于富冬，张晔

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009)

基于ABAQUS的汽车转向管柱上段总成的分析与研究

于富冬，张晔

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009)

转向管柱上段总成是汽车转向系统的重要组成部分，转向性能的好坏直接影响汽车行驶的安全和操纵性。采用ABAQUS分析软件，对汽车转向管柱上段及转向管柱上段总成进行了模态分析，根据行业标准TS16949体系对转向管柱上段总成轴向位移进行标准分析、对方向锁进行锁止强度试验、对转向柱管进行了温度试验，验证了其结构设计的合理性。

转向管柱上段总成；ABAQUS；TS16949体系

0 引言

近年来，我国汽车行业发展迅速，各种各样的汽车已经渐渐进入人们的日常生活中，而汽车的安全性能问题也在不断受到消费者们的关注。转向系统作为汽车的重要组成部分，在汽车结构功能方面发挥着巨大作用。转向系统是指由驾驶人员操纵、能实现转向轮偏转和回位的一套机构。而转向管柱上段总成作为汽车转向系统的重要组成部分，对于汽车转向性能好坏有着重要影响，直接影响着汽车行驶的安全性和操纵性。

转向管柱上段总成主要由转向上下轴分总成、转向管柱三角支架、支架座、转向管柱支架、悬架、左右支架、万向节叉等部件构成(见图1—2)。

转向上下轴分总成上端有连接花键，用来安装方向盘；下端是焊接的万向节叉，连结到转向器后，这样就可以达到传递扭矩的效果。上、下柱管配合在一起，通过转向管柱支架安装在车架上。

1 行业标准TS16949体系

ISO/TS16949是国际汽车行业的技术规范，是在ISO9001的基础上加进了汽车行业的技术规范。其针对性和使用性非常明确：此规范只适用于汽车整车厂和其直接的零备件制造商。TS16949特别注重厂家的完成品及实现这个完成品的质量系统能力。它认为这是整个制造过程活动的基础。此外，它还特别注重一个机构的质量管理系统的有效性。

文中的转向管柱上段总成质量已达到ISO/TS16949质量管理体系认证，通过有限元软件ABAQUS对其进行相关分析，证明其满足质量要求。

2 结构模态分析

作为动力学分析的基础内容——模态分析在进行其他动力学分析之前有着重要意义。通过对物体进行模态分析：(1)可以使结构设计避免共振或按照特定的频率进行振动；(2)可以使工程师认识到不同类型的动力载荷结构是如何响应的；(3)有助于在其他动力学分析中估算求解控制参数。

模态分析中的主要4个步骤是：(1)建模。定义材料密度，忽略非线性性质，只能使用线性单元和线性材料；(2)选择分析步类型并设置模态提取选项；须定义一个线性摄动分析步的频率提取分析步；(3)施加边界条件、载荷并求解；(4)结果处理。

为了保证模态分析结果的准确性，对模型进行了部分简化：

(1)上下支撑轴承部分。转向管柱上段总成上轴安装深沟球轴承，下轴采用弹性材料的滚针轴承。由于轴承内部有许多复杂实体，存在复杂的接触问题，因此，将其简化为具有该弹性模量的匀质实体，这样会减少建模和分析工作量，提高了分析结果的准确性。

(2)利用ABAQUS软件中的绑定约束简化支架与管柱体焊接、管柱三角支架与管柱体焊接、悬架与管柱体焊接。

部分零件材料性能参数见表1。

表1 材料性能参数

图3是转向管柱的模态图，图4是转向管柱上段总成的二阶模态图。

对转向管柱上段总成进行了模态分析后，企业设计人员在设计转向管柱时可以主动避开这些频率，这样可以尽可能地减小这些频率上的激励，进而消除过度噪声和振动，对后面的共振频率、噪声试验等有着重要意义。

3 转向管柱上段总成标准分析

在汽车装配中，转向上轴与汽车方向盘相连接。汽车在运动过程中，转向上轴经常会受到来自轴向的力。因此对转向管柱上段总成在轴向施加载荷，对其进行轴向位移分析，观察其轴向位移量如图6所示，在其允许范围之内，满足性能要求。

4 方向锁锁止强度试验

在汽车转向管柱上段总成中，方向锁已经成为一个标准配置，其强度测试试验方法一般为：按实车位置安装方向锁，在轴向锁套上施加扭矩，锁套与管柱配合区域应无损伤。在ABAQUS软件中，在锁套与轴之间采用绑定约束，接着在锁套的键槽处施加扭矩，然后进行结果后处理，观察锁套在配合区域的受力情况。应力图和位移图分别如图7—8所示。

可以看出：锁套在承受扭矩处所受到的最大应力和位移均在允许范围内，符合质量性能要求。

5 温度试验

由于我国地域辽阔，纬度跨越比较大，南北方温差较大，因此，在对汽车转向管柱进行测试时必须对转向柱管进行温度试验，要求转向管柱必须满足下面的基本性能：

(1)低温环境测试。在低温环境中(-40 ℃)放置一段时间(70 h)，然后转移到常温环境下(20 ℃)放置2 h。

(2)高温环境测试。在高温环境中(85 ℃)放置一段时间(96 h)，然后转移到常温环境下(20 ℃)放置2 h。

(3)常温试验。将转向管柱上段总成在20 ℃的环境下放置72 h，作为对比试验。

文中取转向柱管进行分析，利用ABAQUS的温度场对其进行分析。转向柱管的弹性模量210 000 MPa，泊松比0.3，线膨胀系数1.38×10-5/℃。下面是在低温、高温环境下选取一点绘制的时间-应力图。

由图10可以看出：在-40 ℃的环境下，随着压力的不断增加，选取节点上应力不断增大，当到70 h后，应力达到最大，此后受力不再变化，但是温度回到20 ℃，这时节点上的应力会不断变小，当一段时间后应力又会变大，最后达到稳定状态。

图11是同一节点在20 ℃下90 h的时间-应力图，可以看出:在常温下受到压力时转向管柱的应力是稳定变化的。

由图10—12可以看出高低温对转向管柱的影响，因此在设计转向管柱时应充分考虑温度变化对它的影响。

6 结束语

借助有限元分析软件ABAQUS分别对转向管柱上段总成进行了模态分析、对转向上轴进行了轴向位移分析、对方向锁进行了锁止强度分析，最后利用ABAQUS的热分析模块对转向管柱进行了温度场分析。利用有限元分析软件，在产品投入使用前分析其结构设计的合理性，可确保设计安全可靠，减少设计成本。汽车转向管柱上段总成作为汽车转向系统的一个重要组成部分，在使用前对其进行虚拟分析发现存在的潜在问题，可以减少现实中出现安全隐患的概率，对汽车行业有着重要意义。

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AnalysisandResearchforCarSteeringColumnAssemblyBasedonABAQUS

YU Fudong， ZHANG Ye

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China)

Automotive steering column assembly is an important part of vehicle steering system. The steering performance will directly affect safety and handling of a car. Using ABAQUS software, modal analyses for the car steering column and steering column assembly were done. According to industry standard TS16949 system, axial displacement standard analysis was made for the steering column assembly, locking strength test was made for the direction lock, temperature test was made for steering pillar tube. The results illustrate the rationality of its structure design.

Steering column assembly; ABAQUS; TS16949 system

2015-01-10

于富冬(1990—)，男，硕士研究生，主要研究方向为数字化设计及其理论。E-mail：1276720173@qq.com。