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安全、環(huán)保、節(jié)能是未來汽車的三大主題，作為汽車轉向系統重要部件一轉向管柱更是如此，從傳統的純機械結構、電動調節(jié)結構到管柱助力的電動轉向系統(即C-EPS)。
近年來，汽車轉向管柱的發(fā)展超乎尋常，其安全性顯得尤其重要，不僅要求進行總成的靜態(tài)壓縮特性考核，還必須滿足國家強制性標準GB11557和美國聯邦機動車安全標準FMVSS203的要求。企業(yè)如果要想在激烈的市場竟爭中脫穎而出，必須采用先進的設計手段。
1、有限元分析
根據汽車轉向管柱的結構特點，為滿足轉向操作機構的設計需求，有限元分析技術主要應用在轉向柱的靜態(tài)強度、靜態(tài)剛度分析、模態(tài)分析、疲勞分析、碰撞吸能分析幾個方面。
1.1、結構強度/剛度分析
作為機械產品，其產品設計在一定的工作條件，如額定載荷、過載及熱載等情況下，其結構剛強度如何，能否滿足在工作載荷下不發(fā)生失效破壞，不發(fā)生過大變形影響工作性能等。因此，對產品結構做剛強度校核，是每個設計師首要考慮的問題。在滿足剛強度要求的前提下，對產品進行一些優(yōu)化分析，還可以帶來諸如節(jié)省材料等經濟性方面的益處，但傳統的設計校核難度較大。轉向管柱結構強度涉及有限元分析領域包括：結構靜強度分析，熱傳導與結構熱應力分析，結構穩(wěn)定性，靜剛強度優(yōu)化分析。
1.2、模態(tài)分析
模態(tài)分析是計算結構振動特性的數值技術，結構振動特性包括固有頻率和振型。模態(tài)分析是最基本的動力學分析，也是其他動力學分析的基礎，如響應譜分析、隨機振動、DDAM振動分析、模態(tài)疊加法瞬態(tài)分析都需要在模態(tài)分析基礎上進行。
轉向管柱模態(tài)分析結果的準確與否，關鍵在十模型的簡化，特別是對上下支撐軸承的簡化。一般轎車轉向柱上軸承采用單列向心球軸承等剛性軸承，而下部則采用柔性軸承，如帶橡膠或彈性材料的滾針和球軸承。實際的分析結果表明，除轉向柱本身的結構因素外，在一定的條件下，支撐軸承的剛度、方向盤質量及質心位置對模態(tài)的影響最大。若軸承剛度越大(或方向盤質量越低，或質心位置越低)，則轉向柱固有頻率越高。
1.3、疲勞壽命分析
機械產品各部件的材料、零件和構件在循環(huán)應力或循環(huán)應變的作用下，在某點或某些點逐漸產生局部的永久的結構變化，并在一定循環(huán)次數后形成裂紋或繼續(xù)擴展直到斷裂，產生疲勞破壞。由于疲勞斷裂發(fā)生往往會導致災難性人身事故，所以疲勞成為力學、材料和工程界所共同重視的學科。
轉向管柱的疲勞分析主要應用在轉向傳動軸，其目的是預測在一定的扭矩和頻率的交變負荷下，能夠經受住疲勞的次數，根據交變負荷的周期則可以根據次數確定以時間描述的疲勞壽命。
1.4、轉向機構吸能結構碰撞分析
最新的國家強制性標準GB11557-2011規(guī)定了二次碰撞人體模塊胸碰和頭碰的性能要求，因此轉向管柱一般設計有吸能結構。傳統設計是靠經驗初步確定各個吸能處的靜態(tài)潰縮力，待做出物理樣機后進行試驗并校核。
汽車碰撞時駕駛員的二次沖撞是在幾十毫秒到幾百毫秒內完成的。在碰撞過程中，駕駛員和轉向機構各零部件在慣性載荷作用下發(fā)生大位移、大轉動、大變形的接觸碰撞。因而，研究轉向管柱碰撞能量的吸收特性應建立在瞬態(tài)、非線性(材料非線性、幾何非線性、接觸非線性)的基礎之上。主要分析內容包括：吸能結構碰撞仿真的建模與計算控制；人體模塊有限元模型變形剛度的仿真測定；吸能結構碰撞仿真的非線性有限元分析；通過實際碰撞試驗校驗動態(tài)仿真分析結果的正確性。
借助有限元分析和運動仿真，可以針對不同設計變量進行設計研究及優(yōu)化設計，最終得出最佳的設計方案，可以在產品投入試制前預先發(fā)現潛在的問題，確保設計安全可靠，縮短開發(fā)周期，減少設計成本，隨著計算機軟件技術的發(fā)展，虛擬設計在汽車轉向系統設計中的應用將更加廣泛。
專業(yè)從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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