电动助力转向器轴结构优化设计

林晨

摘 要：为对电动助力转向器轴结构进行优化设计，针对其工作特性，提出三种轴结构，分别对其进行三维建模，将模型导入ANSYS Workbench软件中进行有限元分析，分析结果显示，扁方四面轴结构的强度最高，即为最优结构。

关键词：电动助力转向器;轴结构;有限元分析

中图分类号：U463.43  文献标识码：A  文章编号：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

相较于传统液压助力转向器，电动助力转向器由于其优异的转向特性、节能以及环保等特点^[1]而迅速获得各大整车厂的青睐。

根据转向助力的位置不同，电动助力转向器（EPS）可分为管柱式（C-EPS）、小齿轮式（P-EPS）和齿条式（R-EPS）^[2][3]。不论哪种形式的电动助力转向器，输入输出轴分总成都扮演着重要角色，无论是它为扭矩传感器提供信号输入，或是将电机输出经过减速增扭机构传递给下级传动，它都不可或缺。进而，如何在保证轴总成作为传感器信号输入功能的同时，又能确保轴结构强度的问题值得我们深思。

因此，本文以齿轮式电动助力转向器为例，提出三种轴结构，通过建模仿真，对比并分析其受力情况，从而寻求最優结构形式。

1 电动助力转向器轴结构模型

1.1 电动助力转向器结构及原理

图1为电动助力转向系统的结构原理图，图2为输入输出轴分总成的结构图。当驾驶员给方向盘一个力矩输入，输入轴和输出轴会出现相对转角，从而引发磁场变化，霍尔传感器将变化的电信号输出给控制单元，控制单元根据预设的控制算法计算出此时所需的助力电流，并驱动电机输出转矩，该转矩通过输出轴上的蜗轮蜗杆传动副减速增扭，继而推动齿条实现转向助力^[4]。

输入轴和输出轴的相对转角是靠两者的扁方结构实现的，图3为轴总成扁方处的截面图。

1.2 轴结构三维建模

本文以输入轴和输出轴相对角度为10度进行三种轴结构的设计，由于两者结构相似，因此以更容易失效的输入轴（在设计过程中，空间往往有限，本文以输入轴外径为22为例）为主要研究对象，三种结构分别如图4、图5和图6所示。

2 轴结构有限元分析

2.1 有限元模型建立

本文利用Aysys软件对不同的轴结构进行有限元分析。将建立的三维模型导入Ansys Workbench，建立输入轴有限元模型，该模型中，各部分材料赋值均为真实输入轴材料值，如表1所示。

随后，对导入的几何模型进行网格的划分。本文中，网格划分采用整体四面体网格划分，单元边界长度为1mm，划分结果如图7所示。该有限元模型包含67075个节点，38930个网格，网格划分质量0.73，结构清晰，可以为进一步力学特性分析提供合理的网格模型。

2.2 力学特性分析

2.2.1 边界条件的确定

实际工作时，输出轴通过齿条与车轮连接，极限状态下，输出轴可以看做固定状态。而当输入轴输入扭矩时，输入轴扁方与输出轴扁方接触处承受该扭矩，因此在输入轴输入端创建扭矩，而在输入轴扁方处施加固定约束，从而简化计算。加载和约束示意图如图8所示。轴结构需要承受的最大扭矩为196N.m，因此输入轴创建扭矩值为196N.m。

2.2.2 求解

经过solve模块求解，再通过后处理器Results中查看应力云图。图9为扁方两面轴结构的应力分布图，由图可知，最大应力位置在扁方根部，应力值为742.6Mpa。

图10为扁方三面轴结构的应力分布图，由图可知，最大应力位置在扁方根部，应力值为526.3Mpa。

图11为扁方四面轴结构的应力分布图，由图可知，最大应力位置在扁方根部，应力值为443.7Mpa。

设屈服强度与最大应力值的比值为安全系数，安全系数越大，说明轴的强度越高。综上，不同扁方轴结构的安全系数如表2所示。

由上述分析可知，当输入轴直径为定值，在确保作为传感器部分所需转角结构的情况下，扁方四面轴结构比扁方三面轴结构的安全系数高，扁方三面轴结构比扁方两面轴结构的安全系数高，因此，三种轴结构中，扁方四面轴结构的强度最高，为最优的轴结构。

3 结论

本文针对电动助力转向器输入输出轴分总成的特性，以输入轴为研究对象，设计了三种扁方结构的轴结构，基于有限元分析技术，对其进行了仿真分析，结果显示，在三种结构中，扁方四面轴结构的强度最高，当承受196N.m转矩时，最大应力为443.7Mpa，安全系数为1.77，为最优的轴结构。

参考文献

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

[2] 邵丽青.电动助力转向系统（EPS）的应用现状及发展趋势[J].汽车与配件，2011（36） ： 19-21.

[3] 晉兵营，宁广庆，施国标.汽车电动转向系统发展综述[J].拖拉机与农用运输车，2010， 37（1）：1-2.

[4] 刘德宝.齿条式电动助力转向系统设计与试验研究[D].湖南大学， 2016.