Auto Manufacture | 汽车制造循环球式电动助力转向器设计徐凯江苏罡阳转向系统有限公司 江苏泰州 225318摘要：该课题为汽车前轮转向系统的设计，以某公司自主研发的纯电动运输车为对象，进行循环球式电动助力转向器的设计，并通过有限元分析，建立循环球式电动助力转向器的模型，进行扭转变形分析。该课题首先对汽车转向系统进行概述，其次做设计前期数据准备，然后对循环球式电动助力转向器的主要零部件进行扭转变形分析，最后根据设计方案进行循环球式电动助力转向器的试制，并对该转向器进行台架试验，验证该转向器的性能。关键词：循环球；电助力；有限元分析；台架试验1988年，KOYO生产了一种管柱式电动助力转向系统（C-EPS），这种C-EPS将直流助力电动机与转向管柱进行一体化设计，电动机就安装在转向柱上，其后铃木首先在CERVO上成功应用该转向器。随后，富士重工、本田汽车、三菱汽车、日本大发、NSK株式会社、德国奔驰、德国ZF、西门子汽车、Delphi汽车系统、TRW和中国南方航空动力机械公司等各国研究机构以及大学也加入EPS的研究中来，电动助力转向系统进入了快速发展期，小齿轮式电动助力转向器、齿条助力式电动助力转向器等电动助力转向器纷纷面世。对比传统液压助力转向器，电动助力转向器具有环保、燃油经济、转向操控性好等优势，凭借其优异的性能，电动助力转向系统迅速在乘用车市场打开局面。随着新能源汽车的发展，目前，电动助力转向系统在全球市场需求占比已超过50%，中国EPS装车率也超过50%。随着时代的发展，中小型商用车对转向操控方面的要求也日益提高，开发出一款用于中型商用车的电动助力转向系统也被提上日程。课题来源于江苏罡阳转向系统有限公司，以市场上某电动运输车为对象，设计匹配一款适用于中型商用车的循环球式电动助力转向器，填补市场空白，为后续转向器的开发提供一定的思路。循环球式电动助力转向器简介1.结构循环球式电动助力转向器机械部分由输入轴、扭杆、蜗轮蜗杆副、螺杆螺母副、摇臂轴及转向摇臂等组成，电气部分由转矩传感器、助力电动机以及转向控制器组成，结构如图1所示。2.原理当驾驶者转动方向盘时，手力通过方向盘传递到输入轴上，输入轴转动，此时转矩传感器的定子和转子产生相对转角，形成主副电压差，产生电信号，转矩传感器通过电信号将相对转角输入给转向控制器，经过转向控制器运算处理后，给助力电动机传递一个相应的电信号，此时助力电动机输出转向助力，和手微信号 auto1950 / 2021年 第 4 期25Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.汽车制造 | Auto Manufacture力一起经过蜗轮蜗杆副、螺杆螺母副，放大后依次传递到摇臂轴和转向摇臂上，通过横拉杆最终输出给内球节，拉动车轮转动，如图2所示。转向器的总体设计1.课题研究对象以某公司生产的电动运输车为对象，进行循环球式电动助力转向器设计研究，其部分关键参数见表1。 表1 电动运输车部分参数项目车身长度/mm车身宽度/mm车身高度/mm前桥空载/kg前桥满载/kg轮胎气压/kPa参数599522003150180025006702.设计要求根据主机厂的输入，循环球式电动助力转向器的设计要求如下，见表2。表2 产品设计任务书项目总圈数、传动比起动转矩/N·m平均转矩/N·m转矩波动/N·m自由间隙/（°）输入输出特性吸收电流特性功能试验设计要求（5.2±0.2）圈，角传动比20.56≤8≤6≤2≤5特性曲线对称度≥90%特性曲线对称度≥90% 输出转矩1200N·m，转动过程中应平滑、无卡滞、无明显振动，在任意角度停下时转向器输出轴不应有惯性延时现象3.转向器设计图1 循环球式电动助力转向器结构由于公司转向器的电气部分为外购，所以公司仅进行设计选型，并且由于转向器部分设计参数涉及保密，因此本部分仅涉及基本设计计算。（1）传动效率η+ 计算公式为 η+=η1η2η3η4。 式中 η1——蜗轮蜗杆副的传动效率； η2——螺杆螺母副的传动效率； η3η4——轴承效率，一般为0.95～0.96。根据蜗轮蜗杆和螺杆螺母参数可得η+=74%。（2）最大转向阻力矩MR计算 汽车最大转向阻力矩在其原地转向时，根据0车速时转向阻力矩MR计算（1）图2 循环球式电动助力转向器工作原理262021年 第 4 期 / 微信号 auto1950Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved. Auto Manufacture | 汽车制造公式 MR=f（G3/p）0.5/3 G ——前桥满载载荷； P——轮胎满载时设定的胎压。经计算可得MR=1093.172N·m。（3）助力电动机转矩计算 根据电动机转矩MN的计算公式 MN=（MR-Mh）/i1i2η+ 式中 Mh——驾驶员最大输入力矩； I——传动比； η+——转向器的正效率。经计算可得MN=2.971N·m。根据上述计算，本课题选用电动机参数见表3。表3 直流无刷电动机参数电动机类型额定电压/V工作电压范围/V额定功率/W额定电流/A额定转速/（r/min）额定转矩/N·m最大转矩/N·m工作温度范围/℃直流无刷电动机13.59～16670851400～25004.75.2-40～+105材料名称表4 各零部件材料（2）零部件名称输入轴传感器安装轴螺杆轴摇臂轴材料40Cr40Cr20CrMnTi20CrMnTi式中 f——轮胎和道路路面之间的滑动摩擦系数；表5 材料性能40Cr7859802110.277320CrMnTi137015702060.297740（3）屈服强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/GPa泊松比密度/(kg/m)7870图3 转向器内部结构模型单且形状较为均匀，所以为提高计算速度，这里采用自由网格划分，网格划分如图4～图7所示。基于Ansys的转向器内部结构扭转分析1.基于Ansys的转向器内部结构模型设置根据上文可知，转向器内部承受转矩的主要零部件为输入轴、传感器安装轴、螺杆轴及摇臂轴，主要对这四部分进行变形分析。首先建立满足有限元分析的转向器内部零部件模型，然后输入有限元分析软件Ansys对其进行属性设置、网格划分、载荷设计及加载设置等一系列处理。各零部件材料见表4，材料性能见表5，内部结构模型如图3所示。在进行扭转变形分析时，将转向器内部结构模型这一整体分为个体进行分析，更加有益于判断各个零部件的变形情况，从而找出扭转变形最大的部分，判断其对转向器正常工作的影响。因此，这里对装配体进行拆分，得出各个零件的模型，分别导入Ansys中，并对其进行一系列前处理。由于零件单体结构较为简图6 螺杆轴网格划分 图7 摇臂轴网格划分 图4 输入轴网格划分 图5 传感器安装轴网格划分 2.扭转变形结果分析根据这4个零件的变形量分布，判断其是否满足设计要求。各零件分析结果见表6。微信号 auto1950 / 2021年 第 4 期27Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.汽车制造 | Auto Manufacture表6 各零件变形分布统计名称输入轴传感器安装轴螺杆轴摇臂轴最大变形/mm2.931 8e-31.021 7e-31.679 7e-20.176 68由表6可知，最大变形量为0.176 68mm，满足设计使用要求。总成台架试验1.总圈数、角传动比试验将总成安装于试验台架上，使输入轴从一个极限位置转到另一极限位置，记录输入转角、输出转角，计算得出角传动比。试验结果如图8所示，试验数据见表7。 带电不带电图9 空载转矩试验曲线表8 空载转矩试验数据 （单位：N·m）最大转矩6.11.1平均转矩3.820.79转矩波动2.61.1起动力矩1.220.96轴刚性固定，设定车速为0km/h，以20r/min的转速转动输入轴。试验结果如图10所示数据见表9。图8 总圈数、传动比试验曲线表7 总圈数、传动比试验数据输入轴总圈数5.21摇臂摆角/（°）90传动比20.69图10 输入输出特性试验曲线根据产品设计任务书 ，总圈数为（5.2±2）圈，样品满足设计要求。表9 输入输出特性试验数据车速/（km/h）0转矩对称度（%）91.8输入转矩差/N·m0.492.空载转动力矩试验将总成安装在试验台架上，系统正常工作，输入轴置于“0”位，输出轴悬空，测量总成在带电和不带电两种情况下的输入转矩。试验结果如图9所示，试验数据见表8。根据产品设计任务书，通电时最大转矩≤8N·m，平均转矩≤6N·m，转矩波动≤2N·m，样品满足设计要求。根据产品设计任务书 ，转矩对称度≥90%，样品满足设计要求。4.吸收电流特性试验将总成安装于试验台架上，系统正常工作，输出轴刚性固定，设定车速为0km/h，以20r/min的转速转动输入轴。试验结果如图11所示，试验数据见表10。根据产品设计任务书 ，电流对称度≥90%，样品满足设计要求。3.输入输出特性试验将总成安装于试验台架上，系统正常工作，输出282021年 第 4 期 / 微信号 auto1950Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved. Auto Manufacture | 汽车制造图11 吸收电流特性试验曲线图12 功能试验曲线表10 吸收电流特性试验数据车速/（km/h）电流对称度（%）输入转矩/ N·m098.543.5电流/A20.8表11 功能试验数据车速/（km/h）最大转矩/ N·m最小转矩/ N·m转矩波动/ N·m065.30.75.功能试验将总成安装在试验台架上，系统正常工作，输入轴处于与直线行驶位置，对摇臂轴施加载荷，车速为0Km/h。试验结果如图12所示，试验数据见表11。根据产品设计任务书 ，转动过程中应平滑、无卡滞、无明显振动，在任意角度停下时转向器输出轴不应有惯性延时现。由图12曲线可以看出，产品满足设计要求。通过Ansys对齐进行扭转变形试验分析，并借助总成试验台架对制作出来的样品进行了总圈数、角传动比试验、空载转动力矩试验、输入输出特性试验、输出电流特性试验和正向疲劳试验，验证了该款转向器的性能满足设计使用要求。循环球式电动助力转向器属于新型产品，在市场上并不成熟，本课题填补了市场空白，并对后续研究提供一定帮助。参考文献：[1] 张宋.电动助力转向控制策略及试验研究[D].长春：吉林大学，2012. 结语本课题来源于江苏罡阳转向系统有限公司，针对某款电动运输车进行电动循环球转向器的设计研究，（上接第24页）比亚迪新能源汽车2月销量为1.04万辆，相较2020年同期大幅增长269.43%；1—2月累计销量为3.05万辆，增长207.30%。比亚迪燃油汽车2月共销售新车1.06万辆，同比增长291.85%；1—2月累计销量为3.28万辆，增长58.14%。此外，比亚迪新能源汽车动力电池及储能电池装机总量约为1.354GW·h；1—2月累计装机总量约为3.108GW·h。 月出台的《商务部办公厅关于印发商务领域促进汽车消费工作指引和部分地方经验做法的通知》，对汽车消费也会带来利好作用。针对行业热点问题，工信部近期也正在组织行业力量共同化解芯片危机，逐步缓解“卡脖子”关键技术对行业的不利影响，由此判断未来汽车产业仍会保持稳中向好的发展态势。但我们也应注意到，我国经济的恢复仍然面临一些风险挑战，新冠肺炎疫情还在全球蔓延，世界经济形势严峻复杂，不稳定不确定因素还很多；国内经济恢复的基础尚不牢固，居民消费仍受制约，投资增长后劲不足，中小微企业和个体工商户困难较多，这些因素也将在一定程度上影响汽车市场的稳定恢复。结语展望未来，我国经济仍将持续稳定恢复，2021年的政府工作报告中提出GDP增长6%以上，明确了稳定增加汽车、家电等大宗消费的政策取向，同时2021年2微信号 auto1950 / 2021年 第 4 期29Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. 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