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2020/12Vehicle engineering and technology 丨车辆工程与技术
093车时代
可将汽车碰撞分解为两个阶段：第一车身与外界碰撞；第二人体与车内组j 件发生碰撞。发生碰撞后，人体受到的伤害主要来源于方向盘、转向管柱等所造成的碰撞。因此，提高转向管柱的吸能效果具有非常重要的意义。目前，国内对转向管柱吸能带的仿真研究较少，其原因有企业常用的吸能带类型较为固定，因此企业本身积累了较多的试验数据，形成数据库，工程师可在数据库中获得所需资料；并且吸能带结构相对简单，当有新设计被开发后，工程师倾向制作不同规格的样品进行测量，适当调整结构[1]。所以企业不会投入过多的人力、物理去对吸能带的仿真进行研究。但是，结合CAE 与试验的结果结合完善的吸能带溃缩数据库，可起到非常好的预测作用，大幅度降低试验和模型的修改费用。
1 吸能带的工作原理
本文对“J 型吸能带”、“钢丝卷形吸能带”、“滑槽防脱型吸能带”3种常见吸能带的工作原理进行分析。
1.1J 型吸能带
该类型的吸能带竖起来时，外形形似英文字母“J”，故此得名。截面为矩形，具有覆盖力值范围大、工艺简单等优点，但其折弯成型过程较为复杂，且需要顶板支架进行配合。此类型的吸能带利用螺钉与支架固定在一起，当管柱溃缩时，顶板支架固定，带吸能带向后移动，吸能带的卷曲变形发生在移动过程中，直到溃缩结束。
1.2钢丝卷形吸能带
钢丝卷形吸能带又称环形吸能带，具有占用空间小、稳定力值等优点，但其缺点也较为明显：力值覆盖范围有限、装配零件较多且过程烦琐。钢丝卷形吸能带的主体缠绕在钢圈上，前端有挂钩卡在支架上，支架运动带动吸能带挂钩一起运动，进而带动吸能带绕着钢圈做旋转拉伸运动。
1.3滑槽防脱型吸能带
滑槽防脱型吸能带具有持续变形吸能和产生峰值力两个功能，其优点是安装工艺简单、零件较少，且其实现转向管柱溃缩过程中的防脱落功能的过程中可不用增加零部件。缺点是其整个零部件的厚度是一样的，主要由吸能带即为冲压件导致，可能会出现吸能带持续变形力无法满足客户需要的问题；在溃缩过程中，吸能带内部螺钉会产生摩擦，如未对吸能带内壁进行毛刺处理，将会导致吸能带出现较大波动的力[2]。滑槽防脱型吸能带主要由吸能带、上支架和螺钉组成。吸能带的拉脱块通过螺栓打紧在工装或CCB 上，在整个管柱溃缩过程中，保持固定不动。在管柱溃缩的起始阶段，通过上支架，管柱带动螺钉
在吸能带中进行滑动，滑动的螺钉对吸能带有撑开作用，起到吸能的效果。
2 设计吸能带过程中的常见为题与解决方法2.1 J 型吸能带
汽车钢圈根据吸能带的工作原理，对其力值的主要有摩擦因素、吸能带材料的破坏强度、屈服度、吸能带的宽度、厚度以及支架顶板的导圆半径等。其中摩擦因素与材料强度相关参数，随着支架、吸能带材料的确定可以认为是固定的，支架导圆
半径常设计为2.5～3mm 之间，变动也较小。所以，常通过调整吸能带的宽度和厚度以达到调整实际参数的目的。吸能带的力与其宽度有完全的线性相关；在一定范围内，与厚度有接近线性相关。因此，在调整参数时，如设计吸能带提供的力与实际相差较小，可直接对其宽度进行修改[3]。如设计吸能带提供的力与实际相差较大，可对吸能带的厚度进行修改，但吸能带的厚度对力的改变较为敏感，因此在初步估算出需要厚度后需要进行仿真实验来获取实际的吸引带力的准确值。
为满足客户的不同需求，可作出相应地调整。例如：部分客户希望吸能带其实力不要出现峰值，要尽量平滑，为此可适当调整吸能带的前端，使其局部变窄，即可避免出现其实峰值力。
2.2 钢丝卷形吸能带
该类型的吸能带，利用理论公式和反震实验就可以较为精准的计算出力值，所以很少出现实验力与设计
力差异较大的现象。在确定钢圈具体尺寸后，即可根据客户需求计算截面即可，更多地将其截面设计成边长2mm ～4mm 的矩形或正方形[4]。如出现力值无法满足客户需求的情况，可考虑应用抗拉强度和屈服强度更高的材料。在滑车试验过程中，可能出现吸能带在转向管柱溃缩过程中脱落的现象，导致吸能带无法正常吸收能量。究其原因，本应挂在支架里的吸能带前端弯折部分被掰直了，镶嵌在支架中的卡夹被撞坏并失去了应有作用。通过仿真结果可发现，塑料卡夹对吸能带折弯处的受力具有很大的影响。存在塑胶卡夹的情况下，吸能带折弯部分的根部先与其接触，可减少根部受到的力，使其不会发生掰直现象。如塑料卡夹损坏，折弯根部将直接和支架接触，导致根部受力较大，且管柱的速度较快，由于惯性作用，将极大可能发生折弯部继续变形的风险。因此，吸能带的活脱与塑料卡夹的断裂有直接的关系。因此，需要加强塑料卡夹的抗冲击强度，保证吸能带折弯处的受力不在顶部而是靠近底部。
3 结束语
仿真技术具有速度快、准确度高等优点，可为转向管柱的安全性能开发提供有力的支持。在对转向管柱进行模拟溃缩时，不仅要关注力值与设计是否吻合，也要关注各零件的强度和其之间的配合情况，这样才能得到合理、真实的仿真结果。
参考文献：
[1]李显君, 钟领, 王京伦，等. 开放式创新与吸收能力对创新绩效影响——基于我国汽车企业的实证[J]. 科
研管理, 2018, 39(001):45-52.
作者简介：张辉（1991—），男，安徽淮北人，硕士 ，助教，研究方向：汽车智能制造。