四向可调转向管柱静态与动态溃缩试验

　　摘 要：转向管柱在汽车碰撞过程中是吸能的关键部件。文章介绍了四向可调转向管柱分类及溃缩难点。在轴向静态溃缩基础上，引入装车角度因素，并建立溃缩仿真模型。通过动态溃缩试验结果与仿真模型进行验证，验证了模型的正确性。

　　关键词：转向管柱;静态溃缩;动态溃缩;装车角度;仿真

　　1 概述

　　提及被动安全，人们可能首先想到的就是安全带，安全气囊。诚然在正面碰撞过程中，安全带和安全气囊起到至关重要的作用。但是在碰撞过程中转向管柱吸能溃缩同样增加了对于驾驶员头部和胸部的保护，降低了在二次碰撞中所受到的伤害。因此转向管柱作为汽车被动安全的重要吸能部件之一越来越受到重视。

　　随着汽车工业的发展，为了满足不同身高体型驾驶员的舒适性，转向管柱由固定不可调节，发展成两向可调节。而现今主流的乘用车均采用四向调节转向管柱，即长度(前后方向)高度(上下方向)四方向均可调节。

　　2 四向可调转向管柱分类及溃缩难点

　　2.1 四向可调转向管柱分类

　　四向可调转向管柱根据调节机构不同，分为手动调节管柱及电动调节管柱。

　　手动调节管柱一般结构较简单，成本相对较低。一般具有调节手柄机构，起到开启及关闭调节功能的作用。将调节手柄打开，可以握住方向盘让转向管柱四个方向自由调节。调节到驾驶员舒适位置后，再将手柄关闭，从而关闭调节功能。

　　電动调节管柱顾名思义就是通过电机驱动来实现调节功能。取消了调节手柄，改用按键控制电机进行四向调节。结构较复杂，成本也相对较高。在某些高端车型上将电子控制单元与调节电机通讯联动，从而实现转向管柱调节位置记忆及复位等功能。

　　2.2 四向可调转向管柱溃缩难点

　　四向可调转向管柱比无调节或两向可调管柱在整车吸能要求要高很多。

　　一方面，调节自由度增加，导致了更多位置碰撞可能性，大大提高了对转向管柱的吸能要求。

　　另一方面，在正面碰撞过程中冲击主要来自水平方向，但管柱在整车上安装会有一定倾斜角度即装车角度，导致部分冲击力转化成侧向力作用在高度方向上，可能造成被迫高度调节移动，倾斜角度再次变大(见图1)。根据经验，转向管柱在车辆上装车角度越大，就越难溃缩。一般轿车上转向管柱装车角度一般在22～28°的范围以内，也有SUV，MPV超过30°的。如加上被迫角度偏移(一般在0～2.5°内)，工况会更恶劣。

　　在四向可调管柱的产品设计中，需要考虑装车角度尽量小，具备足够的高度调节保持力，避免或减少碰撞过程中被迫高度调节角度偏移。

　　3 四向可调转向管柱溃缩试验

　　四向可调管柱的吸能性能的试验验证，主要分为静态溃缩试验和动态溃缩试验两种方法。

　　3.1 静态溃缩

　　四向可调转向管柱根据设计要求的静态溃缩曲线一般可分为三个阶段，见图2。

　　第一阶段：转向管柱从静态保持到开始溃缩。考虑到安全气囊点爆后的反作用力，初始需要一定的轴向保持力。轴向保持力将决定初始峰值大小，然后过渡到第二阶段。

　　第二阶段：转向管柱在长度调节允许范围内溃缩至调节限位。此阶段一般溃缩力会在一定范围内波动，但相对还是比较稳定。

　　第三阶段：转向管柱溃缩至调节限位。破坏调节限位机构会造成一定峰值。破坏后力值趋于稳定，继续溃缩吸能直至溃缩总行程结束。

　　静态溃缩验证试验一般分为轴向溃缩和装车角度溃缩。

　　3.1.1 管柱轴向静态溃缩

　　将转向管柱以一定恒定速度沿着主轴轴向对管柱压溃至要求溃缩长度。轴向方向是整车中管柱溃缩吸能的主要方向，故关注度最高。本文中采用轴向静态试验速度为100mm/min，溃缩总行程60mm，对某款手动调节管柱进行溃缩试验，得到试验结果见图3。

　　从试验曲线可以看出该款转向管柱的轴向静态溃缩曲线基本符合上文中提到的溃缩三个阶段的定义，但在第二阶段有两个峰，这是由于该产品调节限位结构较难被破坏所导致。

　　3.1.2 管柱安装角度静态溃缩

　　轴向静态溃缩只考虑管柱主溃缩方向吸能，但实际整车管柱有一定的安装角度，导致侧向力产生。考虑到此类情况，可以增加装车角度静态溃缩试验。

　　装车角度溃缩试验中对试验夹具有特别要求，不但底座需要调整到试验角度即安装角度，溃缩头也需按装车角度特殊设计和制造。

　　推荐试验夹头设计如图4，转向管柱溃缩头和试验设备工装接触面之间需考虑减少面与面之间的摩擦力，本文中采用了轴承结构用以过渡。

　　对同款管柱又进行了装车角度静态溃缩，试验条件如下：试验角度(即装车角度)约24°。仍保持与轴向静态溃缩相同试验速度和溃缩距离。最后得到试验曲线与轴向静态试验曲线进行对比，见图5。两类试验曲线整体非常类似，装车角度静态溃缩力总体略高于轴向溃缩力。

　　需特别关注转向管柱在装车角度静态溃缩时试验过程中，也会造成一定侧向力。如高度保持力小于装车角度溃缩侧力，高度方向同样会滑移。此时试验角度不断在变化，直至高度调节角度限位后溃缩角度不再变化，管柱继续溃缩，这样对试验分析干扰较大。

　　为了避免这一影响，如规范允许，也可以将管柱预先调节至高度极限位置，这时高度方向无法滑移，避免了高度方向的影响。

　　3.1.3 本章小结

　　装车角度静态溃缩试验中由于侧力影响，整体溃缩力略高于轴向溃缩力，但趋势一致。

　　为避免高度方向上地滑移，可以将管柱调节到高度限位再进行试验。如试验角度过大不能正常溃缩，应结合动态溃缩进一步判断。

　　根据轴向静态溃缩及装车角度溃缩验证试验结果，建立并调整了初步的有限元仿真模型。

　　3.2 动态溃缩

　　四向可调转向管柱动态溃缩验证试验主要分为落锤试验和人体模块碰撞试验。

　　3.2.1 轴向落锤试验

　　将管柱固定在刚性基座上，高度方向调整中间位置，调整落锤冲击点与主轴同一中心。以一定质量重物以一定高度自由跌落，撞击在模拟方向盘刚度的橡胶头上，使转向管柱进行溃缩。

　　落锤试验目的是验证转向管柱动态吸能的总体性能表现，要求达到完整的溃缩行程。试验中需要调整到合适的冲击能量，能量过大会容易对传感器造成损坏;能量过低则管柱不能完全溃缩。一般情况下重量不做调整，以调节跌落高度来调整冲击能量。

　　经几次前期试验调整后，试验最终采用重物质量为50kg，高度为480mm，达到较为理想的溃缩过程。

　　对同款转向管柱进行轴向落锤试验，将仿真结果与实际试验结果进行了对比，设置及试验曲线见图6。实际动态溃缩曲线和仿真模型理论曲线在初始峰值和整段溃缩行程基本吻合，证明了仿真模型的正确性。

　　3.2.2 装车角度落锤试验

　　用同样方式将四向可调管柱固定，试验条件调整如下：

　　(1)基座旋转至试验角度24°。

　　(2)调整基座前后位置使重物中心位置能正好冲击撞击在管柱夹头端点。

　　(3)落锤试验仍采用了50kg的重物。

　　(4)根据溃缩状态进行高度调整，落锤高度经过调整后改到1.2m，使转向管柱能完全溃缩。

　　再次进行装车角度落锤试验，将实际试验结果对比仿真计算结果，设置及试验曲线见图7。

　　實际动态溃缩曲线和仿真模型理论曲线在整段溃缩行程中吻合程度较高，再一次证明了模型正确性。

　　3.2.3 人体模块碰撞试验。

　　参照国标GB 11557-2011《防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定》4.2条要求：人体模块以24.1km/h～25.3km/h的速度水平撞击转向盘时，作用在转向盘上的水平力不得大于11，123N。

　　试验设置及结果见图8，结果符合标准要求。但由于缺少安全气囊和方向盘数模，无法对人体模块碰撞进行仿真分析，仅用于参考。

　　3.2.4 本章小结

　　相对于静态溃缩，动态溃缩试验设备比较复杂，如落锤试验需要高塔跌落装置，人体模块试验需要激发，气囊点爆装置和假人等装置。试验时间一般小于0.1秒，肉眼根本无法辨识。观察实际溃缩过程需配置高速摄影机。总体试验成本要比静态试验高许多，一般只在研发阶段进行。

　　动态溃缩试验相对来说成本高，影响因素多，但更接近实际状态。如结合动态仿真一起进行，能大大减少试验数量，降低研发成本。

　　将有限元仿真溃缩模型根据动态结果进行参数微调，得到图9最终调整后的仿真模型。此模型可以运用于整车溃缩仿真。

　　4 结论

　　本文分别介绍四向可调吸能管柱的动态和静态溃缩试验，并加入了安装角的影响因素，得出以下几点结论：

　　(1)常规的静态溃缩只关注主溃缩方向(轴向)的吸能，但实际由装车角度引起的侧力会使总体的溃缩力变大，并有高度调节滑移的风险。轴向溃缩总体比较稳定，可以用于初步建立仿真模型。

　　(2)动态溃缩中的落锤试验中，通过调节重物高度调节冲击能量，轴向动态溃缩总体吸能小，装车角度动态溃缩吸能大，用于进一步验证模型可靠性。

　　(3)人体模块碰撞试验过程中安全气囊和方向盘起了相当大的影响，单独分析转向管柱溃缩性能帮助不大。

　　分析表明：在四向调节管柱的溃缩试验中如考虑整车的情况，装车角对整体溃缩力影响较大，应从设计角度尽量避免高度方向产生滑移。静态溃缩和动态溃缩由于设置和试验速度差别较大，所以溃缩曲线不尽相同，但总体趋势接近。动态冲击成本较高，准备时间较长。可以先进行成本较低的静态溃缩试验进行设计验证及调整仿真数模。验证通过后，进行动态溃缩仿真模拟。如仿真满足要求，最后再进一步实际动态溃缩。根据试验结果最后调整仿真数模。既能减少新产品开发周期又能降低研发成本，受到越来越多车企的肯定。

　　参考文献：

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　　[2]袁仲荣，王玉超，杨荣山.转向管柱角度对假人胸压量的影响[J].机电工程技术，2011，40(08)：83-85.

　　[3]江天保，沈岱武.碰撞安全与转向管柱溃缩吸能结构开发[J].时代汽车，2019(12)：21-22.[1] 2

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