循環球式電動助力轉向器設計

江蘇罡陽轉向系統有限公司 江蘇泰州 225318

1988年，KOYO生產了一種管柱式電動助力轉向系統（C-EPS），這種C-EPS將直流助力電動機與轉向管柱進行一體化設計，電動機就安裝在轉向柱上，其后鈴木首先在CERVO上成功應用該轉向器。隨后，富士重工、本田汽車、三菱汽車、日本大發、NSK株式會社、德國奔馳、德國ZF、西門子汽車、Delphi汽車系統、TRW和中國南方航空動力機械公司等各國研究機構以及大學也加入EPS的研究中來，電動助力轉向系統進入了快速發展期，小齒輪式電動助力轉向器、齒條助力式電動助力轉向器等電動助力轉向器紛紛面世。

對比傳統液壓助力轉向器，電動助力轉向器具有環保、燃油經濟、轉向操控性好等優勢，憑借其優異的性能，電動助力轉向系統迅速在乘用車市場打開局面。隨著新能源汽車的發展，目前，電動助力轉向系統在全球市場需求占比已超過50%，中國EPS裝車率也超過50%。隨著時代的發展，中小型商用車對轉向操控方面的要求也日益提高，開發出一款用于中型商用車的電動助力轉向系統也被提上日程。課題來源于江蘇罡陽轉向系統有限公司，以市場上某電動運輸車為對象，設計匹配一款適用于中型商用車的循環球式電動助力轉向器，填補市場空白，為后續轉向器的開發提供一定的思路。

循環球式電動助力轉向器簡介

1.結構

循環球式電動助力轉向器機械部分由輸入軸、扭桿、蝸輪蝸桿副、螺桿螺母副、搖臂軸及轉向搖臂等組成，電氣部分由轉矩傳感器、助力電動機以及轉向控制器組成，結構如圖1所示。

2.原理

當駕駛者轉動方向盤時，手力通過方向盤傳遞到輸入軸上，輸入軸轉動，此時轉矩傳感器的定子和轉子產生相對轉角，形成主副電壓差，產生電信號，轉矩傳感器通過電信號將相對轉角輸入給轉向控制器，經過轉向控制器運算處理后，給助力電動機傳遞一個相應的電信號，此時助力電動機輸出轉向助力，和手力一起經過蝸輪蝸桿副、螺桿螺母副，放大后依次傳遞到搖臂軸和轉向搖臂上，通過橫拉桿最終輸出給內球節，拉動車輪轉動，如圖2所示。

圖1 循環球式電動助力轉向器結構

圖2 循環球式電動助力轉向器工作原理

轉向器的總體設計

1.課題研究對象

以某公司生產的電動運輸車為對象，進行循環球式電動助力轉向器設計研究，其部分關鍵參數見表1。

表1 電動運輸車部分參數

2.設計要求

根據主機廠的輸入，循環球式電動助力轉向器的設計要求如下，見表2。

表2 產品設計任務書

3.轉向器設計

由于公司轉向器的電氣部分為外購，所以公司僅進行設計選型，并且由于轉向器部分設計參數涉及保密，因此本部分僅涉及基本設計計算。

（1）傳動效率η+計算公式為

式中η1——蝸輪蝸桿副的傳動效率；

η2——螺桿螺母副的傳動效率；

η3η4——軸承效率，一般為0.95～0.96。

根據蝸輪蝸桿和螺桿螺母參數可得η+=74%。

（2）最大轉向阻力矩MR計算 汽車最大轉向阻力矩在其原地轉向時，根據0車速時轉向阻力矩MR計算公式

式中f——輪胎和道路路面之間的滑動摩擦系數；

G——前橋滿載載荷；

P——輪胎滿載時設定的胎壓。

經計算可得MR=1093.172N·m。

（3）助力電動機轉矩計算 根據電動機轉矩MN的計算公式

式中Mh——駕駛員最大輸入力矩；

I——傳動比；

η+——轉向器的正效率。

經計算可得MN=2.971N·m。

根據上述計算，本課題選用電動機參數見表3。

表3 直流無刷電動機參數

基于Ansys的轉向器內部結構扭轉分析

1.基于Ansys的轉向器內部結構模型設置

根據上文可知，轉向器內部承受轉矩的主要零部件為輸入軸、傳感器安裝軸、螺桿軸及搖臂軸，主要對這四部分進行變形分析。首先建立滿足有限元分析的轉向器內部零部件模型，然后輸入有限元分析軟件Ansys對其進行屬性設置、網格劃分、載荷設計及加載設置等一系列處理。各零部件材料見表4，材料性能見表5，內部結構模型如圖3所示。

在進行扭轉變形分析時，將轉向器內部結構模型這一整體分為個體進行分析，更加有益于判斷各個零部件的變形情況，從而找出扭轉變形最大的部分，判斷其對轉向器正常工作的影響。因此，這里對裝配體進行拆分，得出各個零件的模型，分別導入Ansys中，并對其進行一系列前處理。由于零件單體結構較為簡單且形狀較為均勻，所以為提高計算速度，這里采用自由網格劃分，網格劃分如圖4～圖7所示。

表4 各零部件材料

表5 材料性能

圖3 轉向器內部結構模型

圖4 輸入軸網格劃分

圖5 傳感器安裝軸網格劃分

圖6 螺桿軸網格劃分

圖7 搖臂軸網格劃分

2.扭轉變形結果分析

根據這4個零件的變形量分布，判斷其是否滿足設計要求。各零件分析結果見表6。

表6 各零件變形分布統計

由表6可知，最大變形量為0.17668mm，滿足設計使用要求。

總成臺架試驗

1.總圈數、角傳動比試驗

將總成安裝于試驗臺架上，使輸入軸從一個極限位置轉到另一極限位置，記錄輸入轉角、輸出轉角，計算得出角傳動比。試驗結果如圖8所示，試驗數據見表7。

圖8 總圈數、傳動比試驗曲線

表7 總圈數、傳動比試驗數據

根據產品設計任務書，總圈數為（5.2±2）圈，樣品滿足設計要求。

2.空載轉動力矩試驗

將總成安裝在試驗臺架上，系統正常工作，輸入軸置于“0”位，輸出軸懸空，測量總成在帶電和不帶電兩種情況下的輸入轉矩。試驗結果如圖9所示，試驗數據見表8。

根據產品設計任務書，通電時最大轉矩≤8N·m，平均轉矩≤6N·m，轉矩波動≤2N·m，樣品滿足設計要求。

3.輸入輸出特性試驗

圖9 空載轉矩試驗曲線

表8 空載轉矩試驗數據 （單位：N·m）

將總成安裝于試驗臺架上，系統正常工作，輸出軸剛性固定，設定車速為0km/h，以20r/min的轉速轉動輸入軸。試驗結果如圖10所示數據見表9。

圖10 輸入輸出特性試驗曲線

表9 輸入輸出特性試驗數據

根據產品設計任務書，轉矩對稱度≥90%，樣品滿足設計要求。

4.吸收電流特性試驗

將總成安裝于試驗臺架上，系統正常工作，輸出軸剛性固定，設定車速為0km/h，以20r/min的轉速轉動輸入軸。試驗結果如圖11所示，試驗數據見表10。

根據產品設計任務書，電流對稱度≥90%，樣品滿足設計要求。

圖11 吸收電流特性試驗曲線

表10 吸收電流特性試驗數據

5.功能試驗

將總成安裝在試驗臺架上，系統正常工作，輸入軸處于與直線行駛位置，對搖臂軸施加載荷，車速為0Km/h。試驗結果如圖12所示，試驗數據見表11。

根據產品設計任務書，轉動過程中應平滑、無卡滯、無明顯振動，在任意角度停下時轉向器輸出軸不應有慣性延時現。由圖12曲線可以看出，產品滿足設計要求。

結語

本課題來源于江蘇罡陽轉向系統有限公司，針對某款電動運輸車進行電動循環球轉向器的設計研究，通過Ansys對齊進行扭轉變形試驗分析，并借助總成試驗臺架對制作出來的樣品進行了總圈數、角傳動比試驗、空載轉動力矩試驗、輸入輸出特性試驗、輸出電流特性試驗和正向疲勞試驗，驗證了該款轉向器的性能滿足設計使用要求。循環球式電動助力轉向器屬于新型產品，在市場上并不成熟，本課題填補了市場空白，并對后續研究提供一定幫助。

圖12 功能試驗曲線

表11 功能試驗數據