汽車電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)汽車安全造成直接影響。基于此，探究汽車電動(dòng)助力轉(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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱EPS）各個(gè)部件對(duì)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(jì)和使用中應(yīng)針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)或維修保養(yǎng)。

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

1　扭轉(zhuǎn)桿可靠性設(shè)計(jì)

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(guò)金屬銷與轉(zhuǎn)向輸入軸相連接，下端通過(guò)漸開(kāi)線花鍵與轉(zhuǎn)向輸出軸相連接。同時(shí)，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(dāng)扭轉(zhuǎn)桿變形時(shí)產(chǎn)生相位差，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)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(dāng)扭轉(zhuǎn)桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)差。

1.3扭轉(zhuǎn)桿剛度設(shè)計(jì)分析

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

計(jì)算時(shí)因轉(zhuǎn)矩T，應(yīng)力τ，材料的強(qiáng)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(jì)算傳動(dòng)軸的直徑：

式中［θ］為每米長(zhǎng)的允許扭轉(zhuǎn)角，與軸使用場(chǎng)合有關(guān)，此處扭轉(zhuǎn)桿為細(xì)長(zhǎng)彈性軸，可?。郐龋?10。S［θ］為允許扭轉(zhuǎn)角的標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算時(shí)可取為0［2］。

2　扭轉(zhuǎn)桿的可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

根據(jù)機(jī)動(dòng)車運(yùn)行技術(shù)條件GB7258-2012，轉(zhuǎn)向盤操縱力在無(wú)助力時(shí)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(dòng)時(shí)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(dòng)阻力矩隨路況、載荷變化而變化，不容易確定。故可以通過(guò)計(jì)算上端受到的轉(zhuǎn)矩來(lái)計(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)差為：

扭轉(zhuǎn)桿所用材料為40Cr，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，查找《機(jī)械工程手冊(cè)》［3］，可知抗拉輕度極限σB=980MPa，屈服極限σS= 780MPa，則其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限τ-1=235MPa。則可知其許用扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力及標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度來(lái)計(jì)算。

⑤計(jì)算工作應(yīng)力：

式中α為偏差系數(shù)。

表1　半徑偏差α對(duì)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差Sτ對(duì)可靠度的影響

從表2可以看出，剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差Sτ越大，扭轉(zhuǎn)桿的可靠度越低。

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

表3　平均半徑對(duì)可靠度的影響

表3　平均半徑對(duì)可靠度的影響

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

實(shí)際測(cè)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(qiáng)度時(shí)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(qiáng)度。同時(shí)，花鍵部分應(yīng)進(jìn)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)差為：

⑤計(jì)算單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角度的均值及標(biāo)準(zhǔn)差：

⑥將給定的指標(biāo)帶入聯(lián)結(jié)方程，則有

顯然，在僅考慮剛度的情況下，實(shí)際所用的扭轉(zhuǎn)桿可能無(wú)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)增大扭轉(zhuǎn)桿的半徑。

3　結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某車型用EPS的重要部件扭轉(zhuǎn)桿進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)和使用有一定的幫助作用。

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

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

［3］聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：北京機(jī)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(jī)械制造，模具。