碰撞安全与转向管柱溃缩吸能结构开发

江天保 沈岱武

奇瑞新能源汽车 安徽省芜湖市 241002

1 前言

随着汽车消费的普及，汽车安全事故越来越多，对汽车安全的要求也越来越高；本文主要介绍为使得在碰撞事故发生后减轻对驾驶员的伤害，从转向管柱溃缩吸能开发入手，介绍如何开发一种可溃缩的转向管柱。

当高速行驶的汽车撞击到低速或者静止的物体后，高速行驶的汽车就会有一个比较大的减速度，根据牛顿定律，驾驶员由于惯性的作用，会向前继续运动，怎么样来约束驾驶员继续向前运动并降低驾驶员受到伤害程度，是被动安全需要解决的问题，本文只介绍安全转向管柱在被动安全约束系统中起到的作用和开发过程。

2 被动安全约束系统简介

在诸多约束系统中，转向管柱对驾驶员起到比较重要的作用。对于中等尺寸的轿车，在被动约束系统中，据统计转向管柱吸收驾驶员总能量约18%左右。

图1 被动安全关联示意图

转向管柱/方向盘是汽车发生碰撞时，驾驶员的头、颈、胸与之发生二次碰撞的重点区域，对于被动安全设计要点为：

☆ 对气囊（DAB）有效支撑，并保持承压方向；

☆ 对方向盘具有一定程度的塑形变形，以吸收人体碰撞的冲击能量（GB11557/ECER12）

☆ 转向管柱具有溃缩特性，理论设计有效溃缩距离至少应≥60mm；

☆ 在转向管柱/方向盘的溃缩路径上，应确保没有相关零部件影响溃缩，考虑到如点火开关、护罩、IP等影响，实际试验中溃缩距离应不低于40mm。

3 转向管柱溃缩性能开发流程

图2 开发流程示意图

3.1 项目定义

项目启动后，根据立项输入中的整车安全等级，确认转向管柱的溃缩性能，根据需要，合理定义转向管柱溃缩性能。需要明确转向管柱初始溃缩力，管柱总成溃距离和中间轴溃缩距离。

3.2 转向管柱溃缩方案选用

转向管柱溃缩方案比较多，每种溃缩方式的控制方法和控制精度也不同。根据项目要求，选择性价比最优的方案组合，满足性能要求。

选择转向管柱溃缩方案，尽量参考公司和供应商成熟的溃缩机构，对于溃缩块、调节支架等需要开模的件，尽量在现有产品上选择，尽可能降低开发成本和验证周期。前期产品定义时，可以考虑多个方案，

根据后期系统试验后，最终确认最优的方案进行冻结。

3.3 管柱在整车上的布置

转向管柱的装配角度要与方向盘中心点，转向器输入轴的位置匹配，并考虑到中间轴的力矩波动及其布置位置和可溃缩长度。

管柱在整车中进行布置时，应给出布置范围，在满足人机工程的前提下，尽量向着有利于转向管柱溃缩的方向布置，因为布置一旦冻结，后期更改是比较麻烦的。

图3

管柱碰撞位置如图3受力分析，

根据上图，可得出如下图受力方程：

FT：沿转向管柱轴线向下的溃缩力

FH：作用在转向管柱上的水平力

FM：管柱与固定点的摩擦力

FP：管柱与固定点的正压力

α：转向管柱侧向布置角度

N：转向管柱拉脱块的拉脱力

K：管柱与固定点的摩擦系数

根据上述方程可得：

我们假定：N=4000N

FH=9000N

K=0.15

最终可求解得：α=46.0136°

由上述公式可见，在一定的摩擦系数、拉脱力、水平方向的压力下，转向管柱侧向布置角度存在一定的布置极限。超过此角度轴向溃缩的转向管柱就不可能会溃缩。

根据经验，转向管柱侧向角度一般跑车推荐约18°左右，轿车推荐约24～26°，MPV、SUV等车型的时候也有超过30°情况。正碰时驾驶员的运动方向，在不佩带安全带时是车辆的前后方向，佩带安全带时，最好是驾驶员的头部要躲过方向盘是最理想的，因此管柱侧向布置角度越小越有利，一般轿车都有自身的人机特性，都有些不同，但尽可能设定在22～28°的范围以内。

3.4 布置数据（溃缩距离）校核

转向管柱溃缩距离按照下面的顺序逐个校核，见图4。

3.5 管柱静态压溃溃缩力校核

根据结论，初步定义好转向管柱总成溃缩力，根据总成溃缩力进行分解，把每个小部件的吸能力设定好，见图5。

根据压溃力和压溃形成，初步形成溃缩力-位移曲线，力和位移的曲线，应该在定义的范围内，如图6为定义的初始曲线。把转向管柱模拟整车安装在试验台架上，进行静压溃试验测量，最后测量出实际溃缩曲线，和设定值进行比较，进行反复调试，最后得出设计曲线。

图4 周边件校核示意简图

图5

图6 溃缩吸能曲线定义示意简图

3.6 转向管柱动态压溃

转向管柱动态压溃，具体的试验指标和方法，需要进一步和碰撞试验室探讨试验方法及其接受标准。

3.7 转向管柱在被动安全系统中验证

台车试验时，把仪表横梁、仪表板、仪表、转向管柱、组合开关、组合开关护罩、点火锁、方向盘装配在台车上，安装被动安全约束系统要求，把经过静压溃试验后的转向管柱装配在台车试验台上进行验证，验证前，需要检查转向溃缩通道是否满足设计状态。最后根据台车试验的数据，确认转向管柱是否需要优化，见图7。

3.8 转向管柱在整车中碰撞验证

整车碰撞前需要做好准备工作，转向管柱主要在64Km/h的40%偏置碰和50Km/h的100%刚性壁碰撞进行验证。转向管柱装车前检测溃缩力（静压溃试验报告），装车后检查溃缩通道，试验验证。根据试验采集到的数据和转向管柱溃缩情况，讨论转向管柱的优化方案，和优化方向，见图8。

图7 被动安全台车验证示意简图

图8 整车碰撞验证示意简图

4 结论

据统计，正面碰撞时方向盘、转向管柱和转向器组成的转向系统对驾驶员造成的损伤占到驾驶员损伤的46%，造成人员伤害的部位集中在头部、胸部及腿部。所以，转向管柱的安全设计至关重要，具体体现在吸能和溃缩两个方面。从前文阐述中，历经设计输入确认、结构设计分析、各层级的实物验证，直至最终设计冻结，本文档介绍的方法，有效支撑了整车的碰撞安全性能开发。