電動助力轉(zhuǎn)向器軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

林晨

摘 要：為對電動助力轉(zhuǎn)向器軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，針對其工作特性，提出三種軸結(jié)構(gòu)，分別對其進(jìn)行三維建模，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果顯示，扁方四面軸結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度最高，即為最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向器;軸結(jié)構(gòu);有限元分析

中圖分類號：U463.43 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）04-84-03

Optimal Design of Electric Power Steering Shaft?Structure

Lin Chen

（Tianjin DECO Automotive Parts Co.， Ltd.，?Tianjin?300350）

Abstract：?For optimization design of electric power steering?shaft structure， in view of the shaft subassembly working characteristic， put forward three kinds of shaft structure， and three-dimensional modeling was carried out respectively，?then，?import?the model to?ANSYS Workbench software for finite element analysis， the analysis results show that flat square shaft structure has the highest strength， is the optimal structure.

Keywords： Electric power steering; Shaft structure; Finite element analysis

CLC NO.： U463.43 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）04-84-03

前言

相較于傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向器，電動助力轉(zhuǎn)向器由于其優(yōu)異的轉(zhuǎn)向特性、節(jié)能以及環(huán)保等特點^[1]而迅速獲得各大整車廠的青睞。

根據(jù)轉(zhuǎn)向助力的位置不同，電動助力轉(zhuǎn)向器（EPS）可分為管柱式（C-EPS）、小齒輪式（P-EPS）和齒條式（R-EPS）^[2][3]。不論哪種形式的電動助力轉(zhuǎn)向器，輸入輸出軸分總成都扮演著重要角色，無論是它為扭矩傳感器提供信號輸入，或是將電機(jī)輸出經(jīng)過減速增扭機(jī)構(gòu)傳遞給下級傳動，它都不可或缺。進(jìn)而，如何在保證軸總成作為傳感器信號輸入功能的同時，又能確保軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的問題值得我們深思。

因此，本文以齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向器為例，提出三種軸結(jié)構(gòu)，通過建模仿真，對比并分析其受力情況，從而尋求最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式。

1 電動助力轉(zhuǎn)向器軸結(jié)構(gòu)模型

1.1 電動助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)及原理

圖1為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，圖2為輸入輸出軸分總成的結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)駕駛員給方向盤一個力矩輸入，輸入軸和輸出軸會出現(xiàn)相對轉(zhuǎn)角，從而引發(fā)磁場變化，霍爾傳感器將變化的電信號輸出給控制單元，控制單元根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法計算出此時所需的助力電流，并驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩通過輸出軸上的蝸輪蝸桿傳動副減速增扭，繼而推動齒條實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力^[4]。

輸入軸和輸出軸的相對轉(zhuǎn)角是靠兩者的扁方結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，圖3為軸總成扁方處的截面圖。

1.2 軸結(jié)構(gòu)三維建模

本文以輸入軸和輸出軸相對角度為10度進(jìn)行三種軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計，由于兩者結(jié)構(gòu)相似，因此以更容易失效的輸入軸（在設(shè)計過程中，空間往往有限，本文以輸入軸外徑為22為例）為主要研究對象，三種結(jié)構(gòu)分別如圖4、圖5和圖6所示。

2 軸結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 有限元模型建立

本文利用Aysys軟件對不同的軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。將建立的三維模型導(dǎo)入Ansys Workbench，建立輸入軸有限元模型，該模型中，各部分材料賦值均為真實輸入軸材料值，如表1所示。

隨后，對導(dǎo)入的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。本文中，網(wǎng)格劃分采用整體四面體網(wǎng)格劃分，單元邊界長度為1mm，劃分結(jié)果如圖7所示。該有限元模型包含67075個節(jié)點，38930個網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分質(zhì)量0.73，結(jié)構(gòu)清晰，可以為進(jìn)一步力學(xué)特性分析提供合理的網(wǎng)格模型。

2.2 力學(xué)特性分析

2.2.1 邊界條件的確定

實際工作時，輸出軸通過齒條與車輪連接，極限狀態(tài)下，輸出軸可以看做固定狀態(tài)。而當(dāng)輸入軸輸入扭矩時，輸入軸扁方與輸出軸扁方接觸處承受該扭矩，因此在輸入軸輸入端創(chuàng)建扭矩，而在輸入軸扁方處施加固定約束，從而簡化計算。加載和約束示意圖如圖8所示。軸結(jié)構(gòu)需要承受的最大扭矩為196N.m，因此輸入軸創(chuàng)建扭矩值為196N.m。

2.2.2 求解

經(jīng)過solve模塊求解，再通過后處理器Results中查看應(yīng)力云圖。圖9為扁方兩面軸結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖，由圖可知，最大應(yīng)力位置在扁方根部，應(yīng)力值為742.6Mpa。

圖10為扁方三面軸結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖，由圖可知，最大應(yīng)力位置在扁方根部，應(yīng)力值為526.3Mpa。

圖11為扁方四面軸結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖，由圖可知，最大應(yīng)力位置在扁方根部，應(yīng)力值為443.7Mpa。

設(shè)屈服強(qiáng)度與最大應(yīng)力值的比值為安全系數(shù)，安全系數(shù)越大，說明軸的強(qiáng)度越高。綜上，不同扁方軸結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)如表2所示。

由上述分析可知，當(dāng)輸入軸直徑為定值，在確保作為傳感器部分所需轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的情況下，扁方四面軸結(jié)構(gòu)比扁方三面軸結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)高，扁方三面軸結(jié)構(gòu)比扁方兩面軸結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)高，因此，三種軸結(jié)構(gòu)中，扁方四面軸結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度最高，為最優(yōu)的軸結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

本文針對電動助力轉(zhuǎn)向器輸入輸出軸分總成的特性，以輸入軸為研究對象，設(shè)計了三種扁方結(jié)構(gòu)的軸結(jié)構(gòu)，基于有限元分析技術(shù)，對其進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果顯示，在三種結(jié)構(gòu)中，扁方四面軸結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度最高，當(dāng)承受196N.m轉(zhuǎn)矩時，最大應(yīng)力為443.7Mpa，安全系數(shù)為1.77，為最優(yōu)的軸結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

[1]?Masahiko Noguchi.Trends and Future Prospects Regarding Steering System Technology[J]. KOYO Engineering Journal， English Edition NO.159E，2001.

[2]?邵麗青.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].汽車與配件，2011（36） ： 19-21.

[3]?晉兵營，寧廣慶，施國標(biāo).汽車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2010，?37（1）：1-2.

[4]?劉德寶.齒條式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計與試驗研究[D].湖南大學(xué)， 2016.