汽車方向盤輕量化設計

根據(jù)權威研究資料，如果汽車整車的重量降低10%,油耗可以下降6%~8%,排放量可總成(英文簡稱SW)。目前行業(yè)內(nèi)對汽車方向盤性能的定義主要體現(xiàn)在下4個方面：4.汽車方向盤離駕駛員比較近，并且駕駛員開2.汽車方向盤的性能除了需要滿足國家標準和行業(yè)標準外，每個整車好還有自己的3.汽車方向盤一般由骨架、發(fā)泡體、皮革、裝飾件、多功能開關和下護罩六個零部車轉向盤技術要求及試驗方法》第4.4節(jié)表1第11條、第12條，第4.5節(jié)表2第1條、第2條的要求：將汽車方向盤總成剛性固定在實驗臺上，在方向盤輪緣12點鐘位置正中間部位(剛度最薄弱處)沿方向盤輪緣平面法向施加700N向下的載荷，保持5min后測量方向盤輪將汽車方向盤總成剛性固定在實驗臺，在方向盤輪緣3、9點鐘位置(剛度最強處)將汽車方向盤總成剛性固定在實驗臺，在方向盤輪緣12點鐘位置正中間部位(剛度將汽車方向盤總成剛性固定在實驗臺，在方向盤輪緣3、9點鐘位置(剛度最強處)固有頻率(一階模態(tài))向下或向上進行規(guī)避，由于汽車低頻振動頻帶復雜且較寬，向下很囊)的固有頻率大于65Hz。CATIA軟件是由法國達索系統(tǒng)公司(DassaultSystem)開發(fā)的大型CAD/CAM/CAE一1.創(chuàng)成式外形設計(Generativ曲面的高級控制、修改功能，例如通過對曲線、曲面、曲面邊界極點(或控制點)3.汽車A級曲面(AutomotiveClassA),此模塊為了滿足汽車行業(yè)對外觀曲面(既A4.草圖描繪(SketchTracer),此模塊提供了強大的圖片導入、尺寸控制和定位功能，5.數(shù)字曲面編輯器(DigitizedShapeEditor),此模塊提供了豐富逆向設計工具，具有6.快速曲面重構(QuickSurfaceReconstruction),提取特征化點云自動生成平面、球7.小三角片體外形編輯(ShapeSculpter),此模塊對基于點云或其它途徑片體模型進行編輯和修改，以滿足快速樣件制造(如3D打印)的需求。9.想象及造型(Image&Shape),此模塊10.修復助理(HealingAssistant),這是一個功能強大的后處理模塊，可以自動搜索曲維CAD模型的修改能夠準確的傳遞到二維CAD圖紙以及CAE、CAM模塊中。4.強大的并行工程能力目前CATIAV5最新的版本是V5R2016,V6雖然從2010年就開始推出，但在汽車行CAE、CAM領域應用的還不廣泛，也就是說在CAE、CAM領域還有很多比CATIA更為DMU運動機構模擬(DMUKinematicsSimulator)這幾個模塊就可以勝任常規(guī)汽車零部件的煩惱，本文中的3D數(shù)據(jù)設計采用CATIAV5R21版軟件完成。型，并且可以通過Abaqus與CATIAV5、SolidWorks和Pro/E的交傳遞到Abaqus/CAE的模塊中，通過Abaqus與CAD軟件交互式接口，可以非常方便的將第二章汽車方向盤結構輕量化設計盤骨架總成、發(fā)泡體和皮革(部分自結皮方向盤無此部分)三個部分，另外方向盤骨架總零部件的要求為：方向盤本體總成目標設計重量要求小于1120g,其中包括骨架總成的重要求小于600g,花鍵套目標設計重量要求小于70g),發(fā)泡體目標設計重量要求小于450g (對于一體式發(fā)泡體目標設計重量要求小于650g),裝飾蓋目標設計重量要求小于100g,多功能開關目標設計重量要求小于80g,下護罩目標設計重量一般要求小于200g。各零部2.1骨架本體輕量化設計現(xiàn)在轎車的方向盤骨架本體直徑一般為350±10mm,高度一般為130±10mm,具體尺寸由外觀造型的A面決定。如圖2-1所示，方向盤骨要求小于600g,進一步分解到它三個部分的具體轂的目標設計重量要求小于220g,輻條目標設計骨架本體輪圈截面如圖2-2所示，一般為倒輪圈輪圈次輻條主輻條次輻條圖2-1實際操作工況可知，駕駛汽車操作方向盤時在輪圈徑向所加載的力較小，主要力都施加在調(diào)整為13×15mm,適當降低截面的徑向尺寸并增加軸向尺寸，從而保證在輪圈肉厚減薄的情況下不降低輪圈軸向剛度，優(yōu)化設計后的輪圈截面如圖2-3所示，其截面積從118mm2降低到104mm2,在骨架本體輪圈直徑相同的條件下可以減輕約13%的重量。如果圖2-4所示，骨架本體輪圈3、9點鐘位置與輻條結合處，由于結構突變，在受力變形時承受較大的應力，需要加寬加高2~3mm以增加其剛度，設計完成后的輪圈重量約為248g,滿足前面設定的小于250g目標設計重量。2.1.2輪轂輕量化設計如圖2-1所示輪轂為骨架本體中間基礎支撐部分，主要有四個方面作用：1、連接周邊輻條結構；2、集成花鍵套；3、提供駕駛員安全氣囊模塊的定位和緊固結構；4、提供下護罩、發(fā)泡體、裝飾蓋的安裝定位結構。輪轂一般為大平板結構，壁厚一般為9mm,需要為了在不降低輪轂強度的條件下減輕輪轂重量，一般有三種方法：其一為將輪轂平板為204g,滿足前面設定的小于220g目標設計重量。如圖2-1所示，輻條為輪轂和輪圈之間連接的梁式結構，一般汽車方向盤具有為2~4根輻條，其中3、9點鐘位置(左右兩邊)具有兩根主輻條，需要有較高的結構強度，主輻條的截面尺寸一般為30×9mm,6點鐘位置(靠近駕駛員胸部)具有1~2根次輻條(三輻條方向盤6點鐘位置的次輻條為1根，四輻條方向盤6點鐘位置的次輻條為2根),次現(xiàn)在方向盤為了增加儀表區(qū)域的可視區(qū)域，一般采用三輻條或類三輻條(6點鐘位置兩根次輻條靠的比較近的四輻條方向盤)結構方向盤，將方向盤3、9點鐘的主輻條設計用取消6點鐘位置的次輻條的方案。取消6點鐘位置的輻條后，輪圈于輪轂之間的所有連接強度都由3、9點鐘位置的主輻條承擔，因此需要高度2~5mm。設計完成的主輻條如圖2-6所示，經(jīng)過優(yōu)化設計后輻條重量約為124g,滿足前面設定的小于130g目標設計重量。同時經(jīng)過優(yōu)化設計后骨架本體重量約為576g,滿足前面設定的小于600g目標設計重量。套在使用過程中不損壞，傳統(tǒng)的花鍵套采用15#,30#或45#加工而成，并且需要進行熱處如圖2-8和圖2-9所示的鎂鋁合金一體壓鑄成型的花鍵套。取消獨立的鋼制花鍵套設計不下護罩的一體式發(fā)泡體。普通發(fā)泡體主要布置普通發(fā)泡由于內(nèi)部結構較少，其重量主要取決于外觀A面的造型，具體結構設計參考一體式發(fā)泡體由于內(nèi)部結構件多，可以進行結構減重的地方較多，特別是用發(fā)泡替代原先下護罩的部分，由于原先的下護罩是2~3mm的薄壁注塑件結構，因此一體式發(fā)泡體結構減重的重點就是如何進行薄壁化設計。隨著高壓發(fā)泡成型設備、發(fā)泡模具、發(fā)泡材料及發(fā)泡工藝的進步，如圖2-13所示發(fā)泡主體部分壁厚可以從10mm降低到6mm,局部區(qū)域的壁厚可以薄至2mm,另外為了防止由于發(fā)泡體較軟而導致結構變形，如圖2-14所示在邊角以及底部空間比較充裕的地方可以加厚到10~12mm。經(jīng)過優(yōu)化設計后發(fā)泡體重量約為572g,滿足前面設定的小于650g目標設計重量。第三章汽車方向盤性能CAE驗證=28267MPa,泊松比=0.35,密度1.77g/mm3。有限元模型采用二階四面體單元?？紤]材3.1彎曲性能CAE驗證處剛性固定，在輪圈12點鐘位置施加700N載荷，具體如圖3-1所示。圖3-1施加700N載荷后的變形量如圖3-2所示為45.15mm,小于標準要求的80mm,滿足標準的要求；載荷卸載后的永久變形量如圖3-3所U,acntudeU,acntude3.2扭轉性能CAE驗證按《QC/T563-2014汽車轉向盤技術要求及試驗方法》第5.15條要求，方向盤花鍵套處剛性固定，在方向盤輪緣3、9點鐘位置(剛度最強處)沿該點切向施加220N·m的載荷，具體如圖3-4所示。施加220N·m扭矩卸載后，如圖3-5所示最大塑性變形量為1.032mm,經(jīng)計算后塑性旋轉角度約為0.32°,小于標準要求的3°,滿足標準的要求；施加220N·m載荷后，骨架未出現(xiàn)斷裂，滿足標準的要求。3.3彎曲疲勞性能CAE驗證按《QC/T563-2014汽車轉向盤技術要求及試驗方法》第5.16.1條要求，方向盤花鍵套處剛性固定，在方向盤輪緣12點鐘位置施加-225N～+225N頻率為1Hz～1.2Hz的正弦波載荷，具體如圖3-7所示。方向盤骨架的應力分布如圖3-8所示，最大應力為87.1MPa,方向盤骨架彎曲疲勞壽(04-043.4扭轉疲勞性能CAE驗證《QC/T563-2014汽車轉向盤技術要求及試驗方法》第5.16.2條要求，方向盤花鍵套處剛性固定，在方向盤輪緣3、9點鐘位置施加-40N·m～+40N·m頻率為1Hz～1.2Hz的正方向盤骨架的應力分布如圖3-11所示，最大應力為89.25MPa,方向盤骨架彎曲疲勞7i3.5固有頻率CAE驗證約束花鍵位置全部自由度，具體分析模型如圖3-13所示，方向盤