某轻卡方向盘耐久性能仿真研究

黄毅，陈佳，钟根丁，熊德明

某轻卡方向盘耐久性能仿真研究

黄毅，陈佳，钟根丁，熊德明

（江铃汽车股份有限公司 产品开发技术中心，江西 南昌 330001）

方向盘是轻卡转向系统关键部件，对整车耐久性能和驾乘人员的安全有着重要影响，文章针对某轻卡方向盘进行了CAE疲劳耐久性能研究，结果表明，此轻卡方向盘耐久性能满足目标要求。

轻卡；方向盘；耐久性能

引言

随着国家经济蓬勃高速发展，人民的物质生活水平日益提高，轻卡销量也得迅猛攀升，与先前轻卡用户用车选择喜欢不同，当代轻卡用户在考虑轻卡承载性和价格的因素时，也重点关注整车NVH品质。

方向盘是转向系统的重要组成部件，其与驾驶员直接接触，其NVH振动特性对驾驶员的主观感受和安全行驶有着重要影响，其结构耐久性能对整车安全属性有着举足轻重的作用和影响[1-5]。故研究方向盘耐久性能能具有重要的经济和社会价值。

本文研究源于某轻卡新开发方向盘，需确保其耐久性能满足设计目标要求，基于汽车结构理论和数值分析理论，利用Nastran软件，对某轻卡方向盘进行了CAE疲劳耐久分析和模态分析，CAE分析结果表明此轻卡方向盘耐久性能满足目标。

1 轻卡方向盘CAE疲劳耐久分析

1.1 方向盘FEA模型

本文采用Hyperworks软件，对某轻卡方向盘进行了建模，网格尺寸大小为3 mm，方向盘骨架材质为铝合金，其弹性模量为72 000 MPa，屈服强度为225 MPa。发泡材料质量在模型中采用一维Mass单元模拟，方向盘有限元模型如图1所示。

图1 某轻卡方向盘FEA模型

1.2 方向盘CAE极限扭转疲劳耐久分析

轻卡在行驶过程中，会出现猛打方向盘避让情形，即方向盘极限扭转工况，需校核该极限工况下的方向盘疲劳耐久性能，在上述FEA模型基础上，按照设计DVP工况，约束轴心全部自由度，在12点位置，方向盘轮缘的切线方向施加330 Nm扭矩，试验前需检查紧固件和花键状态，边界条件如图2。

图2 方向盘CAE极限扭转疲劳边界条件

图3 方向盘CAE极限扭转疲劳耐久分析结果

本文按照上述边界条件，得到了某轻卡方向盘CAE极限扭转疲劳耐久分析结果，可以得出，其最大塑性应变值为0.1%，满足目标即等效塑性变形<12%。

1.3 方向盘CAE扭转变形分析

本文开展了方向盘扭转变形CAE分析，固定方向盘安装位置全部自由度，在12点位置，施加方向盘轮缘切线处950 N载荷，边界条件如图4所示，在Ncode软件中得到图5的扭转变形分析结果，结果显示，方向盘永久变形为0度，满足目标小于2度。

图4 方向盘CAE扭转变形分析边界条件

图5 方向盘CAE扭转变形分析结果

1.4 方向盘CAE嵌入物疲劳耐久分析

方向盘在使用过程中，会出现外界物体干涉嵌入情形，故需校核方向盘嵌入物疲劳耐久性能，边界条件为约束方向盘骨架安装位置全部自由度，在12点方向位置分别施加沿轮缘的垂直向载荷1=245 N，2=490 N，3=1 275 N，如图6所示。

图6 方向盘嵌入物静态弯曲边界条件

图7 方向盘嵌入物静态弯曲分析结果

本文按照上述边界条件，得到如图7的CAE疲劳分析结果，其最大塑性应变值为0.8%，小于目标值1.5%，满足设计目标。

1.5 方向盘CA旋转疲劳耐久分析

方向盘主要是依靠人体双手旋转施加扭矩，并通过转向管柱等机械部件实现转向功能，故轻卡在进行正向设计期间，需重点考虑方向盘旋转疲劳耐久性能。本文按照如下图8的边界条件，即约束安装位置部件全部自由度，在方向盘3点和9点位置施加237 N载荷，CAE疲劳分析结果如图9所示，显示该工况下，方向盘疲劳寿命值为2.6E7，满足设计目标大于2E6。

图8 方向盘CAE旋转疲劳耐久分析边界

图9 方向盘CAE旋转疲劳耐久分析结果

2 轻卡方向盘模态分析

本文对某轻卡方向盘（驾驶室安装状态）o进行了模态分析，得到如图10分析结果，一阶向前后晃动模态频率为40.3 Hz，二阶X向横向摆动模态频率为30.7 Hz，三阶垂向振动模态频率为57.2 Hz，而该轻卡发动机怠速转速为750 r/min，共振频率为26.7 Hz，结合方向盘安装状态下的各阶频率可得出，成功避开了怠速共振，满足设计目标。

3 结论

本文基于汽车结构理论和数值分析理论，利用Nastran软件，对某轻卡方向盘进行了CAE疲劳耐久分析和模态分析，CAE分析结果表明此轻卡方向盘耐久性能满足目标。

[1] 赵荣灿.某SUV高速行驶下方向盘振动分析与减振措施[D].秦皇岛:燕山大学,2018.

[2] 徐小剑.基于ABAQUS的汽车方向盘模态仿真与试验分析[J].上海工程技术大学学报,2019,12(1):12-16.

[3] 王锐,苏小平.汽车副车架强度模态分析及结构优化[J].机械设计与制造,2014,35(4):46-58.

[4]黄勤,何帆影,宋磊,等.基于有限元方法的某轻卡车架性能研究[J].汽车实用技术,2020(07):89-91.

[5] 吴静.基于Nastran的客户关联场景下某轻卡车架强度性能研究[J].汽车实用技术,2020(20):92-94.

Simulation Study on Durability of a Light Truck Steering Wheel

HUANG Yi, CHEN Jia, ZHONG Gending, XIONG Deming

( Product Development & Technical Center, Jiangling Motors Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330001 )

The steering wheel is the key component of the light truck steering system, which has an important impact on the durability of the whole vehicle and the safety of drivers and passengers. This paper studies the CAE fatigue durability of a light truck steering wheel, and the results show that the durability of the light truck steering wheel meets the target requirements.

Light truck; Steering wheel; Durability performance

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.040

U467

B

1671-7988(2021)21-153-03

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1671-7988(2021)21-153-03

黄毅，就职于江铃汽车股份有限公司产品开发技术中心。