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隨著社會經濟和汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車變得越來越普及。汽車轉向管柱作為駕駛員操控汽車的重要部件，其安全性和可靠性顯得尤為重要。在以前的汽車轉向系統(tǒng)設計中，人們很少意識到盜竊者通過強行扭轉方向盤使得鎖止機構失效，從而使整個轉向系統(tǒng)失效，進而發(fā)生車輛盜竊的現(xiàn)象。所以轉向管柱及點火鎖的組合機構必須具有較高抵抗變形與抗扭轉的性能，才能保證在較大的外力矩下不發(fā)生破壞，且能夠確保鎖止功能的正常，減少車輛盜竊的現(xiàn)象發(fā)生。下面介紹對其進行有限元分析。
因某車型出口需要，根據(jù)法規(guī)要求，轉向管柱的鎖止機構在經歷正、反兩個方向各2500次的磨損后，應能夠承受正、反300Nm的扭矩，并且加載后轉向系統(tǒng)不出現(xiàn)影響安全的破壞。試驗方法如下：首先轉向管柱與點火鎖的組合機構安裝于轉向軸總成上，然后整體裝置固定于試驗臺上，固定點為實際與車身安裝位，即轉向管柱安裝座固定點與轉向軸套安裝板固定點，外力矩施加在轉向軸的頂端位置，即與方向盤安裝處。轉向管柱與點火鎖組合機構的功能實現(xiàn)過程如下：點火鎖通過凸臺插入轉向管柱的方槽內，由轉向管柱固定支座通過螺栓共同固定在轉向管柱上。當點火鎖上的鑰匙拔出時，鎖舌會自動彈出，并插入轉動軸相應的孔內，這時方向盤的轉動被抑制，整個機構處于鎖止狀態(tài)，從而實現(xiàn)防盜的功能。轉向管柱與點火鎖組合機構的受力過程如下：外扭矩施加在轉向軸的頂端位置，轉向軸上的扭矩通過鎖舌轉化為力，后經鎖舌傳遞至點火鎖的凸臺上，并通過凸臺傳遞至轉向管柱上，最終作用在轉向管柱安裝座上。力的傳遞過程中主要的受力部件為轉向管柱及點火鎖，所以二者應具有足夠的強度來抵抗外扭矩。為避免由于轉向管柱與點火鎖組合機構設計強度不足導致認證試驗的失敗，我們首先借用CAE的手段預測初始設計方案的可行性。
根據(jù)CAD數(shù)模，利用Abaqus/CAE建立轉向管柱與點火鎖組合機構的有限元模型，采用有限元求解器Abaqus/Standard進行強度計算。轉向管柱采用3mm四面體單元劃分，且方槽及失效部位采用細化處理，單元尺寸1mm；點火鎖采用四面體單元劃分，固定支座采用5mm殼單元劃分。點火鎖與轉向管柱之間設定CONTACT，同時在螺栓上施加BOLTLOAD使兩者建立預緊關系。轉向管柱及點火鎖組合機構單元總數(shù)1059549個，其有限元模型如圖所示。(1)載荷：通過轉向軸的扭矩將轉化為力的形式傳遞至點火鎖的鎖舌頂端側面上，后經點火鎖傳至整個機構。力F的大小可以根據(jù)以下公式確定，M為作用在轉向軸的扭矩，L為轉向軸中心線至鎖舌頂端的距離。(2)邊界條件：約束轉向管柱安裝螺栓位置的5個自由度，同時約束上端軸承位置的5個自由度并釋放沿轉向軸的轉動自由度。從轉向管柱與點火鎖的應力云圖上看，兩者的最大應力分別為1I00MPa與445MPa，此應力值大大超過了自身材料的抗拉極限。由于兩部件均為鑄鋁材料，其力學性能比鋼材的要弱，而且轉向管柱的方槽拐角處幾何特征過度加劇，易發(fā)生斷裂，點火鎖同樣存在此現(xiàn)象。
根據(jù)轉向管柱及點火鎖的分析結果，對兩部件進行結構改進。可以把方槽受到的力轉移到其他位置，即使方槽的寬度兩側各增加間隙，更改后的結構可以保證點火鎖的凸臺不與轉向管柱的方槽接觸，同時在轉向管柱的兩側增加“耳狀”結構，這樣方槽受到的力完全轉移到“耳狀”結構上，同時對點火鎖的結構進行局部加強，具體實施方案見圖。更改后的轉向管柱的最大應力并不在方槽的位置，而是轉移到“耳狀”結構的根部位置，且應力由原來的1100MPa將至174MPa，此應力低于自身材料的抗拉極限，滿足強度的要求;如圖巧所示，從更改結構后的點火鎖的應力云圖上看，應力集中的位置并沒有改變，但是最大應力由原結構的445MPa將至178MPa，同樣滿足強度的要求。把更改后的轉向管柱及點火鎖機構進行試驗驗證，試驗結果為兩者均未發(fā)生失效，驗證了方案整改的有效性，同時通過了認證試驗。
1、利用CAE仿真分析工具可以很方便的對部件之間的接觸問題及螺栓預緊力進行模擬，使仿真分析更加貼合實際狀況；2、利用CAE技術對于解決結構的設計風險是有效的，它不僅縮短了整改周期，降低巨額的設計變更費用，同時可以節(jié)省大量的試驗成本及時間，提高工作效率。
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