的设计中应该考虑到可能存在的制造缺陷和质量不良问题，如严格控制材料的生产过程和制造工艺等。
设计伸缩式转向柱需要综合考虑车辆的使用环境、车辆的使用频率、人体工程学、安全和可靠性等要素。
为了确保伸缩式转向柱的性能和质量，设计人员需遵循下列原则：结构设计原则伸缩式转向柱需要具备良好的结构设计，以确保转向柱在运行时的稳定性和可靠性。
当设计转向柄时，需做到尽可能优化结构，确保对人体工程学的考虑，同时还需要考虑防滑和防磨损等特点，以便在潮湿或多灰尘的路面上更加安全舒适的驾驶。
通过应用合适的强度分析工具和其他相关技术，保证伸缩式转向柱抗弯性能、抗拉性能、抗扭性能和耐久性能等方面的满足相关标准。
汽车转向管柱设计概述
汽车转向管柱设计概述转向系统是汽车底盘的重要系统之一，其中转向管柱是转向系统的重要部件，使驾驶员作用在转向盘上的力矩通过管柱、转向机、转向横拉杆等部件转化为车轮的运动，实现车辆转向的目的。
目前转向管柱的主要形式有液压助力、电动助力。
文章主要介绍转向系统中的转向管柱开发策略，根据不同车型特点，提出在开发过程中应注意的事项。
标签：转向系统；转向管柱；液压助力；电动助力前言转向管柱是车辆转向系统中的重要部件。
它的主要作用是通过驾驶员作用在方向盘上的扭矩，使方向盘的转动通过转向管柱及转向机、横拉杆、万向节等部件转化为车轮转动，实现车辆转向。
随着安全性的要求逐步提升，转向管柱还要承担二次碰撞中溃缩和能量吸收作用，以保护乘员的安全。
文章主要介绍转向系统中的转向管柱开发策略，提出了转向管柱特点及应注意的事项。
1 转向管柱开发的方向现代转向管柱集功能与节能环保为一体。
随着技术的不断发展，电动助力转向EPS日趋成熟，分为转向管柱式电动助力、齿轮轴式电动助力及齿条轴式电动助力。
其中带有助力电机的转向管柱式电动转向模式己经被逐步应用，该种方式是将助力电机安装在转向管柱上，电机的助力和驾驶员操纵力矩通过中间轴作用在转向机小齿上。
其最大优点是电机、ECU、减速机构等都安装在驾驶舱内，部件的工作环境较好。
但由于所有助力都将通过转向管柱传递到转向小齿轮和齿条上，转向管柱自身的受力较大，导致其助力的大小受到限制。
2 转向管柱的功能特征在确定开发方向采用机械式转向管柱后，需要确定管柱需实现的功能。
逆向设计不但可以减短开发周期，而且可以借鉴一些成熟的经验。
所以根据车型转向管柱布置硬点，通过借鉴市场上己有的成熟的结构进行开发。
在管柱开发中，针对多款竞争车型的产品进行样件分析，给出了分析报告，以全面了解转向管柱所应具有的功能（如表1所示）。
对标杆车型管柱对比分析，调节方式有手动调节和电动调节。
电动调节开发周期长，费用高。
轴向调节范围多在±25mm范围，角度调节在±30mm范围。
万向节在转向管柱中的运用
万向节在转向管柱中的运用及发展趋势
01.03——01.06
学习要点：
◆万向节引入背景
◆十字轴万向节&传动原理
◆等速万向节在管柱中的运用
◆技术展望
◆万向节引入背景
◆十字轴万向节&传动原理
主动节叉滚针轴承
十字轴
从动节叉
）：是利用球型连接实现不同轴的动力传送的机械结构，实现变角度动力
，输入轴▲不同夹角下输入输出角速度的关系图
，中间轴
，
◆等速万向节在管柱中的运用
比十字轴万向节的不等速特性，等速万向节不受输入轴输出轴的夹角影响，其输出角速度始终等于输入角速度，因而被
◆技术展望
◆小结。
基于25%偏置碰撞的某SUV仿真分析及改进设计
doi: 10.3969/j.issn.1673-6478.2024.01.014基于25%偏置碰撞的某SUV 仿真分析及改进设计李冠君，田国富（沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110870）摘要：本文运用Hypermesh 和Ls-dyna 软件对某SUV 车型进行小偏置碰撞有限元仿真分析，分析整车变形情况以及车身结构评级结果，总结出合理的改进方案，提升车身前端部件吸能能力，减少转向管柱、油门制动踏板等部件对乘员舱的侵入量。
在A 柱及门槛等变形较大的部位添加加强板，提高乘员舱刚度，减小乘员受到的伤害。
车身结构评级由“差”提升为“优秀”，说明改进方案具有一定的效果。
关键词：有限元仿真；小偏置碰撞；结构改进 中图分类号：U463.82文献标识码：A文章编号：1673-6478（2024）01-0062-04Simulation Analysis and Improved Design of an SUV Based on 25% Offset CollisionLI Guanjun, TIAN Guofu(Shenyang University of Technology, Mechanical Engineering College, Shenyang Liaoning 110870, China)Abstract: Through Hypermesh and Ls-dyna software, a small bias collision finite element analysis of an SUV model was simulated, the deformation of the whole vehicle and the results of the body structure rating were analyzed. A reasonable improvement plan to enhance the energy absorption capacity of the front end components of the vehicle and reduce the intrusion of components such as the steering column and accelerator brake pedal into the passenger compartment was designed. Reinforcement plates to areas with significant deformation, such as the A-pillar and door sill, were added to increase the stiffness of the passenger compartment and reduce injuries to passengers. The body structure rating upgraded from "poor" to "excellent", explaining that the improvement plan has a certain effectiveness.Key words: finite element simulation; small offset collisions; structural improvements 0 引言正面小重叠度碰撞事故是正面碰撞事故中致死率最高的[1-2]，其对车辆的安全性能要求更高。
基于2021版C-NCAP仪表板五星膝碰研究
2024年第1期引 言C-NCAP按照乘员保护、行人保护和主动安全三个部分的综合得分率来进行星级评价，其中乘员保护中的100%正面碰撞和MPDB碰撞与膝碰相关，分值分别2分和4分，占比分值较大，按照C-NCAP星级评定方案，整车碰撞若要达到C-NCAP五星需要综合得分率达到超过83%且小于92%（如表1），同时乘员保护、行人保护和主doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2024.01.011 收稿日期：2023-11-15基于2021版C-NCAP仪表板五星膝碰研究李威，叶勤，亢胜利，王洪明，贺桥利（东风汽车集团有限公司研发总院，武汉 430058）摘 要：随着汽车工业的发展，汽车从“零死亡”向“零伤亡”再向“零事故”的终极目标不断前进，汽车的安全性尤其是碰撞安全越来越受到人们的关注。
相较于2018版C-NCAP，2021版仪表板knee-mapping试验采用正面50%重叠移动渐进变形壁障碰撞试验（MPDB）替代了正面40%重叠可变形壁障碰撞试验，同时引入了可变区域接触和集中力载荷的评分要求以及试验前提达成规则，评分要求越趋严格。
本文基于对2021版C-NCAP膝碰评分规程解读，探索并提出达成五星膝碰的仪表板设计方法。
关键词：C-NCAP；仪表板；五星膝碰中图分类号：U467.1+4 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2024）01-0061-09Based on the 2021 C-NCAP of IP Five-star Knee-mapping ResearchLI Wei, YE Qin, KANG Sheng-li, WANG Hong-ming, HE Qiao-li( Dongfeng Motor Corporation Research&Development Institute,Wuhan 430058, China)Abstract: With the development of the automobile industry, the ultimate goal of automobile from "zero death" to "zero casualties" and then to "zero accidents" continues to move forward, and the safety of automobiles, especially collision safety, has attracted more and more attention. Compared with C-NCAP 2018 version, knee mapping test of instrument panel 2021 version adopts front 50% overlap moving progressive deformation barrier crash test (MPDB) to replace front 40% overlap deformable barrier crash test, and introduces the scoring requirements of variable area contact and concentrated force load as well as the test prerequisite to achieve rules. Based on the interpretation of C-NCAP knee touch scoring procedures for 2021 edition, this paper explores and proposes a dashboard design method to achieve five-star knee-mapping.Key Words: C-NCAP; Instrument Panel; Five-Star Knee-Mapping李 威毕业于武汉理工大学，硕士研究生学历，现就职于东风汽车集团有限公司研发总院，任主管工程师，主要研究方向为汽车仪表板仪表板技术方案设计，曾发表相关论文3篇，并获得15项专利。
MODEL 3碰撞安全结构设计
MODEL 3碰撞安全结构设计1前言根据目前行业内资料了解，Model 3在IIHS、NHTSA均取得了优秀的成绩，E-NCAP也取得了五颗星等级。
在E-NCAP测试中成人防护96%，儿童防护86%、行人防护74%，辅助安全系统94%，让这款车成为同级最安全的车款之一。
至于Model 3表现较差的部分，主要是行人碰撞保护方面的分数较低，在行人碰撞测试上，机舱盖对于行人头部的伤害较高，所以在整体行人防护项目中仅拿下74%。
IIHS向来被认为是最严苛的碰撞试验，而Model 3在八项测试项目中均拿到了「GOOD」评级。
NHTSA(2018年)-全五星Model 3从布置和结构设计上是如何对应碰撞安全的呢？我们下面来详细解析。
2碰撞安全设计理念通过对Model 3的布置和结构进行研究，能够发现Model 3对应碰撞安全有多方面的设计考虑。
•要能够满足全球主要检测机构的碰撞测试要求；•电动汽车独特的高压部件保护及传统的乘员保护相结合；图1 Model 3对应碰撞法规示意图3正面碰撞-传力路径Model 3在正碰过程中，机舱主要有三条传力路径：①吸能盒+纵梁②下横梁+副车架③Shotgun图2 正面碰撞传力路径示意图图3 正面碰撞传力路径示意图•路径①作为主要传力通道，有效传力至门槛边梁；•路径②下横梁可以在高速碰撞过程中通过副车架有效传力至Crossmemb er；Model 3作为纯电动车区别于传统车型设计，传统车型中地板上的传力纵梁在EV化的过程中被取消，由电池包内两根纵梁进行了替代，保证了碰撞力的有效传递及电池安全。
•路径③中Shotgun在X向与纵梁基本平齐，作为第三条传力路径避免了传力过程中的失效。
4正面碰撞-机舱布置本次解析的Model 3车型为后置后驱，前机舱无动力总成，吸能空间充裕。
图4 Model 3与一般车型机舱吸能行程对比示意图Model 3设计特点在短前悬的状态下做到吸能空间最大化（如表5）。
正面碰撞车身设计基本思路
AUTOMOBILE DESIGN | 汽车设计正面碰撞车身设计基本思路张路 杨志刚 林祥辉极氪汽车（宁波杭州湾新区）有限公司 浙江省宁波市 315336摘 要： 本文以正面碰撞的结构设计为出发点，阐述正面碰撞设计的基本思路。
包含：由外向内逐级加强的设计，以保证生存空间的设计基本要点；整车受力传递路径的规划与截面力规划的设计要点；同时，还阐述了材质及料厚的选取、焊接质量对于碰撞安全的影响以及设计或选取的方法。
关键词：正面碰撞 耐撞性 逐级溃缩 截面力规划1 前言被动安全设计开发涉及两个主要方面：车身结构耐撞性和约束系统开发。
车身耐撞性结构设计是整车被动安全设计的基础，其中，车身结构刚度和强度这两个指标是车身耐撞性考察的重要指标。
车身刚度指的是车身的抗冲击能力或抗变形能力，指在低速碰撞过程中零部件不损坏的特性，这一点能够保证维修经济性；强度是抵抗外力的塑性变形或抵抗车身被破坏的能力。
在碰撞安全中，刚度影响低速碰、强度影响高速碰。
车身的这两个指标，主要是由车身的结构设计、材料强度、钣金料厚、焊接工艺和粘胶连接质量决定。
本文是以高速碰撞下车身结构设计为重点进行阐述。
2 生存空间与变形区域车身结构设计，首先要保证的是车内乘员的有效生存空间，也就是要将车内乘员舱设计成整个车身骨架结构中最强的区域；而乘员舱之外的部分（发舱、后备箱）主要用于碰撞变形吸能。
乘员舱内外需要共同作用、相互配合，才能在汽车发生高速碰撞时，为乘员提供安全的提前（生存空间），后由约束系统约束住乘员，确保人员低损伤或不受损伤。
高速碰撞中，决定汽车的安全因素不是车身外部钢板的厚度，而是带有逐级吸能及具有良好抗变形能力的车身结构，使乘员舱不发生形变(见图1)。
同时，良好的变形形式，是确保整车加速度曲线及曲线走势的基础，也就是整个碰撞过程都需要进行有序控制。
图1 吸能车身结构示意图事故对于正面高速碰设计，发动机舱加上仪表板区域可划分为三大块，如下图2所示。
浅谈汽车总布置中碰撞控制设计
浅谈汽车总布置中碰撞控制设计【摘要】碰撞是汽车总布置设计中的关键性指标，也为汽车关键部位尺寸及零部件结构设计提出了更高的要求，保证汽车发生碰撞时，按照设计过程进行碰撞，以减少对人员及汽车的损害。
本文对汽车总布置中碰撞设计的关键步骤进行探讨，希望为同行提供借鉴。
【关键词】汽车；车身；总布置；碰撞；纵梁1、总布置设计碰撞控制设计的基本思想汽车的车身从安全的角度出发可分为前撞区域、后撞区域和乘坐区域三部分，在设计这三部分时，所需要达到的标准各不相同。
在发生车辆碰撞时，为了保护乘坐区域人员的安全，车身的“碰撞区域”要尽可能的产生变形，尽量吸收撞击能量，而撞击能量的其余部分要传至立柱、大梁等处，所以在设计车身的前、后撞区域的结构时，要比乘坐区域的设计“软”一些。
乘坐区域是车辆最为重要的部分，在发生车辆碰撞时，此区域要尽量降低变形量，减少由于车辆变形对乘员的直接伤害或增加在发生事故后乘员逃脱的可能性，所以车身的车室区域要坚固可靠，结构要设计的“硬”一些。
总而言之，车身的总体设计原则为：中间“硬”，两头“软”，并具有良好的能量传递环境，碰撞能量要尽可能少的作用在乘坐区域。
当发生侧面碰撞时，车身的变形量较小，对乘员造成的危害较大，所以车门、立柱和门槛的设计要为刚性结构，提高车室的刚度要求，增加乘员的有效生存空间。
同时增设防侧碰安全气囊，降低二次碰撞对乘员的伤害。
车身侧面碰撞防护设计的基本思路为：车身的梁、地板和其它部件，要尽可能的吸收、分散由于侧碰力所产生的撞击能量，以此最大限度将损害程度降至最低。
通常在车身设计时，多采用增加门槛梁的强度、侧围构件的强度等方法来增加承受侧碰撞的能力。
2、车身总体碰撞参数设计的控制车身在正面碰撞时，准确判断构成各种动力学模式的物理量如速度、载荷和位移等，以便在模拟碰撞时确保力的传递途径和方向的精确性，再分析出碰撞的时间、变形量和溃缩长度等参数，进而对零件的强度和结构的合理性进行判断。
基于CAE技术的汽车转向器柱碰撞分析
皇甫世 汇
（ 武汉 理工 大学 机 电工 程 学 院 ， 汉 ４ ０７ ） 武 ３０ ０
摘
要 ： 用计 算机辅 助 工程技 术 ， 电动 转 向器柱 能量吸 收 结构进行 了数 学建模 。在 此模 型上进 应 对
行 了计算机碰 撞 分析 ， 比较 了转 向 器柱 的 Ｃ Ｅ碰 撞 分析 的结果和 试验 结果 。分析 模 型 的结果 与 实 Ａ
１ 转 向器柱的碰撞试验
转 向器柱 的 碰撞 试 验 可分 成 两 类 ： 一种 是 不 完
全 碰撞试 验 ， 向盘 与转 向器柱 相连 ， 方 然后 物体撞 向 转 向器 ； 另一 种是 下落 冲击试 验 ， 重物 下落 到转 向器 装 置 上 。转 向器 柱 的下 落 冲击 试 验 的装 置 ， 图 １ 如 所示 。下落 碰撞 试验 不需要 方 向盘 。本研 究采 用下
ｓ ｎａａｙｉ ｐ ｌ ｎ ｆ ｏ ｐ ｔｒ ｉ ｄｅｇ ｅｒ ｇ Ｃ ）ｔｃｎ ｌ ｙｂｓｄｏ ｈ ｏ ｅ ｗ ｒ ｉｔ ｄ ｃｄ ｈ ｎ ｌ ｉ ｎｌ ｎ ａ ｐ ｉｇｏ ｃｍ ｕｅ ａｄ ｎｉ ｅｉ （ ＡＥ ｅｈ ｏ ｇ ａｅ ｎｔｅｍ ｄ ｌ ｅｅ ｎｒ ｕｅ ．Ｔ ｅ ａ ・ ｏ ｚｇ ｙ ｅ ｎ ｎ ｏ ｏ ａ ｙ
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作者：郑宇王迪来源：《科学导报·学术》2020年第40期摘;要：转向管柱作为汽车转向系统的重要部分，其独特的性能与设计对整车的操纵性造成了很大的影响，在整个控制过程中发挥了巨大作用。
在汽车碰撞的测试之后，转向管柱出现了性能不足等问题，其运动速度以及相关的性能，需要在实际操作中进行进一步的分析与优化，以提升转向管柱的利用性，发挥其在整车操纵中的作用。
关键词：转向管柱;整车碰撞;转向系统;设计优化汽车底盘的系统构成有多个要素，其中最重要的便是转向系统，转向系统对车辆转向以及整车的实际操作都具有重要影响。
在整车操纵的过程中，良好的转向系统能够发挥其自身的性能优越性，保证汽车行驶的安全，同时系统的灵活性以及特有的转向管柱，也能够在汽车整车碰撞过程中起到一定的安全防护作用。
一、转向管柱在汽车碰撞中的作用1.1转向管柱的工作原理转向系统是汽车系统的重要组成部分，也是汽车的重要工作系统，转向系统的良好运行能够让汽车的优越性得到充分的发挥，让汽车的速度以及方向转变都更加灵活，也更加符合人员需求。
在具体的转向系统构成中，转向管柱是非常重要的，在转向行驶的关键环节中，便是转向管柱在发挥作用。
这一构成要素，对汽车的操纵性以及稳定性都会造成重要的影响这一构成要素，对汽车的操纵性以及稳定性都会造成重要的影响，也是影响转向轮之间的协调关系，进行人车互动的关键。
转向管柱的工作原理便是将方向盘和转向器之间进行有效的连接，发挥各个系统之间的转向作用，同时将这些作用传递到驾驶员手中，是人车之间能够进行有效的配合，将方向盘的输入转矩，也在转向系统中进行合理的优化，从而促使齿轮的移动，进而对整车的运动进行良好的控制，进行方向和速度上的把握。
1.2转向管柱在汽车碰撞中的性能发挥1.2.1控制整车方向，实现及时转向对于有可能发生的整车碰撞现象，转向管柱能够让驾驶员对车辆方向和车辆速度进行及时的控制。
转向管柱压溃力设计要点（汽车设计技术）
转向管柱压溃⼒设计要点（汽车设计技术）转向管柱压溃⼒设计要点：法规要求GB 11557—1998《防⽌汽车转向机构对驾驶员伤害的规定》中，要求当汽车以48.3 ～ 53.1km/h 的速度撞击固定壁障时，⽅向盘的⽔平后移量≤ 127 mm；美国FMVSS 208 法规中规定，转向系统的最⼩临界压缩⼒不超过11.11 kN，⼀般最⼩临界压缩⼒在1.1 ～ 2.5 kNGB11557;GB11551;FMVSS208，CNAP⼀.⽓体发⽣器反作⽤⼒吸能转向柱临界压缩⼒必须⼤于⽓体发⽣器反作⽤⼒临界值（最⼤⼒），以⽀撑⽓囊起作⽤ ⼆.驾驶员头部对转向柱的冲击⼒（⽆安全⽓囊，普通安全带）F外x=4.54*a头x—F颈xF外z=4.54*a头z—F颈zF外=F外x+F外z（⽮量）试车试验后，HIC36需要满⾜法规，若要优化压溃⼒，则管柱压溃⼒设置成≤F外，⼀般≤3.5KNF外x，F外z假⼈头部x向和z向受到的外⼒，⽅向盘撞击⼒，kN4.54——HYBRIDⅢ型50th假⼈头部质量，kg；a头x，a头z——假⼈头部x 向和z向产⽣的加速度，m/s2；F颈x，F颈z——假⼈颈部在碰撞过程中受到的剪切⼒和张⼒，kN。
a头x，a头z，F颈x，F颈z在试验过程中可采集GB11551规定：HIC36 ≤1000三.驾驶员头部对转向柱的冲击⼒（安全⽓囊）安全⽓囊的作⽤可以保证对乘员头部的保护，此时吸能转向柱临界压缩⼒在设定时可以不考虑头部的碰撞影响，仅保护乘员胸部即可四.驾驶员胸部对转向柱的冲击⼒F1= Fcosθ（作为压溃⼒设计的上限值）F2= Fsinθ假⼈胸部与⽅向盘间沿x 向（⽔平⽅向）发⽣碰撞F——假⼈胸部与⽅向盘的碰撞⼒，kN；θ——转向柱的安装⾓，（º）F1——沿转向柱轴向使转向柱压缩吸能的分⼒，kN；F2——使转向柱向上弯曲的分⼒，kN。
F胸x合=—F带+F=m胸*a胸xF=18.73*a胸x+F带F1=（18.73*a胸x+F带）cosθF2=（18.73*a胸x+F带）sinθF胸x合——产⽣x向胸部加速度的⼒，kN；a胸x——胸部x 向加速度，m/s2；m胸——⼴义的胸部质量，为HYBRID Ⅲ型50th假⼈胸部的质量17.19 kg 和颈部的质量1.54kg 之和18.73kg；F 带——测量得到的安全带肩带⼒，由于其值为正，为了确保与加速度⽅向⼀致，代⼊后取反，kN。
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发表时间：2018-09-18T09:57:55.613Z 来源：《知识-力量》1月中作者：左张兵[导读] 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。
（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。
碰撞分析实例
1 前部碰撞分析目前前部碰撞主要有两类，一种是正面刚性墙碰撞，如GB 11551、FMVSS 208；另一种是偏置可变形壁障（ODB）碰撞，如ECE 94、IIHS。
尽管这两种试验在试验设置和评价上不尽相同，但其主要目的都是为了使乘员在碰撞事故中得到保护，以及评价车辆结构性能。
车辆结构性能包括转向柱的垂直和向后移动量、燃油系统完整性、在试验过成中车门不应打开、安全带固定点强度、风挡保持力、车上的零件不应侵入乘客箱、发动机盖的后边缘不应通过风挡侵入、碰撞后至少有一个门能打开。
乘员的响应与以下条件有关：车辆的加速度、安全带约束系统、安全气囊约束系统、方向盘与转向柱、防火墙的侵入、膝垫的约束。
由此可见，每个子系统的设计都与乘员有关。
这使得问题很复杂，从设计和分析的观点看很难处理。
于是传统的问题被分成设计与分析子系统，即先保证车辆结构性能，再进行乘员仿真来模拟台车试验。
这里介绍车辆前碰结构性能分析。
通过分析，在合理的精度下，能够预测A柱与转向柱的移动量、防火墙的侵入量、车辆与气囊传感器布置点的加速度波形、能量分布、载荷的传递、特殊的变形模式等。
而燃油系统泄漏、车门的开启性无法直接模拟，只能根据变形情况做初步判断。
1.1.1 正面碰撞建模（1）模型质量匹配前碰分析中，车是运动的，因此车辆模型的质量分布、总质量、质心、轴荷分配是至关重要的，应该与实际状态一致。
但模型是简化过的，其质量要比实际车的轻，质量分布也与实车有差别，为匹配模型的质量，一般采用添加集中质量（mass单元）的方法。
质量单元要均匀分散加在车辆上刚度较大的地方。
如果模型中不包括假人，那么假人的重量也要合理匹配。
（2）定义接触在前碰过程中，车辆中不同的部件、障碍墙、假人会发生自身和相互接触。
因此，要定义接触面来表现这些相互关系。
前碰中一般要定义下列接触：1）将整个车辆定义为一个单一接触面；2）在硬的和软的材料间定义接触面，例如座垫泡沫与结构；3）要监测相互作用的部件，例如轮胎与门槛、燃油箱与周围部件；4）假人与方向盘、仪表板、座椅、安全带、气囊、内饰、结构间的接触面应分开定1义；5）气囊和结构间应定义接触面；6）局部边与边的接触。
汽车转向管柱支撑结构碰撞过程分析与改进设计
模拟汽车事故的模型
模拟结构大变形的模型 汽车碰撞中车身结构的 刚度、 强度、 变形分析 模拟人体整体动力学 响应的模型 模拟人体局部结构的 生物力学模型 汽车碰撞中人体和约 束系统的动力学分析 法规制定中人体伤害 指标的确定
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汽车碰撞的有限元分析方法特点
在汽车碰撞过程中， 碰撞动能主要通过汽车压溃
区的变形来吸收， 因此， 如何计算模拟碰撞过程中汽 车构件的变形过程， 就成为汽车碰撞过程中的关键问 题。 由于汽车碰撞过程时间极短， 而且汽车构件形状 复杂， 边界条件也很难确定， 因此使用传统的计算方 法根本无法进行。 目前， 国内外用于汽车碰撞模拟的 模型， 主要采用! 类， 见附表。 本文是用有限元方法对汽车转向管柱支撑结构 进行碰撞模拟分析的。 采用有限元方法进行模拟计算， 具 有以下特点： 采取不同的 " 可以根据不同要求， 单 元 数量 、 种类 和 精 度 ， 以 达 到所 需 要 的计算精度； 无需 # 可以完全依靠计算机工作， 手工计算； 可以迅速得到结 $ 在结构设计时， 果， 对 结 构 进行 修 正 ， 并 减 少 样车 的 试 制数量； 可以很 % 如果建立起结构数据库， 方便地进行结构设计与方案比较， 大大 提高设计工作的效率。
自从上世纪 !" 年代梅塞德斯—奔驰公司第一次 进行碰撞试验以来， 直到上世纪 #" 年代末期， 汽车对 障碍物的碰撞试验是评价车辆安全性能的唯一方法。 随着计算机技术的发展， 为了减少碰撞试验的高昂费 用， 缩短开发周期， 各大汽车厂商纷纷转向计算机模 拟碰撞计算。
模 型种类
附表
汽车碰撞的主要模型类型 主要用途 碰撞中汽车运动的分析 模 拟方法 刚体分析方法 离散参数分析方法 有限元分析方法 多刚体分析方法 有限元分析方法 有限元分析方法
微型电动汽车转向管柱支撑结构耐撞性设计
2018年（第40卷）第5期汽车工程Automotive Engineering2018(V〇1.40)N〇.5doi：10.1956^^j.chinasae.qcgc.2018.05.005微型电动汽车转向管柱支撑结构耐撞性设计+郑玉卿“2,朱西产1,董学勤3,赵汝涛\马志雄M(1.同济大学汽车学院，上海201804;2.湖州师范学院工学院，湖州313000;3.易觉汽车科技（上海）有限公司，上海201806;4.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉430070)[摘要]基于GB11557—2011的要求，为某微型电动汽车设计了一款转向管柱吸能支撑结构，它由两根中部 含V型缺口的槽型薄壁梁组合而成，其塑性变形阶段的极限强度水平可由V型缺口关键参数£和夹角0调控。
仿 真结果表明:人体模块碰撞力随C和0增大呈非线性减小。
由C= 24m m的数值仿真和碰撞试验结果对比可知:两者 塑性变形模式一致;碰撞力曲线吻合得较好;人体模块碰撞力峰值偏差仅为6. 1%。
新支撑结构的强度和碰撞吸能水平在冲击试验和驾乘过程中均符合耐撞性设计要求。
关键词：微型电动汽车;转向管柱;支撑结构;槽型薄壁梁;数值仿真;冲击试验;碰撞力Crashworthiness Design of Supporting Structure for theSteering Column of a Mini Electric VehicleZheng Yuqing1，2,Zhu Xichan1，Dong Xueqin3，Zhao Rutao1&Ma Zhixiong1，41. School of A utomotive Studies, Tongji University，Shanghai201804;2. School of Engineering，Huzhou University，Huzhou313000;3. Elec-joy Vehicle Technology(Shanghai) Co. , Ltd. , Shanghai201806;4. Hubei Province Key Laboratory of Modern Automotive Technology, Wuhan430070[Abstract]According to the requirements of GB11557—2011, an energy absorbing and supporting structure for the steering column of a mini electric vehicle is designed,which consists of two thin-walled beam channels with a central V notch，and its ultimate strength in plastic deformation phase can be controlled by V notch parameter c and intersection angle 0.The results of simulation show that the crash force of human body module reduces nonlinearly with the increase of c and0 .The comparison between numerical simulation and impact test when c= 24mm indicates that they are almost identical in plastic deformation mode and their crash force curve well agrees with each other，with a deviation of only6 %for the peak crash force of human-body module.The strength and impact energyabsorbing capacity of new supporting structure well conform to crashworthiness design requirements in both impact test and real vehicle driving.Keywords：mini electric vehicle；steering column；supporting structure；thin-walled beam channel；numerical simulation;impact test;crash force转向器组成的转向系统造成的[|]。
EPS 转向管柱总成碰撞性能分析
Vol .8No .1Mar .2011邵阳学院学报（自然科学版）Journal of Shaoyang University （Natural Science Edition ）第8卷第1期2011年3月文章编号：1672-7010（2011）01-0041-030前言汽车电动助力转向系统（Electric Power Steer,简称EPS ）是一种新型的转向系统．对EPS 转向管柱总成的碰撞安全性研究是汽车发生二次碰撞时为减少对驾驶员伤害作用而对转向管柱能量吸收性能进行的研究．本文中的EPS 的吸能机理是通过上下套管之间的相互摩擦力来吸收能量，上、下套管的过盈量不同，其吸能效果不一样[1]．在转向管柱的不完全碰撞试验中，转向管柱支撑于车身上，方向盘与转向器管柱相连，然后物体撞向转向器的轴．其碰撞力来自于驾驶员胸部的接触力．根据GB11557-1998《防止汽车转向机构驾驶员伤害的规定》，方向盘中心的位移量向后窜动量不能超过127mm ，以保证对人体伤害不至唐宁1，周廷明2，陈志刚1，李梦奇1，刘志辉1（1.邵阳学院机械与能源工程系，湖南邵阳422004；2.株洲易力达机电有限公司，湖南株洲412000）摘要：为提高电动助力转向器的转向柱的碰撞安全性能，以电动助力转向器中的上、下套管为研究对象，应用动态显式有限元方法，在A N SY S/L S-D Y N A 软件平台，对其建立模型并进行有限元分析，仿真结果表明，过盈量为0.05m m 时，转向柱的最大的Z 向位移量满足G B 11557-1998的要求．关键词：车辆工程；碰撞；转向管柱总成；有限元中图分类号：U463.99文献标识码：ACollision Analysis of Steering Column Assembly on EPSTANG Ning 1，ZHOU Ting-ming 2，CHENG Zhi-gang 1,Li M eng-qi 1,LIU Zhi-hui 1Abstract:To improve the collision safety CAE analysis of steering column on EPS,taking the upper and lower volume on EPS as the research object,this paper makes the design by the method of dynamic finite element,which is based on the ANSYS/LS-DYNA software.the model is established and then the finite element is analyzed.The results show that,when the surplus between the upper and lower volumn is 0.05mm,the maximum level of the displacement in Z direction meet the requirements of GB11557-1998．Key words:vehicle engineering;collision;steering column assembly;finite element收稿日期：2010-12-20作者简介：唐宁（1983-），男，湖南郴州人，邵阳学院机械与能源工程系助教,硕士，从事汽车碰撞及结构CAE 分析.E-mail:shijian138@ ．EPS 转向管柱总成碰撞性能分析（1.Department of Mechanical and Energy Engineering ，shaoyang University,Shaoyang ，Hunan 422004；2.Zhuzhou Elite Electro Mechanical Co.Ltd ，Zhuzhou 412000）于过大.故可以以套管轴线的位移量作为改进的依据.原EPS转向管柱总成试验后轴向位移量在180mm左右，不满足标准，本文在对原EPS的管柱总成的几何尺寸进行改进的基础上，将转向系统看成是一个省略了方向盘，由上套管，下套管过盈装配组成的完整系统．按照汽车转向柱的碰撞试验要求，利用ANSYS/LS-DYNA软件，以改进后的结构建模并按ANSYS中模型简化的要求，对转向管柱进行了简化，建立了转向管柱有限元模型并进行结构分析，计算，计算结果表明，改进后的管柱总成吸能性能符合标准，并能有效减少碰撞时转向系统对驾驶员的伤害．1转向管柱总成的结构EPS三维模型在PRO/E软件中建立，通过IGES文件导入ANSYS,经过删除不必要的零件，得到如图1所示的转向管柱总成的三维几何模型由图1可见，转向管柱总成由上，下套管过盈配合组成，转向柱通过轴承安装在套管内．2有限元模型的建立2.1下套管的建立根据转向管柱总成的吸能机理，将转向系统看成是一个省略了方向盘，由上套管，下套管过盈装配组成的完整系统．所以忽略上下传动轴，只建立上，下套管结构．由图可见，下套管结构复杂，本文通过IGS文件导入ANSYS中做相应修改后进行网格划分．下套管直径为32mm,长为130mm，材料为Q215B,抽壳后采用Hughes-liu壳单元划分，材料模型为双线性等向强化弹塑性（BIOS）,材料参数如表1：下套管上共有12块加强筋，其中纵向为3块，周向布置4块，这是转向管柱构成过盈配合进行碰撞吸能的主要部件，加强筋的厚度不同，布置方式不同，过盈量就不同，吸收能量的大小也不同，改进后厚度都定为2mm，过盈量为0.05mm．改进后的尺寸如图2（a）(b)(c) (a)11mm×3mm;(b)19mm×3mm;(c)37mm×3mm下套管的有限元模型如图32.2上套管的建立由图1知，上套管结构分为上下两端直径不同的套管，且有很多细节结构，比如小孔，导圆，凸台等，按照ANSYS模型简化的原则，将上套管简化为直径不变的套管，通过扫略的方式直接在ANSYS中建立一个圆柱面．如图4，上套管直径为34mm,长为215mm，材料为Q215B,抽壳后采用Hughes-liu壳单元划分，材料图4上套管有限元模型Fig.4the FEM model of the upper volume邵阳学院学报（自然科学版）第8卷42表1材料参数Table1material parameters图2加强筋的尺寸Fig.2dimension of different ribs图3下套管有限元模型Fig.3the FEM model of the lower volume 图1转向管柱总成的结构Fig.1The structure of the steering column assembly唐宁1，周廷明2，陈志刚1，李梦奇1，刘志辉1：EPS转向管柱总成碰撞性能分析第1期43模型为双线性等向强化弹塑性（BIOS）,材料参数同下套管．2.3仿真模型的建立利用相对运动的观念建立仿真模型，仿真模型如图5，假设下套管冲击上套管，重物通过在下套管端部加载质量单元mass21代替，质量为45Kg．下套管的初始速度取为4420mm/s上，下套管之间采用STS接触类型，接触参数为：静摩擦系数为0.15,动摩擦系数为0.1,接触刚度罚因子0.1．计算时间设为0.04s,上套管端部固定，下套管只有Z向自由度．有限元模型如图3计算结果模型在t=0.03s时下套管完全穿过上套管，完成整个计算．y方向位移计算结果如图6第一个加强筋与上套管相作用时直径方向（Y向）的变形量如图7上，下套管轴线（Z向）的位移量如图8由图8可见，在t=0.03s时，下套管最大的位移量为125mm,即改进总成尺寸参数后套管轴向位移量降至125mm,这一结果在随后的实车碰撞试验中得到验证，证明转向管柱总成结构参数是满足设计要求的．4结论通过对EPS转向管柱总成的碰撞性能的仿真分析，尤其是通过反复试验对加强筋不同尺寸的仿真计算，得出结论如下：(1)通过改变和控制加强筋厚度可以改变上、下套管之间的过盈量，来达到提高转向管柱的吸能性能的目的．经过反复试验，最终把厚度设为2mm,此时过盈量为0.05mm,经过试验，套管轴向位移为125mm,满足标准的要求．(2)通过改变加强筋的尺寸和布置方式，可以实现转向管柱的轻量化，节省材料，降低成本．参考文献：[1]甘纯刚.C型电动转向器转向柱碰撞机理研究[D].武汉：武汉理工大学，2008.[2]白金泽.LS-DYNA3D理论基础与实例分析[M].北京:科学出版社，2004.[3]何涛，杨竞，金鑫，等.ANSYS10.0/LS-DYNA非线性有限元分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2007.[4]尚晓江，苏建宇.LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社，2006.图8z方向位移云谱图Fig.8The displacement in zdirection图5有限元模型Fig.5the FEMmodel图6y方向位移云谱图Fig.6The displacement in ydirection图7第一个加强筋y方向位移云谱图Fig.7The displacement in y direction of the first ribs。
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转向管柱的碰撞安全设计
背景简介
转向管柱（steering column）是汽车驾驶员与车轮之间的一根装置，它是汽车转向的媒介。
转向管柱的质量和安全设计，对汽车驾驶员的
行车安全有着至关重要的作用。
在汽车行驶过程中，一个较高速度的
碰撞，往往会引起转向管柱断裂，给驾驶员造成严重的伤害甚至致命。
因此，安全可靠的转向管柱设计变得格外重要。
碰撞安全设计的要素
转向管柱材料的选择
转向管柱通常使用钢材或铝材制作，其中钢材转向管柱具有更高的
强度和耐腐蚀性，因此在大多数情况下，钢材转向管柱被视为更好的
选择。
在材料选择时，还要考虑如何减轻转向管柱的重量，以便减少
驾驶员在碰撞中的伤害，同时增加汽车的燃油效率。
转向管柱吸能设备的使用
在汽车碰撞时，转向管柱承受的力量相当大，需要通过吸能装置来
消耗碰撞能量，并将驾驶员的撞击力减少到最低水平。
吸能设备通常
使用可压缩的材料，如泡沫碎片和聚乙烯塑料来实现吸能工作。
在设
计吸能装置时，需要考虑吸能装置的大小和形状，以及吸能装置与转
向管柱的连接方式。
转向管柱的强度和刚度
转向管柱的强度和刚度对汽车驾驶员的安全至关重要。
强度是指转向管柱抵抗断裂的能力，刚度是指转向管柱抵抗弯曲和扭曲的能力。
在设计转向管柱时，需要考虑转向管柱的跨度、壁厚和直径，以确保其具有足够的强度和刚度。
转向管柱的位置和安装
在汽车设计中，转向管柱的位置和安装必须考虑到驾驶员的人体工程学因素和空间因素。
为了最大限度保护驾驶员的安全，需要将转向管柱放置在驾驶员身体的中心线上，并确保转向管柱不会造成额外的伤害。
在安装转向管柱时，还需要确保其正确的固定和调整。
碰撞测试的模拟与验证
在设计和制造新的转向管柱时，必须对其进行碰撞测试，以模拟不同碰撞情况下的驾驶员安全性能。
这些测试可以帮助设计人员优化转向管柱的材料、结构和安装，以确保其满足国家和行业标准的要求，并减少驾驶员受伤的风险。
结论
转向管柱的碰撞安全设计是汽车行业中的一个重要领域，也是一项具有挑战性的设计任务。
在设计转向管柱时，设计人员需要考虑到材料、吸能设备、强度和刚度、位置和安装等多个因素，并对转向管柱进行碰撞测试和验证，以确保其安全可靠。
在未来，随着汽车技术的
不断发展和人们对行车安全性能的要求不断提高，碰撞安全设计方面的研究和创新将变得更加重要和紧迫。