汽车方向盘轻量化设计

根据权威研究资料，如果汽车整车的重量降低10%,油耗可以下降6%~8%,排放量可总成(英文简称SW)。目前行业内对汽车方向盘性能的定义主要体现在下4个方面：4.汽车方向盘离驾驶员比较近，并且驾驶员开2.汽车方向盘的性能除了需要满足国家标准和行业标准外，每个整车好还有自己的3.汽车方向盘一般由骨架、发泡体、皮革、装饰件、多功能开关和下护罩六个零部车转向盘技术要求及试验方法》第4.4节表1第11条、第12条，第4.5节表2第1条、第2条的要求：将汽车方向盘总成刚性固定在实验台上，在方向盘轮缘12点钟位置正中间部位(刚度最薄弱处)沿方向盘轮缘平面法向施加700N向下的载荷，保持5min后测量方向盘轮将汽车方向盘总成刚性固定在实验台，在方向盘轮缘3、9点钟位置(刚度最强处)将汽车方向盘总成刚性固定在实验台，在方向盘轮缘12点钟位置正中间部位(刚度将汽车方向盘总成刚性固定在实验台，在方向盘轮缘3、9点钟位置(刚度最强处)固有频率(一阶模态)向下或向上进行规避，由于汽车低频振动频带复杂且较宽，向下很囊)的固有频率大于65Hz。CATIA软件是由法国达索系统公司(DassaultSystem)开发的大型CAD/CAM/CAE一1.创成式外形设计(Generativ曲面的高级控制、修改功能，例如通过对曲线、曲面、曲面边界极点(或控制点)3.汽车A级曲面(AutomotiveClassA),此模块为了满足汽车行业对外观曲面(既A4.草图描绘(SketchTracer),此模块提供了强大的图片导入、尺寸控制和定位功能，5.数字曲面编辑器(DigitizedShapeEditor),此模块提供了丰富逆向设计工具，具有6.快速曲面重构(QuickSurfaceReconstruction),提取特征化点云自动生成平面、球7.小三角片体外形编辑(ShapeSculpter),此模块对基于点云或其它途径片体模型进行编辑和修改，以满足快速样件制造(如3D打印)的需求。9.想象及造型(Image&Shape),此模块10.修复助理(HealingAssistant),这是一个功能强大的后处理模块，可以自动搜索曲维CAD模型的修改能够准确的传递到二维CAD图纸以及CAE、CAM模块中。4.强大的并行工程能力目前CATIAV5最新的版本是V5R2016,V6虽然从2010年就开始推出，但在汽车行CAE、CAM领域应用的还不广泛，也就是说在CAE、CAM领域还有很多比CATIA更为DMU运动机构模拟(DMUKinematicsSimulator)这几个模块就可以胜任常规汽车零部件的烦恼，本文中的3D数据设计采用CATIAV5R21版软件完成。型，并且可以通过Abaqus与CATIAV5、SolidWorks和Pro/E的交传递到Abaqus/CAE的模块中，通过Abaqus与CAD软件交互式接口，可以非常方便的将第二章汽车方向盘结构轻量化设计盘骨架总成、发泡体和皮革(部分自结皮方向盘无此部分)三个部分，另外方向盘骨架总零部件的要求为：方向盘本体总成目标设计重量要求小于1120g,其中包括骨架总成的重要求小于600g,花键套目标设计重量要求小于70g),发泡体目标设计重量要求小于450g (对于一体式发泡体目标设计重量要求小于650g),装饰盖目标设计重量要求小于100g,多功能开关目标设计重量要求小于80g,下护罩目标设计重量一般要求小于200g。各零部2.1骨架本体轻量化设计现在轿车的方向盘骨架本体直径一般为350±10mm,高度一般为130±10mm,具体尺寸由外观造型的A面决定。如图2-1所示，方向盘骨要求小于600g,进一步分解到它三个部分的具体毂的目标设计重量要求小于220g,辐条目标设计骨架本体轮圈截面如图2-2所示，一般为倒轮圈轮圈次辐条主辐条次辐条图2-1实际操作工况可知，驾驶汽车操作方向盘时在轮圈径向所加载的力较小，主要力都施加在调整为13×15mm,适当降低截面的径向尺寸并增加轴向尺寸，从而保证在轮圈肉厚减薄的情况下不降低轮圈轴向刚度，优化设计后的轮圈截面如图2-3所示，其截面积从118mm²降低到104mm²,在骨架本体轮圈直径相同的条件下可以减轻约13%的重量。如果图2-4所示，骨架本体轮圈3、9点钟位置与辐条结合处，由于结构突变，在受力变形时承受较大的应力，需要加宽加高2~3mm以增加其刚度，设计完成后的轮圈重量约为248g,满足前面设定的小于250g目标设计重量。2.1.2轮毂轻量化设计如图2-1所示轮毂为骨架本体中间基础支撑部分，主要有四个方面作用：1、连接周边辐条结构；2、集成花键套；3、提供驾驶员安全气囊模块的定位和紧固结构；4、提供下护罩、发泡体、装饰盖的安装定位结构。轮毂一般为大平板结构，壁厚一般为9mm,需要为了在不降低轮毂强度的条件下减轻轮毂重量，一般有三种方法：其一为将轮毂平板为204g,满足前面设定的小于220g目标设计重量。如图2-1所示，辐条为轮毂和轮圈之间连接的梁式结构，一般汽车方向盘具有为2~4根辐条，其中3、9点钟位置(左右两边)具有两根主辐条，需要有较高的结构强度，主辐条的截面尺寸一般为30×9mm,6点钟位置(靠近驾驶员胸部)具有1~2根次辐条(三辐条方向盘6点钟位置的次辐条为1根，四辐条方向盘6点钟位置的次辐条为2根),次现在方向盘为了增加仪表区域的可视区域，一般采用三辐条或类三辐条(6点钟位置两根次辐条靠的比较近的四辐条方向盘)结构方向盘，将方向盘3、9点钟的主辐条设计用取消6点钟位置的次辐条的方案。取消6点钟位置的辐条后，轮圈于轮毂之间的所有连接强度都由3、9点钟位置的主辐条承担，因此需要高度2~5mm。设计完成的主辐条如图2-6所示，经过优化设计后辐条重量约为124g,满足前面设定的小于130g目标设计重量。同时经过优化设计后骨架本体重量约为576g,满足前面设定的小于600g目标设计重量。套在使用过程中不损坏，传统的花键套采用15#,30#或45#加工而成，并且需要进行热处如图2-8和图2-9所示的镁铝合金一体压铸成型的花键套。取消独立的钢制花键套设计不下护罩的一体式发泡体。普通发泡体主要布置普通发泡由于内部结构较少，其重量主要取决于外观A面的造型，具体结构设计参考一体式发泡体由于内部结构件多，可以进行结构减重的地方较多，特别是用发泡替代原先下护罩的部分，由于原先的下护罩是2~3mm的薄壁注塑件结构，因此一体式发泡体结构减重的重点就是如何进行薄壁化设计。随着高压发泡成型设备、发泡模具、发泡材料及发泡工艺的进步，如图2-13所示发泡主体部分壁厚可以从10mm降低到6mm,局部区域的壁厚可以薄至2mm,另外为了防止由于发泡体较软而导致结构变形，如图2-14所示在边角以及底部空间比较充裕的地方可以加厚到10~12mm。经过优化设计后发泡体重量约为572g,满足前面设定的小于650g目标设计重量。第三章汽车方向盘性能CAE验证=28267MPa,泊松比=0.35,密度1.77g/mm³。有限元模型采用二阶四面体单元。考虑材3.1弯曲性能CAE验证处刚性固定，在轮圈12点钟位置施加700N载荷，具体如图3-1所示。图3-1施加700N载荷后的变形量如图3-2所示为45.15mm,小于标准要求的80mm,满足标准的要求；载荷卸载后的永久变形量如图3-3所U,acntudeU,acntude3.2扭转性能CAE验证按《QC/T563-2014汽车转向盘技术要求及试验方法》第5.15条要求，方向盘花键套处刚性固定，在方向盘轮缘3、9点钟位置(刚度最强处)沿该点切向施加220N·m的载荷，具体如图3-4所示。施加220N·m扭矩卸载后，如图3-5所示最大塑性变形量为1.032mm,经计算后塑性旋转角度约为0.32°,小于标准要求的3°,满足标准的要求；施加220N·m载荷后，骨架未出现断裂，满足标准的要求。3.3弯曲疲劳性能CAE验证按《QC/T563-2014汽车转向盘技术要求及试验方法》第5.16.1条要求，方向盘花键套处刚性固定，在方向盘轮缘12点钟位置施加-225N～+225N频率为1Hz～1.2Hz的正弦波载荷，具体如图3-7所示。方向盘骨架的应力分布如图3-8所示，最大应力为87.1MPa,方向盘骨架弯曲疲劳寿(04-043.4扭转疲劳性能CAE验证《QC/T563-2014汽车转向盘技术要求及试验方法》第5.16.2条要求，方向盘花键套处刚性固定，在方向盘轮缘3、9点钟位置施加-40N·m～+40N·m频率为1Hz～1.2Hz的正方向盘骨架的应力分布如图3-11所示，最大应力为89.25MPa,方向盘骨架弯曲疲劳7i3.5固有频率CAE验证约束花键位置全部自由度，具体分析模型如图3-13所示，方向盘