汽车方向盘骨架结构参数对性能的影响研究

郭楹辉 白仲力 王金炯 陈 晓 董春旺

(1.台州科技职业学院 机电与模具工程学院，浙江 台州318020；2.中国农业科学院 茶叶研究所，浙江 杭州310008)

0 前言

汽车方向盘的设计好坏对整车驾驶安全性起到重要的作用，骨架作为方向盘的核心部件，良好的产品结构设计是性能的先行条件。通过对骨架进行CAE数值模拟分析，可缩短整个研发周期和费用，提高其综合性能，本文采用多指标试验与数值模拟相结合，对骨架的力学性能进行分析，结合典型相关分析方法，明确骨架结构参数与其性能之间的相关关系，为方向盘骨架结构设计提供有效设计方法和理论依据。

1 数值模拟试验分析

1.1 骨架模型建立

圆盘方向盘骨架可分为单辐、双辐、三辐和四辐型，其主要由轮圈、轮辐、轮毂和花键套等部分组成。在UG三维软件中建立骨架三维实体模型（如图1）。

图1 方向盘骨架结构

1.2 试验设计分析

由骨架结构组成可知，结构参数与性能间的关系是一个多因素多指标的优化设计问题，为此采用有限元数值模拟正交试验的方法对其进行分析研究[1-3]。对骨架性能主要影响因素有：轮辐宽L、轮辐高H、轮圈壁厚B1、轮辐壁厚B2、连接圆角R1、连接圆角R2和过渡圆角R3。分别建立不同因素水平组合的骨架三维有限元模型，在NX Nastran环境下进行800N力的静压试验和135N.m扭矩的静扭强度试验分析计算，结果如表1所示。

表1 试验方案及数值模拟结果

表2为试验仿真数据及评估结果，其中应力、位移、扭曲应力和变形的最大试验值是利用有限元仿真软件Nastran仿真得出，最后1列的综合评估得分为该行的5个无量纲值权重之和。无量纲值转换如公式为：

式中：Xi为试验值，Yi为无量纲值

因各项指标重要程度有差异，故先对每项指标的无量纲值乘以相应的加权系数得该项指标的加权评分，本试验中，位移与变形量指标作为重要质量指标，以2倍计算，即权数为2，而对应力、扭曲应力与质量等指标，仅以排队评分为依据，即权数为1，故其评分公式为：

综合评分=节点应力×1+位移×2+扭应力×1+变形×2+质量×1 （2）

如表3所示每号试验的综合评分。

2 典型相关分析

典型相关分析以每组指标作为整体考虑，寻找这一组指标的线性组合与另一组指标的线性组合,使两者之间的相关达到最大。以骨架的5个结构参数为一组变量，以骨架性能的6个指标为另一组变量，令:

式中，m1，m2，…，m13等为待定系数。使得U、V之间具有最大相关性,这个相关系数就是典型相关系数。试验数据利用统计分析软件SPSS进行处理。

2.1 骨架结构与性能间的相关分析

由表2可知,综合分均与位移、扭力、变形量间存在显著或极显著负相关。变形量与扭力间存在极显著正相关，即扭力越大变形越大。由表3可知，B1与应力间存在显著相关，H则对扭力、变形量及综合性能起决定影响，H参数设计值越大扭力和变形越小，方向盘的质量安全越有保障。

表2 骨架性能指标间的相关分析

表3 骨架结构与性能间的典型相关系数

2.2 骨架结构与性能的典型相关分析

将骨架结构参数与性能参数进行典型相关分析，共得到6组典型变量，它们的典型相关系数及显著水平见表4。由表4可以看出，前2组典型变量的典型相关系数达极显著水平，其余4组典型变量均未达显著水平。前2组典型变量基本反映了骨架结构参数与性能间的相关关系，故选择第Ⅰ、Ⅱ组典型变量进行主要分析。

表4 骨架结构与性能的典型相关分析

3 基于结构参数的综合性能预测模型

由上述分析知，通过逐步回归分析，建立基于结构参数的综合性能预测模型，对设计中多参数选择与性能摸底具有指导意义。对表2数据分析得到表5。可知，ZF综合评分=7.818H-5.125B14.561L-98.061

表5 逐步回归分析结果

4 结论

（1）由骨架结构参数与其性能的第Ⅰ、Ⅱ组典型相关分析,明确了结构参数中的H辐高对性能中的扭力和变形起决定因素。结构参数中的R2圆角对性能中的应力起决定因素。

（2）通过逐步回归分析方法，建立了基于H、B1和L的综合评分预测方程，进一步明确了结构参数与性能间存在相关关系，为方向盘骨架结构设计时提供指导方向和新的分析思路。

［1］毛萍莉，金锐，周乐，刘正.AM60镁合金方向盘骨架压铸充型过程数值模拟[J].材料与冶金学报，2010(03):420-422.

［2］胡建军，周冀衡，柴家荣，张仕华.多指标正交试验数据的优化分析及应用[J].中国烟草学报，2008(02):09-14.

［3］周小红，施汉昌，邱玉琴，刘加恩.复合式氧微电极结构参数对于性能的影响[J].清华大学学报：自然科学版，2008(06):991-994.