循環(huán)球式電動助力轉(zhuǎn)向器的參數(shù)化設(shè)計(jì)

廣 廓，林慕義，童 亮

（北京信息科技大學(xué)，北京 100192）

0 引言

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering, EPS）與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，具有助力特性可調(diào)、節(jié)能環(huán)保以及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于轎車上[1～3]。相比轎車，由于載貨汽車具有總質(zhì)量大、質(zhì)心高、轉(zhuǎn)向橋載荷大以及工作條件惡劣等特點(diǎn)，其EPS多采用能夠承載更大扭矩且傳動效率更高的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器來執(zhí)行轉(zhuǎn)向操作[4,5]。因此需根據(jù)載貨汽車的特點(diǎn)對轉(zhuǎn)向器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

轉(zhuǎn)向器作為EPS的執(zhí)行部件，是決定車輛安全性能的關(guān)鍵，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到人身和財(cái)產(chǎn)的安全。在轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)過程中采用參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，不僅能夠加快產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約成本，還能通過精確的分析與模擬保障轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量，將設(shè)計(jì)缺陷降到最低。目前，在國內(nèi)，參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)已應(yīng)用到齒輪齒條式EPS轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)中[6]，而循環(huán)球式EPS轉(zhuǎn)向器參數(shù)化設(shè)計(jì)的相關(guān)研究還處于起步階段[7]。

因此，本文利用CATIA軟件對循環(huán)球式EPS轉(zhuǎn)向器進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。首先以轉(zhuǎn)向器關(guān)鍵零件轉(zhuǎn)向搖臂軸為例，介紹參數(shù)化設(shè)計(jì)的步驟，然后，將參數(shù)化設(shè)計(jì)后的各零件根據(jù)轉(zhuǎn)向器的裝配關(guān)系進(jìn)行虛擬裝配設(shè)計(jì)，最后，通過干涉檢測以及參數(shù)驅(qū)動下的自動更新進(jìn)行零件模型修正，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

1 目標(biāo)車輛參數(shù)

依據(jù)某汽車配件公司委托，以某輕型載貨汽車為目標(biāo)車輛，對循環(huán)球式電動助力轉(zhuǎn)向器進(jìn)行開發(fā)研究。目標(biāo)車輛參數(shù)如表1所示，前軸載荷根據(jù)此表取為20250N。

表1 輕型載貨汽車參數(shù)

2 轉(zhuǎn)向器的參數(shù)化設(shè)計(jì)

循環(huán)球式EPS轉(zhuǎn)向器是由轉(zhuǎn)向輸入軸、渦輪、蝸桿、轉(zhuǎn)向螺桿、螺母、轉(zhuǎn)向搖臂軸、減速器殼體、轉(zhuǎn)向殼體等多個(gè)零件構(gòu)成，想要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器的參數(shù)化設(shè)計(jì)，必須先根據(jù)目標(biāo)車輛的特性對各個(gè)零件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，將參數(shù)變量與Excel表格關(guān)聯(lián)，然后再對零件進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，添加必要的約束，最后進(jìn)行干涉檢查與分析，在Excel表格中修正干涉零件的設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得理想轉(zhuǎn)向器參數(shù)化模型。

對于零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)，主要由四部分構(gòu)成：對零件進(jìn)行參數(shù)化建模分析、確定零件的參數(shù)化建模方法、參數(shù)化建模的實(shí)現(xiàn)以及參數(shù)變量與Excel表格的關(guān)聯(lián)。由于轉(zhuǎn)向搖臂軸是轉(zhuǎn)向器的關(guān)鍵傳動零件且軸上齒扇齒形為變齒厚，設(shè)計(jì)制造的難度較大，因此，本文以轉(zhuǎn)向搖臂軸為例，對其參數(shù)化設(shè)計(jì)過程進(jìn)行介紹。

2.1 轉(zhuǎn)向器關(guān)鍵零件參數(shù)化設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向搖臂軸是循環(huán)球式EPS中重要的傳動零件，也是轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)操縱“輕”，直行時(shí)操縱“靈”，轉(zhuǎn)向器采用變速比傳動設(shè)計(jì)，因此，搖臂軸上的齒扇選用變齒厚齒形。

2.1.1 轉(zhuǎn)向搖臂軸齒扇基本參數(shù)

齒扇的基本參數(shù)變量有齒扇模數(shù)、整圓齒數(shù)、齒扇壓力角、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)、齒扇寬以及變位系數(shù)。分析目標(biāo)車型參數(shù)特征，初步確定這些參數(shù)變量的數(shù)值。根據(jù)變速比循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)方法[8～10]，在CATIA中利用Formula命令建立參數(shù)變量與其他設(shè)計(jì)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式，可以確定分度圓半徑、齒頂圓半徑、齒根圓半徑、基圓半徑等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)齒扇的繪制。通過以上方法獲得的轉(zhuǎn)向搖臂軸齒扇的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)向搖臂軸齒扇的設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1.2 齒扇齒廓漸開線的繪制

在CATIA中，利用Law(fog)命令建立參數(shù)化漸開線方程，從而獲得漸開線上的一系列連續(xù)的點(diǎn)，之后通過樣條曲線工具進(jìn)行連接擬合成漸開線，從而得到光滑的齒廓曲線。漸開線的直角坐標(biāo)方程為：

式中：rb為基圓半徑，由齒扇模數(shù)、整圓齒數(shù)z以及齒扇壓力角a求得；為CATIA系統(tǒng)參數(shù)，其取值為[0,1][11]。

2.1.3 轉(zhuǎn)向搖臂軸的參數(shù)化建模

在創(chuàng)成式設(shè)計(jì)模塊下，根據(jù)齒扇的主要參數(shù)分別繪制齒根圓、分度圓、外形圓，通過倒圓角、對稱以及修剪命令進(jìn)行特征修改，得到齒槽截面輪廓圖，如圖1所示。切換到機(jī)械零件設(shè)計(jì)模塊下，選取垂直于齒槽截面的平面，繪制齒扇截面草圖，通過旋轉(zhuǎn)命令得到齒扇毛坯。根據(jù)變齒厚齒輪的特征，繪制一條切削引導(dǎo)線，繪制時(shí)調(diào)用Formula(f(x))命令計(jì)算出的切削角，使得所繪制的引導(dǎo)線與軸線的夾角角度為切削角。選取齒槽截面圖為輪廓截面，并選取切削引導(dǎo)線，通過掃描切除命令，得到一個(gè)齒槽，采用陣列命令陣列齒槽得到齒扇如圖2所示。

圖1 齒槽截面輪廓圖

圖2 齒扇模型

轉(zhuǎn)向搖臂軸為直軸類零件，其結(jié)構(gòu)是軸對稱，切除-掃描法生成三角花鍵和緊固螺紋，并對過渡部分進(jìn)行圓角處理，相對齒扇結(jié)構(gòu)簡單，具體的建模過程不作詳細(xì)敘述，最終的建好的模型如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向搖臂模型

2.1.4 參數(shù)變量與EXCEL表格的關(guān)聯(lián)

建立Excel表格，輸入表1中的齒扇模數(shù)、整圓齒數(shù)、齒扇壓力角、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)、齒扇寬以及變位系數(shù)的變量名稱和對應(yīng)設(shè)計(jì)值，通過Design table命令將Excel表格中的變量與CATIA中的相關(guān)聯(lián)。當(dāng)需要修改以上任意參數(shù)時(shí)，只需要通過編輯Excel里的參數(shù)設(shè)計(jì)值并保存即可實(shí)現(xiàn)，同時(shí)CATIA模型的也會自動更新，從而方便快捷地獲得新參數(shù)下的模型。

2.2 轉(zhuǎn)向器其他零件參數(shù)化設(shè)計(jì)

在CATIA軟件的環(huán)境下，進(jìn)入零件設(shè)計(jì)模塊，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)置參數(shù)變量并建立函數(shù)關(guān)系式，采用轉(zhuǎn)向搖臂軸的設(shè)計(jì)方法，分別對轉(zhuǎn)向器殼體、轉(zhuǎn)向器搖臂軸端蓋、減速器殼體、減速器殼體端蓋、轉(zhuǎn)向螺桿、螺母、扭桿、轉(zhuǎn)向輸入軸、蝸輪、蝸桿、油塞等其他零件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2.3 轉(zhuǎn)向器的虛擬裝配設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向器虛擬裝配設(shè)計(jì)是按照各零件之間的裝配條件和配合關(guān)系，如圖4所示，加入必要的約束條件，通過軟件自動識別這些約束條件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器各零件的自動裝配[12]。通過對循環(huán)球式EPS轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各零件之間的裝配關(guān)系進(jìn)行深入的分析。在CATIA的Assemble Design模塊下，將上述所建立的零件插入到裝配體中，采用混合式的裝配設(shè)計(jì)方法，在相應(yīng)零件上添加相合約束以及偏移約束等必要的裝配約束，創(chuàng)建螺母螺桿組件和蝸輪蝸桿組件并分別將其裝入轉(zhuǎn)向器殼體以及減速器殼體中，將減速器殼體與轉(zhuǎn)向器殼體對接，把轉(zhuǎn)向搖臂軸裝入轉(zhuǎn)向殼體，將端蓋等剩余零件裝在轉(zhuǎn)向器殼體以及減速器殼體上，最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器的總體裝配，獲得循環(huán)球式EPS轉(zhuǎn)向器的裝配模型。

圖4 轉(zhuǎn)向器裝配關(guān)系圖

3 干涉分析與檢查

干涉分析與檢查是保證虛擬裝配設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是修正轉(zhuǎn)向器參數(shù)化設(shè)計(jì)缺陷的必要反饋。通過干涉分析與檢查，可以了解在裝配后的轉(zhuǎn)向器中，各零件之間的關(guān)系是碰撞、接觸還是間隙等，獲得對應(yīng)關(guān)系下的特征與特性。根據(jù)分析與檢查結(jié)果，通過修改Excel表格中的參數(shù)變量，進(jìn)行裝配調(diào)整以及模型參數(shù)修正，實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動模型自動更新，最終獲得理想的轉(zhuǎn)向器參數(shù)化設(shè)計(jì)裝配模型

通過對循環(huán)球式EPS轉(zhuǎn)向器的裝配整體進(jìn)行干涉分析與檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向搖臂齒扇與轉(zhuǎn)向螺母以及渦輪與蝸桿之間產(chǎn)生了干涉現(xiàn)象。對檢查結(jié)果進(jìn)行分析后，得出干涉現(xiàn)象的主要原因是裝配間隙過小以及設(shè)計(jì)參數(shù)不合理。通過對裝配約束以及設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正，利用干涉分析與檢查后，未發(fā)現(xiàn)各零件出現(xiàn)干涉，驗(yàn)證了虛擬裝配設(shè)計(jì)正確性，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向器的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)裝配過程中。經(jīng)過干涉分析與檢查之后，通過渲染處理，最終得到的循環(huán)球式EPS轉(zhuǎn)向器如圖5所示。

4 結(jié)論

圖5 轉(zhuǎn)向器參數(shù)化設(shè)計(jì)裝配模型

采用CATIA V5對循環(huán)球電動助力轉(zhuǎn)向器進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，利用參數(shù)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)了零件模型的自動更新，大幅提高建模速度，節(jié)省重復(fù)建模時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率，對操作人員要求較低。

通過對轉(zhuǎn)向器零件進(jìn)行了虛擬裝配和干涉分析與檢查，修正模型設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各傳動副嚙合良好，無干涉，達(dá)到了參數(shù)化設(shè)計(jì)的目的。為循環(huán)球式電動助力轉(zhuǎn)向器的系列化設(shè)計(jì)與制造以及后續(xù)的動力學(xué)仿真分析提供理論基礎(chǔ)。

[1]唐新蓬,周垚.輕型載貨車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真模型與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].汽車工程,2008,10:898-904.

[2]劉振博,林慕義,童亮,盧鐵軍.無刷直流電機(jī)循環(huán)球式助力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2013,06:853-856.

[3]苑志超,蘇保照.輕中型商用車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機(jī)械,2008,08:15-16,80.

[4]Jin Bingying,Lin Yi,Shi Guobiao.Modeling and control strategy of assist characteristic of recirculating-ball EPS system for bus[J].Nongye Jixie Xuebao/Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery,2008,7(36):36-41.

[5]Zhao Wan-Zhong,Shi Guo-Biao,Lin Yi,Jin Bing-Ying.A study on the control strategy of power characteristics of recirculating ball-type electrical power steering system[J].Beijing Ligong Daxue Xuebao/Transaction of Beijing Institute of Technology,2008,8(28):702-705,736.

[6]楊建宇.汽車電動助力轉(zhuǎn)向器三維參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].四川大學(xué),2005.

[7]王亞,林慕義,廣闊.輕型貨車循環(huán)球電動助力轉(zhuǎn)向器建模分析[J].機(jī)械工程與自動化,2014,04:16-18.

[8]徐敬善.變速比循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)[J].汽車技術(shù),1986,08:17-24.

[9]賈巨民,吳宏基,劉健,唐天元,秦家琦.變速比循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的嚙合原理[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),1994,03:312-317.

[10]陳錫棟,張振林.可變角傳動比汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)[J].天津理工學(xué)院學(xué)報(bào),1996,03:70-75.

[11]何耀華,肖澤艷.基于CATIA的轎車差速器直齒圓錐齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,04:43-46.

[12]王國營.汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器參數(shù)化設(shè)計(jì)分析與研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué),2013.