引言

方向盘是轿车的关重零部件，是主动安全研究的内容之一。在设计和制造的过程中要保证方向盘的刚度和强度，而且更要保证在使用的过程中，当汽车发生碰撞时，驾驶人员的胸膛冲击方向盘，方向盘给人的反力不能超出规定的数值。如果冲击的反力大于了规定的数值，将给驾驶者留下安全隐患，因此在汽车开发的过程中必须对方向盘的刚度、强度及轮辐静载荷反力进行分析。

在本文中，将结合实际的轿车方向盘开发，根据几何模型建立有限元模型，根据轮辐静载荷反力试验情况进行约束和加载。在分析中将考虑材料非线性和几何非线性。最后根据分析和试验的情况进行对标。

轮辐静载荷试验简介

如图 1 所示为轮辐静载荷试验的台架安装。用刚性夹具将方向盘固定在装车状态，用刚性夹具固定 12 点处载荷方向上的位移，用压力机在 6 点辐条处施加规定强制位移，在加载的时候沿载荷方向慢慢加载，保证准静态的效果。用仪器记录位移与压力的关系曲线。

图 1 轮辐静载荷试验装置

分析模型

有限元模型

为了和轮辐静态载荷台架试验进行对比，模型只选取方向盘进行建模，如图 2 所示，模型中共 483842 个单元、122158 个节点，单元的类型为四面体（C3D4）单元。

图 2 方向盘轮辐反力分析有限元模型

材料参数

本文分析涉及到塑性，因此将考虑材料非线性和几何非线性，所以除给出材料的弹性模量和泊松比外，还给出了材料发生塑性后应力－应变强化曲线。

边界条件和载荷情况

如图 3 所示，根据试验的约束和加载，给出分析的边界条件和载荷情况。约束花键中心的全部自由度，约束12 点处的 1 方向平动自由度，在 6 点辐条处沿 X 负向加载规定的强制位移。

图 3 方向盘轮辐反力分析边界条件

计算结果

按照图 3 所描述的边界条件进行计算，仿真分析的加载位移与反力曲线关系如图 4 所示，当强制位移加载结束时反力达到最大值，最大值为 1854.53N，小于规定的最大值。图 5 为轮辐静载荷台架试验的位移与压力曲线，当强制位移加载完成时压力值为 1800N 左右。从两幅图的位移与压力关系曲线可以看出，仿真结果与试验结果吻合得较好。

图 4 仿真的反力与位移曲线

图 5 试验的压力与位移曲线

本文运用 Abaqus 对方向盘进行轮辐静载荷试验仿真，得到位移与反力的曲线。分析得到的曲线与试验的曲线对标，吻合得较好。成功解决了方向盘轮辐反力要求，节约了开发时间同时节省了开发费用。

资料来源：达索官方