汽车四向调节转向管柱系统的分析与研究

马卫锋，王明娣

(苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215021)

0 引言

汽车转向系统[1]是底盘系统的重要系统之一。随着人们对汽车驾驶的安全性和舒适性要求的不断提高，驾驶者越来越关注人机工程，而转向管柱[2]是转向系统的重要部件之一。目前转向管柱逐步由传统的固定式转向管柱发展为角度可调式转向管柱，再到四向可调式[3](角度可调和伸缩调节)转向管柱，使得方向盘有更多、更合理的操作位置，设计更具人性化。

目前主流的四向调节转向管柱，主要有悬臂梁式和管套管式。悬臂梁式的上护管或者下护管通常为铝合金材料，由于装配精度要求很高，所以很多部位需要精加工，成本较高；此外，该设计的调节机构与吸能机构结构较为复杂，下护管相比普通护管体积较大，不利于转向管柱在整车中的布置。另外一种管套管式，上、下护管通过塑料衬套注塑胀紧连接，注塑压力过大，伸缩调节力过大，舒适性变差，注塑压力过小，上、下护管连接不够紧密，还会导致固有频率[4]低。固有频率低可能会引起转向系统与发动机发生共振，方向盘抖动会引发驾驶员的疲劳,并使驾驶舒适性与安全性受到影响[5]。

本文基于对某款助力转向系统(electric power steering，EPS)四向调节管柱的分析，利用TRIZ创新方法，通过建模、FEA分析等工具，设计了一种新型的四向调节转向管柱系统。本文的方法理论结合实际：有限元模态分析方法可以在设计前期进行预测、提高成功率；而试验验证又可以检验、补充和修正原始的有限元模型[6-7]。

1 四向调节转向管柱工作原理

转向柱式电动助力转向系统(column EPS，CEPS )[8]管套管式四向调节转向系统如图1所示。

1—下部安装点；2—上部安装点；3—调节支架；4—上护管；5—压缩支架；6—调节手柄；7—下护管；8—助力单元。图1 管套管式四向调节转向系统

该套管式四向调节转向系统助力单元置于转向管柱上。转向管柱有上、下部安装点并与整车支架安装在一起。下部安装点(即下部安装吊耳)通过2个螺栓与车辆前部支架固定，转向管柱与固定螺栓之间有旋转的自由度；上部安装点(即上部安装支撑)通过螺栓与车辆支架固定，该安装点处于完全固定状态，无自由度。

调节手柄锁止时，通过增力机构挤压调节支架变形，使得调节支架与压缩支架夹紧抱死(其中调节支架安装在上部安装支撑上，压缩支架焊接在上护管上)，此时为正常锁止状态。当调节手柄松开时，调节支架与压缩支架由夹紧状态释放出间隙。因为上、下护管之间、转向轴与上助力轴之间有足够的重叠区域和导向长度，此时可前后调节方向盘，即伸缩调节； 由于只有上部安装支撑通过螺栓固定在整车支架上，转向护管以及安装在其上的部件可绕着下部安装吊耳、沿着调节支架的滑槽旋转，即方向盘的角度调节，以上即为转向管柱四向调节。待调节完毕，锁止调节手柄即可。

2 基于TRIZ 技术矛盾与冲突分析

2.1 TRIZ理论[9]分析

TRIZ理论是阿奇舒勒在1946年创立的，其意义为发明问题的解决理论。在TRIZ理论中通过工程经验总结出48个工程参数和40条发明原理,见表1。TRIZ理论将矛盾分为两类：技术矛盾是技术系统中两个参数之间的矛盾；物理矛盾是技术系统中针对一个参数的矛盾。

表1 TRIZ理论40个发明原理

TRIZ理论解决问题的流程如图2所示。

图2 TRIZ理论解决问题的流程图[10]

将TRIZ理论应用于结构创新设计：待解决的问题如管柱同时具有高固有频率和低滑动力，而管柱固有频率的高低与伸缩调节力的大小都是通过注塑压力这一个参数体现的。运用TRIZ理论，将其定义为物理矛盾。滑动力小的要求只发生在调节过程中，而固有频率高的要求恰好相反，只在手柄锁死的工作状态。两者时间上无交叉，因此可以使用TRIZ 理论的时间分离原理。

根据文献[11]中描述的分离原理与发明原理的对应关系表查得，表1中原理15动态特性原理可用于该矛盾分析：使物体自动调节，以便在每个阶段的性能达到最佳状态；或使不动的物体设计为可动，或使其有柔性。

详细分析如下：让上、下护管常态处于“抱紧”状态，紧密接触以增大护管刚度，提高固有频率；同时在上、下护管需要调节时，两者接触“松开”，以减小滑动力。

综上，利用TRIZ理论将注塑压力这单一参数抽象化为物理矛盾，并且在时间分离原理和发明原理中的动态特性原理指导下得到一般解: 固有频率和滑动力的要求进行时间上的分离，具体解决方案在2.2节中详细介绍。

2.2 问题的解决方案

新型管柱三维建模如图3所示。该设计在管套、管式、管柱的基础上增加了一些新颖的设计：上护管套入下护管。为了降低上护管外径和下护管内径的加工难度，在上、下护管之间设计有一个塑料衬套，该衬套固定在下护管内侧。压缩支架分为两半，分别焊接在下护管上。在下护管上留有开口槽，槽口端部开口收窄，以控制变形量。

1—下护管；2—下护管开口槽放大图；3—安装支架；4—上护管；5—压缩支架；6—塑料衬套。图3 新型四向调节转向管柱爆炸图

1)当手柄锁死时(工作常态)，通过2个凸轮压紧安装支架，安装支架为U型开口，安装支架变形夹紧压缩支架，导致焊接在压缩支架上的下护管开口槽变形夹紧塑料衬套以及上护管，这样上、下护管处于“抱死”状态，紧密接触增大护管刚度，以得到较高的固有频率；同时在塑料衬套的内侧，设计有若干个有一定宽度的加强筋，在护管溃缩时，增加摩擦力，同时在下护管上槽口有控制变形量的设计，这样就可以保证有较为稳定的摩擦力。 因此可以取消原设计的相关吸能机构的零部件，如吸能钢带、保持架、拉脱块等，这将会大大减少成本。

2)当手柄松开时(调节状态)，调节凸轮释放间隙，上、下护管以及衬套处于自由状态护管与衬套的正压力大大降低，摩擦力非常小，此时进行方向盘伸缩调节就比较轻便。调节完毕，锁上手柄，又回到工作状态。

综上，新设计取消注塑压力控制固有频率和滑动力的单一参数。基于TRIZ理论动态特性，将原本固定不动的压缩支架，重新设计并留有开口。在工作常态时，压缩支架受挤压变形与护管"抱死"，因而获取较高固有频率；在调节状态，释放与护管的间隙以获取较小的滑动力。管柱夹紧和释放的受力示意图见图4。

图4 新型管柱的夹紧与释放的受力示意图

3 FEA模态分析和试验验证

3.1 FEA模态分析

根据上述建模，对同等坐标下、同等安装点、同等方向盘的工况下，进行分析如下：1)网格划分，采取参数化网格划分，每个网格大小约2～3 mm。2)零件简化，将方向盘总成与助力单元按质心和质量进行简化；将轴系简化为Beam单元并设置对应的内、外径；将轴承简化为刚性体，在与之接触的护管设置bushing单元，模拟对应的接触刚度；焊点简化为刚性单元。3)约束，对调节手柄处的长螺栓加载对应的预紧力，模拟拧紧状态下护管收缩夹紧；对安装点按螺栓拧紧的刚性连接状态。4)材料设置，护管和支架等钢材取弹性模量203 GPa、泊松比0.3，壳体等铝材取弹性模量71 GPa、泊松比0.33。FEA模型如图5所示。

图5 FEA模态分析简化模型

新设计转向系统模态分析(固有频率)结果如下：

垂向55 Hz(Min)；横向52.5 Hz(Min)。

现有量产的该种转向系统实测数据：垂向约42 Hz(Min)；横向约43 Hz(Min)。

3.2 试验验证

1) 模态测试

将转向管柱原型样件固定到试验台架上，采用锤击法对4个样件的多个调节极限位置和垂向、横向分别测试，测试设备及安装如图6所示。其中一组模态测试曲线，如图7所示。

图6 模态试验示例

图7 模态试验曲线

模态测试结果：垂向57.25 Hz(Min)；横向53.25 Hz(Min)，与FEA结果非常接近，对比原量产转向管柱有10 Hz左右的提升。详细模态测试结果如表2所示。

表2 模态测试结果 单位：Hz

2) 伸缩调节力测试

将样件固定到试验台架上，并且将调节手柄松开， 分别测试拉伸和压缩工况下的调节力大小，其中一组伸缩力曲线如图8所示。

图8 伸缩调节力曲线

原设计伸缩调节力为80N(Max)，新设计测试结果不超过70N，调节力降低约10N，详细调节力测试结果如表3。

表3 伸缩调节力测试结果 单位：N

由上述数据可以看出，新设计的四向调节转向系统在固有频率上有大幅度提升；而且伸缩调节力也有明显降低。

4 结语

本文基于某款主流四向调节转向系统的分析，运用TRIZ理论设计新型的四向调节转向管柱，通过FEA仿真分析以及试验验证表明：该设计可以获得较高固有频率、较小的伸缩调节力，有效地提升了转向管柱的性能；同时由于简化了吸能机构，可获得较低的成本，为类似转向管柱的性能提升和成本优化提供技术参考和数据支持。