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[摘要]汽车管柱是汽车转向系统的重要部件，也是车辆碰撞时关键的吸能部件，本文列举了常见典型的转向管柱吸能结构，并通过动态、静态方法对其吸装效果进行评价，分析得出对转向管柱吸能效果进行有效评价的最佳方法，对产品改进和完善具有指导意义。
[关键词]转向管柱； 吸能 ； 评价
中图分类号： U 463. 46 文献标识码： B 文章编号：
1 概述
汽车转向机构对驾驶员伤害是汽车被动安全中的一个重要项目，一直以来，国内外强制性法规对汽车安全性提高起到了一定的推动作用，也在很大程度上促进了溃缩吸能式管柱的广泛应用。我们国家强制性标准GB 11557-2011参考ECE、EEC、FMVSS标准，对转向机构采取人体上身模块动态撞击试验来评价转向机构的吸能效果，与此同时，一些整车生产企业都积极开展管柱静态压溃试验，采用静态试验方法对转向管柱的吸能效果进行评价。
本文针对两种典型结构的吸能式转向管柱，分别开展动态试验和静态试验，测量转向管柱的溃缩行程、溃缩力或撞击力等参量，对转向管柱的吸能性进行评价，并对两种评价方法进行对比研究，得出了对转向管柱的吸能效果进行有效评价的最佳方法，为吸能性评价方法的改善、法规修订以及产品优化改进等方面提供了一定的借鉴。
2 汽车转向机构及其吸能性评价方法
2.1 汽车转向机构介绍
汽车转向机构的功用是将驾驶员转动转向盘的操作力矩传给转向器，从而驱动转向轮实现车辆转向。转向机构由转向盘、转向管柱、转向中间轴、转向器等部件组成。
转向盘主要由轮圈、轮辐和轮毂组成。转向管柱是用来连接转向盘和转向器，并将转向盘的转向转矩传给转向器。转向管柱安装在车身上，支承转向轴及转向盘，转向轴从转向管柱内穿过，靠转向管柱内的轴承和衬套支承。
现代汽车大多采用吸能式转向轴机构，除了能发挥汽车转向操纵功能外，在汽车发生正面碰撞时，能够以机械的方式有效地吸收碰撞能量，降低碰撞能量，减少转向机构对驾驶员的伤害，避免造成人身伤害。
2.2 转向管柱吸能性评价方法
2.2.1动态试验评价方法
根据GB 11557-2011《防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定》4.2条要求：人体模块以24.1 km/h—25.3 km/h的速度水平撞击转向盘时，作用在转向盘上的水平力不得大于11123N。试验时，转向操纵装置应安装在包括前排座椅区域在内的前半截车身内进行试验，将该车身刚性固定在试验台上，以避免人体模块撞击时移动。
2.2.2静态试验评价方法
将转向机构的上下安装支架固定在刚性试验台上，以防止其移动，用加载使能缸对转向管柱进行静态加载。
3 典型结构吸能管柱吸能性评价对比
针对摩擦吸能式、变形吸能式两种典型结构的吸能管柱，分别开展动态试验和静态试验，观察试验结果，分析试验数据，对两种评价方法进行对比研究。
3.1摩擦吸能式管柱吸能性试验
此类转向机构由上下两部分组成，上半部分装有左右两个吸能块，吸能块用螺栓和车身连接，并用一定的扭紧力矩将两部分通过打点接触摩擦组装在一起。
当管柱受到撞击时，上半部分左右两个吸能块会与管柱滑脱，而下半部分与车身连接固定不动，上半部分通过接触摩擦逐渐进入下半部分转向管柱，实现缓冲冲击，吸收能量，从而有效减轻驾驶员的受伤害程度。
3.1.1动态试验
将转向管柱安装在刚性模拟台架上，人体上身模块以24.21km/h的速度，水平撞击转向机构，采集试验原始数据。对原始数据进行CFC600滤波处理，计算出转向机构在水平方向对驾驶体胸部的撞击伤害指标。
试验后吸能块与管柱滑脱，管柱上半部分沿轴向溃缩了107mm，在撞击中很好的吸收了冲击能量，使驾驶员得到最大限度的保护，降低受伤害程度。
在不考虑驾驶员二次撞击的情况下，管柱从开始溃缩到溃缩完成，人体模块与转向机构接触撞击的时间大约有60ms，其间摩擦吸能块发挥作用，且管柱上、下部分之间产生溃缩位移，这些装置发挥了很好的吸能作用，降低了转向机构对人体的伤害，最终对人体胸部的伤害指标：水平方向撞击力值为7790.38N。
3.1.2静态试验
将转向管柱固定在台架上，以100mm/min的速度对管柱向下加载50mm。
试验后吸能块脱落，管柱溃缩行程中受到的最大力为3618.89N ，管柱上部位移49.8mm，静态时管柱开始溃缩时的力为3619N，而动态评价时管柱的水平撞击力为7790N，有一定的距离，而且我们从大量的试验数据显示：摩擦吸能式转向管柱的吸能效果动态评价、静态评价结果差异比较大，而且比较杂乱，没有明显的接近规律。因此，对于此种结构的管柱设计人员不能只关注静态方法的评价结果，而更应强调使用动态方式评价，以提高管柱安全性能评价的准确性。
3.2金属变形式转向管柱吸能性试验
此类转向机构是通过金属条变形来吸收碰撞能量的，转向管柱上下一体式，变形条装置与安装在管柱下端，上安装支架采用拉脱锁与防脱卡组合，既可实现溃缩吸能功能，又能保证行车的可靠性和安全性。
转当向管柱受到大负载冲击时，管柱上端从拉脱锁中脱离并沿轴向移动，管柱下端的变形装置产生碰撞变形并在滑槽内滑动，管柱的脱落和变形吸收大部分碰撞能量，从而降低驾驶员的伤害风险，保护驾驶员免受撞击伤害。
3.2.1动态试验
将转向管柱安装在刚性模拟台架上，人体上身模块以24.37 km/h的速度，水平撞击转向机构。
试验后管柱上端拉脱锁与管柱滑脱，管柱下端产生碰撞变形并产生滑动，整个管柱沿轴向溃缩了87mm，在撞击中很好的吸能效果，吸收了一定的冲击能量，降低对驾驶员的伤害程度。力由大到小的过程，管柱的变形滑动和脱落吸能效果在逐渐产生，整个撞击过程未产生特别大的瞬间突变，曲线变化较为舒缓，说明了管柱吸能效果非常明显，有效的减轻了驾驶员的伤害程度。整个碰撞过程中，人体模块与转向机构接触撞击的时间大约有90ms，水平方向的力值为5861.36N，远小于标准要求的11123N的规定值。
3.2.2静态试验
将管柱固定在台架上，以100mm/min的速度对管柱向下加载50mm，管柱溃缩行程中受
试验后管柱上端拉脱锁与管柱滑脱，管柱下端产生碰撞变形并产生滑动，管柱溃缩位移为50.02mm。静态时管柱开始溃缩时的力为4263N，而动态评价时管柱的水平撞击力为5861N，比较接近，而且从大量的试验数据显示：金属变形式转向管柱的吸能效果动态评价、静态评价结果相差不大，基本可以反映一定的接近规律，可以通过低成本的静态方法评价其吸能效果，进行优化设计和改进，最终使用动态方法真实评价，这对新产品开发时的成本、效率都一定的积极意义。
4 结论
本文针对摩擦吸能式、变形吸能式两种典型结构的吸能管柱，分别开展动态和静态试验，对两种吸能性评价方法进行对比，得出以下几点结论：
（1）对于管柱吸能效果的评价可以采用静态和动态两种方式进行，静态操作方便简单，成本低，而动态过程复杂，成本很高。动态评价方法更接近真实碰撞过程，而静态评价相当于简化碰撞过程，只考虑碰撞时沿管柱轴向的能量变化情况。
（2）静态评价结果与动态评价结果有一定的差距，同时根据大量的试验数据可以看出，对于摩擦吸能式管柱两者呈现出非明显的接近性，静态评价方法应考虑一定的安全系数，只能用作参考信息，建议采用动态方法直接评价；对于变形吸能式管柱，静态和动态方法有一定的接近规律性，这对产品优化改进过程有非常积极的意义。
分析表明：对于评价不同结构的吸能式转向管柱的吸能效果，要掌握好有效、低成本、快捷的评价方法，金属变形式转向管柱的吸能效果动态评价、静态评价有一定的接近规律，可以通过低成本的静态方法评价其吸能效果，进行优化设计和改进，最终使用动态方法真实验证，这对新产品开发时的成本、效率都一定的积极意义；但对于摩擦吸能式转向管柱，在选用静态和动态方法时要慎重，以提高管柱安全性能评价的准确性。
[关键词]转向管柱； 吸能 ； 评价
中图分类号： U 463. 46 文献标识码： B 文章编号：
1 概述
汽车转向机构对驾驶员伤害是汽车被动安全中的一个重要项目，一直以来，国内外强制性法规对汽车安全性提高起到了一定的推动作用，也在很大程度上促进了溃缩吸能式管柱的广泛应用。我们国家强制性标准GB 11557-2011参考ECE、EEC、FMVSS标准，对转向机构采取人体上身模块动态撞击试验来评价转向机构的吸能效果，与此同时，一些整车生产企业都积极开展管柱静态压溃试验，采用静态试验方法对转向管柱的吸能效果进行评价。
本文针对两种典型结构的吸能式转向管柱，分别开展动态试验和静态试验，测量转向管柱的溃缩行程、溃缩力或撞击力等参量，对转向管柱的吸能性进行评价，并对两种评价方法进行对比研究，得出了对转向管柱的吸能效果进行有效评价的最佳方法，为吸能性评价方法的改善、法规修订以及产品优化改进等方面提供了一定的借鉴。
2 汽车转向机构及其吸能性评价方法
2.1 汽车转向机构介绍
汽车转向机构的功用是将驾驶员转动转向盘的操作力矩传给转向器，从而驱动转向轮实现车辆转向。转向机构由转向盘、转向管柱、转向中间轴、转向器等部件组成。
转向盘主要由轮圈、轮辐和轮毂组成。转向管柱是用来连接转向盘和转向器，并将转向盘的转向转矩传给转向器。转向管柱安装在车身上，支承转向轴及转向盘，转向轴从转向管柱内穿过，靠转向管柱内的轴承和衬套支承。
现代汽车大多采用吸能式转向轴机构，除了能发挥汽车转向操纵功能外，在汽车发生正面碰撞时，能够以机械的方式有效地吸收碰撞能量，降低碰撞能量，减少转向机构对驾驶员的伤害，避免造成人身伤害。
2.2 转向管柱吸能性评价方法
2.2.1动态试验评价方法
根据GB 11557-2011《防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定》4.2条要求：人体模块以24.1 km/h—25.3 km/h的速度水平撞击转向盘时，作用在转向盘上的水平力不得大于11123N。试验时，转向操纵装置应安装在包括前排座椅区域在内的前半截车身内进行试验，将该车身刚性固定在试验台上，以避免人体模块撞击时移动。
2.2.2静态试验评价方法
将转向机构的上下安装支架固定在刚性试验台上，以防止其移动，用加载使能缸对转向管柱进行静态加载。
3 典型结构吸能管柱吸能性评价对比
针对摩擦吸能式、变形吸能式两种典型结构的吸能管柱，分别开展动态试验和静态试验，观察试验结果，分析试验数据，对两种评价方法进行对比研究。
3.1摩擦吸能式管柱吸能性试验
此类转向机构由上下两部分组成，上半部分装有左右两个吸能块，吸能块用螺栓和车身连接，并用一定的扭紧力矩将两部分通过打点接触摩擦组装在一起。
当管柱受到撞击时，上半部分左右两个吸能块会与管柱滑脱，而下半部分与车身连接固定不动，上半部分通过接触摩擦逐渐进入下半部分转向管柱，实现缓冲冲击，吸收能量，从而有效减轻驾驶员的受伤害程度。
3.1.1动态试验
将转向管柱安装在刚性模拟台架上，人体上身模块以24.21km/h的速度，水平撞击转向机构，采集试验原始数据。对原始数据进行CFC600滤波处理，计算出转向机构在水平方向对驾驶体胸部的撞击伤害指标。
试验后吸能块与管柱滑脱，管柱上半部分沿轴向溃缩了107mm，在撞击中很好的吸收了冲击能量，使驾驶员得到最大限度的保护，降低受伤害程度。
在不考虑驾驶员二次撞击的情况下，管柱从开始溃缩到溃缩完成，人体模块与转向机构接触撞击的时间大约有60ms，其间摩擦吸能块发挥作用，且管柱上、下部分之间产生溃缩位移，这些装置发挥了很好的吸能作用，降低了转向机构对人体的伤害，最终对人体胸部的伤害指标：水平方向撞击力值为7790.38N。
3.1.2静态试验
将转向管柱固定在台架上，以100mm/min的速度对管柱向下加载50mm。
试验后吸能块脱落，管柱溃缩行程中受到的最大力为3618.89N ，管柱上部位移49.8mm，静态时管柱开始溃缩时的力为3619N，而动态评价时管柱的水平撞击力为7790N，有一定的距离，而且我们从大量的试验数据显示：摩擦吸能式转向管柱的吸能效果动态评价、静态评价结果差异比较大，而且比较杂乱，没有明显的接近规律。因此，对于此种结构的管柱设计人员不能只关注静态方法的评价结果，而更应强调使用动态方式评价，以提高管柱安全性能评价的准确性。
3.2金属变形式转向管柱吸能性试验
此类转向机构是通过金属条变形来吸收碰撞能量的，转向管柱上下一体式，变形条装置与安装在管柱下端，上安装支架采用拉脱锁与防脱卡组合，既可实现溃缩吸能功能，又能保证行车的可靠性和安全性。
转当向管柱受到大负载冲击时，管柱上端从拉脱锁中脱离并沿轴向移动，管柱下端的变形装置产生碰撞变形并在滑槽内滑动，管柱的脱落和变形吸收大部分碰撞能量，从而降低驾驶员的伤害风险，保护驾驶员免受撞击伤害。
3.2.1动态试验
将转向管柱安装在刚性模拟台架上，人体上身模块以24.37 km/h的速度，水平撞击转向机构。
试验后管柱上端拉脱锁与管柱滑脱，管柱下端产生碰撞变形并产生滑动，整个管柱沿轴向溃缩了87mm，在撞击中很好的吸能效果，吸收了一定的冲击能量，降低对驾驶员的伤害程度。力由大到小的过程，管柱的变形滑动和脱落吸能效果在逐渐产生，整个撞击过程未产生特别大的瞬间突变，曲线变化较为舒缓，说明了管柱吸能效果非常明显，有效的减轻了驾驶员的伤害程度。整个碰撞过程中，人体模块与转向机构接触撞击的时间大约有90ms，水平方向的力值为5861.36N，远小于标准要求的11123N的规定值。
3.2.2静态试验
将管柱固定在台架上，以100mm/min的速度对管柱向下加载50mm，管柱溃缩行程中受
试验后管柱上端拉脱锁与管柱滑脱，管柱下端产生碰撞变形并产生滑动，管柱溃缩位移为50.02mm。静态时管柱开始溃缩时的力为4263N，而动态评价时管柱的水平撞击力为5861N，比较接近，而且从大量的试验数据显示：金属变形式转向管柱的吸能效果动态评价、静态评价结果相差不大，基本可以反映一定的接近规律，可以通过低成本的静态方法评价其吸能效果，进行优化设计和改进，最终使用动态方法真实评价，这对新产品开发时的成本、效率都一定的积极意义。
4 结论
本文针对摩擦吸能式、变形吸能式两种典型结构的吸能管柱，分别开展动态和静态试验，对两种吸能性评价方法进行对比，得出以下几点结论：
（1）对于管柱吸能效果的评价可以采用静态和动态两种方式进行，静态操作方便简单，成本低，而动态过程复杂，成本很高。动态评价方法更接近真实碰撞过程，而静态评价相当于简化碰撞过程，只考虑碰撞时沿管柱轴向的能量变化情况。
（2）静态评价结果与动态评价结果有一定的差距，同时根据大量的试验数据可以看出，对于摩擦吸能式管柱两者呈现出非明显的接近性，静态评价方法应考虑一定的安全系数，只能用作参考信息，建议采用动态方法直接评价；对于变形吸能式管柱，静态和动态方法有一定的接近规律性，这对产品优化改进过程有非常积极的意义。
分析表明：对于评价不同结构的吸能式转向管柱的吸能效果，要掌握好有效、低成本、快捷的评价方法，金属变形式转向管柱的吸能效果动态评价、静态评价有一定的接近规律，可以通过低成本的静态方法评价其吸能效果，进行优化设计和改进，最终使用动态方法真实验证，这对新产品开发时的成本、效率都一定的积极意义；但对于摩擦吸能式转向管柱，在选用静态和动态方法时要慎重，以提高管柱安全性能评价的准确性。