汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重要部件扭轉(zhuǎn)桿的可靠性研究

徐林林　劉堂勝（江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西　南昌　330013）

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汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重要部件扭轉(zhuǎn)桿的可靠性研究

徐林林劉堂勝
（江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌330013）

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）在汽車上應(yīng)用日益廣泛，其中連接方向盤和轉(zhuǎn)向齒條的扭轉(zhuǎn)桿是關(guān)鍵部件之一，其工作效果的好壞直接影響轉(zhuǎn)向助力的大小，對汽車安全造成直接影響?；诖耍骄科囯妱又D(zhuǎn)向系統(tǒng)重要部件扭轉(zhuǎn)桿的可靠性。

EPS扭轉(zhuǎn)桿；可靠性；失效

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（以下簡稱EPS）各個部件對行車的安全均有重要的作用，但發(fā)生故障的概率和造成的危害有所不同，在設(shè)計和使用中應(yīng)針對性地進行改進設(shè)計或維修保養(yǎng)。

扭轉(zhuǎn)桿是EPS中比較關(guān)鍵的傳動部件，不僅要將從方向盤傳遞過來的轉(zhuǎn)矩通過輸出軸傳遞到齒條，同時也是轉(zhuǎn)矩傳感器的組成部分。扭轉(zhuǎn)桿在實際使用中要受到扭轉(zhuǎn)載荷的作用，隨著使用時間的延長，會產(chǎn)生變形或磨損等故障，從而會使轉(zhuǎn)向助力發(fā)生錯誤。因此，在設(shè)計或使用中應(yīng)注意改進設(shè)計或注意維修保養(yǎng)。本文以某車型所用的EPS為例進行扭轉(zhuǎn)桿的可靠性設(shè)計。

1　扭轉(zhuǎn)桿可靠性設(shè)計

1.1扭轉(zhuǎn)桿的結(jié)構(gòu)

扭轉(zhuǎn)桿是EPS中的重要部件，扭轉(zhuǎn)桿的上端通過金屬銷與轉(zhuǎn)向輸入軸相連接，下端通過漸開線花鍵與轉(zhuǎn)向輸出軸相連接。同時，扭轉(zhuǎn)桿也是轉(zhuǎn)矩傳感器的重要組成部分。轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)子安裝在扭轉(zhuǎn)桿上，定子線圈受扭轉(zhuǎn)變形的影響，當扭轉(zhuǎn)桿變形時產(chǎn)生相位差，并轉(zhuǎn)換成電信號輸入EPS ECU。其在EPS上的安裝位置如圖1所示。

圖1　扭轉(zhuǎn)桿在EPS上的安裝位置圖

1.2扭轉(zhuǎn)桿的受力分析

當扭轉(zhuǎn)桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，其切應(yīng)力τ為：τ=16T/πd3

式中Sτ、ST分別為剪應(yīng)力τ和扭矩T的標準差。

1.3扭轉(zhuǎn)桿剛度設(shè)計分析

扭轉(zhuǎn)桿屬于傳動軸，只受扭矩的作用，應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強度和扭轉(zhuǎn)剛度進行設(shè)計［1］。傳動軸的扭轉(zhuǎn)剛度通常用扭轉(zhuǎn)角度來度量。在轉(zhuǎn)矩T的作用下，傳動軸的扭轉(zhuǎn)角為：

計算時因轉(zhuǎn)矩T，應(yīng)力τ，材料的強度及扭轉(zhuǎn)角均近似于正態(tài)分布，則可按以下聯(lián)接方程計算傳動軸的直徑：

式中［θ］為每米長的允許扭轉(zhuǎn)角，與軸使用場合有關(guān)，此處扭轉(zhuǎn)桿為細長彈性軸，可取［θ］=10。S［θ］為允許扭轉(zhuǎn)角的標準差，計算時可取為0［2］。

2　扭轉(zhuǎn)桿的可靠性設(shè)計計算

2.1轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的計算

根據(jù)機動車運行技術(shù)條件GB7258-2012，轉(zhuǎn)向盤操縱力在無助力時的范圍為：30～245N，該車型的方向盤直徑為Dh=360mm，則可算出作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩：

方向盤轉(zhuǎn)動時扭轉(zhuǎn)桿上下兩端受到的力不同（下端更大），但下端受到的轉(zhuǎn)動阻力矩隨路況、載荷變化而變化，不容易確定。故可以通過計算上端受到的轉(zhuǎn)矩來計算其可靠性是否合適，下端的直徑可以按規(guī)定增加。

2.2扭轉(zhuǎn)桿可靠度扭轉(zhuǎn)強度設(shè)計計算①給定可靠度R=0.9935。②求得F=1-R=0.0065。

③按F值查正態(tài)分布表，得zR=2.484。

④算出作用在扭轉(zhuǎn)桿上的扭矩及標準差為：

扭轉(zhuǎn)桿所用材料為40Cr，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，查找《機械工程手冊》［3］，可知抗拉輕度極限σB=980MPa，屈服極限σS= 780MPa，則其扭轉(zhuǎn)強度極限τ-1=235MPa。則可知其許用扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力及標準差為：

由于方向盤旋轉(zhuǎn)的頻率和轉(zhuǎn)速很慢，可以將扭轉(zhuǎn)桿以靜強度來計算。

⑤計算工作應(yīng)力：

式中α為偏差系數(shù)。

表1　半徑偏差α對可靠度的影響

從表1可以看出，在扭轉(zhuǎn)桿半徑一定的情況下，半徑α偏差越大，可靠度越低。

表2　剪切強度標準差Sτ對可靠度的影響

從表2可以看出，剪切強度標準差Sτ越大，扭轉(zhuǎn)桿的可靠度越低。

當α和Sτ具有前述給定值時，利用聯(lián)結(jié)方程可計算對可靠度的影響，結(jié)果如表3所示。

表3　平均半徑對可靠度的影響

表3　平均半徑對可靠度的影響

從表3可以看出，在半徑偏差α和剪切強度標準差Sτ一定的情況下，扭轉(zhuǎn)桿的半徑越大，可靠度越高。

實際測得扭轉(zhuǎn)桿中間部分的半徑r0=5.50mm，而求得的滿足此可靠度的半徑為r=4.93±0.15≤r0=5.50。因此，所研究的該EPS在考慮扭轉(zhuǎn)強度時其尺寸完全可以滿足可靠度要求。

由于扭轉(zhuǎn)桿與輸出軸之間以花鍵連接，考慮到存在應(yīng)力集中，則花鍵部分的直徑d0應(yīng)考慮增加約7%，以提高強度。同時，花鍵部分應(yīng)進行淬火處理，以提高抗疲勞能力。

2.3考慮扭轉(zhuǎn)桿剛度的設(shè)計①給定可靠度R=0.9935。②求得F=1-R=0.0065。

③按F值查正態(tài)分布表，得zR=2.484。

④作用在扭轉(zhuǎn)桿上的扭矩及標準差為：

⑤計算單位長度扭轉(zhuǎn)角度的均值及標準差：

⑥將給定的指標帶入聯(lián)結(jié)方程，則有

顯然，在僅考慮剛度的情況下，實際所用的扭轉(zhuǎn)桿可能無法滿足可靠度的要求，應(yīng)采取相應(yīng)的措施。提高扭轉(zhuǎn)桿剛度的方法有［4］：減少應(yīng)力集中；利用表面處理的方法；減小扭矩的標準差；采用合適的材料及工藝方法（如模鍛）；允許的情況下可適當增大扭轉(zhuǎn)桿的半徑。

3　結(jié)語

本文對某車型用EPS的重要部件扭轉(zhuǎn)桿進行了可靠性設(shè)計分析，分析了影響可靠性的各種因素，并提出了相應(yīng)的措施和建議，以期對設(shè)計和使用有一定的幫助作用。

［1］楊樹軍，陳俊杰，蔡軍.電動助力轉(zhuǎn)向扭桿剛度及可靠性分析［J］.拖拉機與農(nóng)用運輸車，2008（3）：32-34.

［2］張義民.汽車零部件可靠性設(shè)計［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2000.

［3］聞邦椿.機械設(shè)計手冊［M］.北京：北京機械工業(yè)出版，2010.

［4］周體明.可靠性研究在航空燃油系統(tǒng)的應(yīng)用［D］.成都：四川大學(xué)，2004.

Study on Reliability of Torsion Rod that an Important Part of the Automobile Electric Power Steering System

Xu LinlinLiu Tangsheng
（Jiangxi Vocational and Technical College of Communication，Nanchang Jiangxi 330013）

Electric power steering system （EPS）is widely applied in the car，Which connect the steering wheel and steering rack of torsion bar is one of the key components，The stand or fall of its work effect directly affects the size of the steering，having a direct effect on car safety.Based on this，the reliability of torsion rod is an important part of the automobile electric power steering system was studied.

EPS；torque rod；reliability；failure

U466

A

1003-5168（2016）04-0098-03

2016-03-11

徐林林（1982-），碩士，高職講師，研究方向：機械制造，模具。