方向盘结构设计及全套CAE分析

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汽车方向盘又叫转向盘，由轮毂、转向盘骨架、喇叭按响机构、发泡本体、饰盖、多功能开关、底罩等组成。此外，根据不同的市场需求和产品定位，方向盘上还配有不同种类的发泡包覆物、安全气囊、多功能开关、各种饰件等。方向盘主要功能：一是作为实现汽车转向的操作机构；二是与气囊、转向管柱结合起来，构成约束系统的一部分，在碰撞中实现对驾驶员的保护；三是成为多功能开关的载体，实现信息传输、娱乐、巡航等功能。方向盘的主要构成如图1所示，本体总成中的骨架材料一般为镁铝合金，是方向盘的主要承重构件。

方向盘设计要求

▪方向盘与转向管柱的匹配

方向盘与转向管柱的紧固方式有两种：一种是采用螺栓紧固，另一种是采用六角螺母紧固，转向管柱凸出安装螺母至少三个牙，即4mm以上，如图2、图3 所示。方向盘与转向管柱护罩的间隙一般定义为4 mm±1mm，如图4所示。方向盘的外径应适当，偏小会影响驾驶员看仪表的视野，太大又会影响驾驶员的腿部空间，一般方向盘的外径为370mm~400mm，方向盘与气囊盖圆角空隙为2.5mm，满足内部凸出物的要求。一般方向盘的安装角度（即转向管柱的轴线与水平面的夹角）在25°±2°。方向盘总成中心线和转向管柱中心线之间的距离在6mm以内，如图5所示。

▪方向盘与DAB的匹配

DAB安装在方向盘上，其与方向盘的紧固方式有两种，一种是通过螺栓固定，如图6所示。另一种是通过卡子固定在方向盘的骨架上，如图7所示。为保证有足够的空间布置DAB，方向盘在Z向的尺寸不小于100 mm，如图8 所示。方向盘应低于DAB不大于10mm，与DAB的间隙一般为2mm~3mm，且为防止割手，方向盘与气囊盖圆角空隙不小于2.5mm，如图9所示。

▪方向盘性能测试实验要求

方向盘在量产之前还需要通过各种实验来验证其性能和可靠性。一般其需满足以下实验要求。

1）方向盘环境尺寸的稳定性：将方向盘裸置在温度为-40 ℃~107℃、相对湿度98%~100%的环境里，其尺寸相差不大于1mm。

2）气味性能试验：将表皮和发泡层置于80℃环境下4h，试验后气味评分等级≤3.0级。

3）燃烧特性试验：燃烧速度不大于100mm/min。

4）方向盘嵌入物旋转试验：方向盘在310N 载荷下旋转15000次，无可见破损或其他反映无法满足要求的失效发生。

5）方向盘维修拆装：方向盘按规定扭矩与管柱装拆10 次，无破损变形。

6）耐低温冲击性能：试验后每一个试样都不允许产生裂纹或破裂现象。

7）方向盘喇叭力：在-15°C~80°C时，方向盘喇叭操作力为10N~40N；在-30°C~-15°C时，方向盘喇叭操作力不超过55N。

方向盘骨架有限元分析

▪模态分析理论

模态是结构动态特性分析的基础，包括固有频率和振型，是振动系统的固有特性；对结构的动态响应、动载荷的产生和传播以及结构振动的形式等具有重要影响。作为具有有限个自由度的弹性系统，振动微分方程为：

在无阻尼自由振动情况下，进行傅氏变换可得：

变换为特征方程：

式中，ω为系统固有频率；φ为系统振型。方向盘常见的失效模式有怠速抖动，有必要对其进行模态分析。由于方向盘主要由骨架、发泡层及表皮等组成，骨架起承载作用，其决定方向盘的机械性能，因此对方向盘的模态进行分析时，可只对骨架进行分析。

▪有限元模型及分析

首先将CATIA建立的方向盘骨架三维模型导入HyperMesh有限元分析软件中，进行3D网格划分。本次模型单元划分采用精度更高的六面体单元，其基本尺寸为2mm，单元总数为85448个，节点数为89089 个。骨架采用AM50A，其材料属性如表1所示。约束此方向盘与转向管柱连接点（轴心处）的6个自由度，通过ABAQUS有限元分析软件进行求解，分别计算方向盘骨架的模态是否符合设计标准的要求，其合格判断标准如表2所示。

从图10、图11可知，此方向盘的一阶、二阶模态分别为83.5Hz、110.4Hz。根据表2的模态合格判断依据可知，此方向盘的模态满足要求，方向盘的设计合理。

结语

本文介绍了方向盘的结构设计要点，如方向盘与转向管柱、DAB的匹配，同时为验证设计的可靠性，方向盘需满足相应的性能实验。针对方向盘怠速抖动问题，利用有限元分析软件HyperMesh和ABAQUS对方向盘进行模态分析，通过将分析结果与相关规范要求对比，发现模型的一阶、二阶频率均满足相关规范要求，表明此方向盘的设计符合设计要求。