電動助力轉向器軸結構優化設計

林晨

摘 要：為對電動助力轉向器軸結構進行優化設計，針對其工作特性，提出三種軸結構，分別對其進行三維建模，將模型導入ANSYS Workbench軟件中進行有限元分析，分析結果顯示，扁方四面軸結構的強度最高，即為最優結構。

關鍵詞：電動助力轉向器;軸結構;有限元分析

中圖分類號：U463.43 ?文獻標識碼：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

相較于傳統液壓助力轉向器，電動助力轉向器由于其優異的轉向特性、節能以及環保等特點^[1]而迅速獲得各大整車廠的青睞。

根據轉向助力的位置不同，電動助力轉向器（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，或是將電機輸出經過減速增扭機構傳遞給下級傳動，它都不可或缺。進而，如何在保證軸總成作為傳感器信號輸入功能的同時，又能確保軸結構強度的問題值得我們深思。

因此，本文以齒輪式電動助力轉向器為例，提出三種軸結構，通過建模仿真，對比并分析其受力情況，從而尋求最優結構形式。

1 電動助力轉向器軸結構模型

1.1 電動助力轉向器結構及原理

圖1為電動助力轉向系統的結構原理圖，圖2為輸入輸出軸分總成的結構圖。當駕駛員給方向盤一個力矩輸入，輸入軸和輸出軸會出現相對轉角，從而引發磁場變化，霍爾傳感器將變化的電信號輸出給控制單元，控制單元根據預設的控制算法計算出此時所需的助力電流，并驅動電機輸出轉矩，該轉矩通過輸出軸上的蝸輪蝸桿傳動副減速增扭，繼而推動齒條實現轉向助力^[4]。

輸入軸和輸出軸的相對轉角是靠兩者的扁方結構實現的，圖3為軸總成扁方處的截面圖。

1.2 軸結構三維建模

本文以輸入軸和輸出軸相對角度為10度進行三種軸結構的設計，由于兩者結構相似，因此以更容易失效的輸入軸（在設計過程中，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，三種結構分別如圖4、圖5和圖6所示。

2 軸結構有限元分析

2.1 有限元模型建立

本文利用Aysys軟件對不同的軸結構進行有限元分析。將建立的三維模型導入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，對導入的幾何模型進行網格的劃分。本文中，網格劃分采用整體四面體網格劃分，單元邊界長度為1mm，劃分結果如圖7所示。該有限元模型包含67075個節點，38930個網格，網格劃分質量0.73，結構清晰，可以為進一步力學特性分析提供合理的網格模型。

2.2 力學特性分析

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，極限狀態下，輸出軸可以看做固定狀態。而當輸入軸輸入扭矩時，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。軸結構需要承受的最大扭矩為196N.m，因此輸入軸創建扭矩值為196N.m。

2.2.2 求解

經過solve模塊求解，再通過后處理器Results中查看應力云圖。圖9為扁方兩面軸結構的應力分布圖，由圖可知，最大應力位置在扁方根部，應力值為742.6Mpa。

圖10為扁方三面軸結構的應力分布圖，由圖可知，最大應力位置在扁方根部，應力值為526.3Mpa。

圖11為扁方四面軸結構的應力分布圖，由圖可知，最大應力位置在扁方根部，應力值為443.7Mpa。

設屈服強度與最大應力值的比值為安全系數，安全系數越大，說明軸的強度越高。綜上，不同扁方軸結構的安全系數如表2所示。

由上述分析可知，當輸入軸直徑為定值，在確保作為傳感器部分所需轉角結構的情況下，扁方四面軸結構比扁方三面軸結構的安全系數高，扁方三面軸結構比扁方兩面軸結構的安全系數高，因此，三種軸結構中，扁方四面軸結構的強度最高，為最優的軸結構。

3 結論

本文針對電動助力轉向器輸入輸出軸分總成的特性，以輸入軸為研究對象，設計了三種扁方結構的軸結構，基于有限元分析技術，對其進行了仿真分析，結果顯示，在三種結構中，扁方四面軸結構的強度最高，當承受196N.m轉矩時，最大應力為443.7Mpa，安全系數為1.77，為最優的軸結構。

參考文獻

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[2]?邵麗青.電動助力轉向系統（EPS）的應用現狀及發展趨勢[J].汽車與配件，2011（36） ： 19-21.

[3]?晉兵營，寧廣慶，施國標.汽車電動轉向系統發展綜述[J].拖拉機與農用運輸車，2010，?37（1）：1-2.

[4]?劉德寶.齒條式電動助力轉向系統設計與試驗研究[D].湖南大學， 2016.