輕型貨車循環(huán)球電動助力轉(zhuǎn)向器建模分析?

王 亞，林慕義，廣 闊

（北京信息科技大學(xué) 機電學(xué)院，北京 100192）

0 引言

電動助力轉(zhuǎn)向器（EPS）具有優(yōu)良的操縱穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便性以及節(jié)能、清潔等優(yōu)點，在小排量輕型轎車上得到了廣泛的應(yīng)用［1，2］。目前，循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器逐漸應(yīng)用在不同類型貨車、軍用車輛上，具有廣闊的前景。然而，轉(zhuǎn)向器是根據(jù)設(shè)計手冊、經(jīng)驗公式、試驗進(jìn)行設(shè)計并進(jìn)行強度校核和可靠性分析的，這種傳統(tǒng)的設(shè)計方法周期長、效率低、費用高，而且也不能滿足汽車零部件輕量化設(shè)計的要求［3］。為解決傳統(tǒng)設(shè)計方法在循環(huán)球電動助力轉(zhuǎn)向器設(shè)計中的不足［4］，本文采用虛擬樣機Virtual.Lab軟件，建立循環(huán)球轉(zhuǎn)向器詳細(xì)的實體模型，進(jìn)行虛擬裝配，并進(jìn)行初步的仿真試驗，研究方向盤轉(zhuǎn)矩、助力轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)向阻力矩之間的關(guān)系，驗證所建立的虛擬樣機模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器的振動分析、強度分析、壽命分析和優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 EPS系統(tǒng)的工作原理和機械結(jié)構(gòu)

循環(huán)球EPS采用蝸輪蝸桿減速機構(gòu)，具有助力大小可調(diào)整的優(yōu)點，適合前軸負(fù)荷大、轉(zhuǎn)向沉重的載貨汽車［5，6］，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等特點，齒輪部使用塑料材料可以降低工作噪聲并使傳動平穩(wěn)可靠。

循環(huán)球EPS是在傳統(tǒng)的循環(huán)球機械轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上增加了減速機構(gòu)、信號傳感器、電機、控制系統(tǒng)，如圖1 所示。駕駛員操縱方向盤轉(zhuǎn)向時，扭矩傳感器會實時檢測轉(zhuǎn)向柱上的扭桿轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向柱的轉(zhuǎn)角信號，并將信號同車速信號同時輸入電子控制單元（ECU），ECU按設(shè)定的控制程序和控制策略對輸入信號進(jìn)行數(shù)據(jù)運算，確定輸入到電機的電流大小和方向。助力轉(zhuǎn)矩經(jīng)過離合器及減速機構(gòu)傳遞給轉(zhuǎn)向器，從而使電機按實際需求為駕駛員提供實時的助力。

圖1 循環(huán)球電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成

2 EPS機械動力學(xué)模型的建立

2.1 實體模型的建立

循環(huán)球EPS由轉(zhuǎn)向盤輸入軸、蝸桿、蝸輪、螺桿、轉(zhuǎn)向螺母、齒扇、殼體組成，利用CATIA軟件的參數(shù)化建模方法分別建立轉(zhuǎn)向器主要零件（蝸輪、蝸桿、螺桿、螺母、齒扇、軸承、殼體）的三維模型，并根據(jù)其裝配關(guān)系進(jìn)行裝配。

2.2 虛擬樣機模型的建立

通過Virtual.Lab與CATIA軟件無縫連接，建立精確的循環(huán)球EPS機械動力學(xué)模型，如圖2 所示。通過定義整體和局部坐標(biāo)系，添加運動副、約束和載荷，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，建立能夠正確描述整個系統(tǒng)運動學(xué)性能的約束和連接關(guān)系。

圖2 循環(huán)球EPS虛擬樣機模型

在輸入軸和螺桿之間添加旋轉(zhuǎn)副并添加spring constant值為2.25Nm／rad扭簧RSDA來模擬連接輸入軸和螺桿的扭力桿，輸入軸和螺桿之間添加球?qū)烀娼佑|定義旋轉(zhuǎn)限位，如圖3 所示。蝸輪、蝸桿和齒扇、螺母之間通過CAD接觸定義進(jìn)行嚙合傳動，如圖4 所示。簡化螺桿、螺母之間鋼球，在螺桿、螺母之間添加螺旋副，并在螺母和殼體之間添加移動副定義螺母的運動，EPS機械系統(tǒng)中的軸承副通過在軸與殼體之間添加BUSH力模擬軸承的彈性支撐作用。

圖3 輸入軸與螺桿之間球拉伸面接觸

圖4 蝸輪、蝸桿和齒扇、螺母之間CAD接觸

2.3 仿真試驗

在循環(huán)球EPS的輸入軸上施加大小為10N·m、周期為π（s）的方向盤轉(zhuǎn)矩進(jìn)行初步的仿真試驗（注：這里的參數(shù)只是為了說明在有助力時的運動規(guī)律，并不表示實車試驗的數(shù)據(jù)），通過仿真試驗可以得到助力與方向盤轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系。仿真結(jié)果表明助力力矩可以很好地跟隨轉(zhuǎn)向盤力矩，具有很好的跟隨特性，在不考慮阻尼等外界條件時，可以得到方向盤力矩TW、助力力矩TE、轉(zhuǎn)向阻力距TR之間的關(guān)系：TW＋TE＝TR，如圖5 所示。

圖5 方向盤力矩、助力力矩及轉(zhuǎn)向阻力矩的關(guān)系

3 理論與試驗結(jié)果比較

對于裝有電動助力轉(zhuǎn)向器的輕型貨車，根據(jù)駕駛員對轉(zhuǎn)向輕便性的要求，作用在轉(zhuǎn)向盤上的最大轉(zhuǎn)矩值一般設(shè)為30N·m；對于最大總質(zhì)量為2.5t～6t的貨車，方向盤平均操作力不超過30N，轉(zhuǎn)向盤最大作用力不超過60N。

為保證轉(zhuǎn)向器在試驗時正常工作，首先對扭矩傳感器的零位進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過計算機查看電機反饋的霍爾位置信號，若正、反向的值相等，即扭矩傳感器位于零位。調(diào)整傳感器主信號或副信號與電源負(fù)極間電壓絕對值為2.5V，亦能判定其位于零位。

將采用傳統(tǒng)方法設(shè)計改裝后的循環(huán)球EPS安裝在輕型貨車上，輸入軸、輸出軸分別與轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向搖臂連接，并采用現(xiàn)有的EPS控制系統(tǒng)，在輕型貨車上完成循環(huán)球式電動助力轉(zhuǎn)向器的實車原地轉(zhuǎn)向試驗。試驗設(shè)備連接如圖6 所示。

圖6 循環(huán)球EPS實車試驗設(shè)備連接圖

貨車處于靜止?fàn)顟B(tài)，將方向盤從零位以一定角速度勻速轉(zhuǎn)動至一側(cè)最大轉(zhuǎn)角極限位置處，反向轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤至零位并繼續(xù)轉(zhuǎn)至另一側(cè)最大轉(zhuǎn)角極限位置處，然后將方向盤轉(zhuǎn)回零位，完成一次完整的轉(zhuǎn)向?qū)嶒灐⒃囼灁?shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到助力轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角試驗曲線，如圖7 所示。

根據(jù)試驗工況定義模型的參數(shù)，將試驗的數(shù)據(jù)通過擬合曲線輸入模型，定義驅(qū)動和仿真時間，進(jìn)行試驗仿真，得到如圖8 所示仿真曲線。實車試驗與仿真結(jié)果比較見表1。

圖7 助力轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角實車試驗曲線

圖8 助力轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角仿真試驗曲線

表1 實車試驗與仿真結(jié)果比較

由圖7 、圖8 和表1分析可知，助力轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角曲線和實車原地試驗曲線基本一致，說明了循環(huán)球EPS助力力矩曲線與實車試驗數(shù)據(jù)近似一致，驗證了所建立的循環(huán)球EPS虛擬樣機模型是有效的。

4 結(jié)論

采用Virtual.Lab軟件建立了虛擬樣機模型，并通過仿真試驗與實車試驗結(jié)果比較，驗證了所建模型的正確性，可為后續(xù)的循環(huán)球EPS強度分析、振動分析、壽命分析和優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

［1］晉兵營，寧廣慶，施國標(biāo).汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展綜述［J］.拖拉機與農(nóng)用運輸車，2010，37（1）：1-2，5.

［2］Kim K C，Kim C M.Analysis process of a steering system using a concept model for idle vibration［J］.International Journal of Automotive Technology，2008，9（3）：337-346.

［3］趙波，龔勉.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計與分析［J］.機械設(shè)計與制造，2006（8）：165-167.

［4］袁名松，遲毅林，張淼.虛擬設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報（理工版），2002，27（5）：21-25.

［5］劉照，楊家軍，廖道訓(xùn).電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中兩種輔助轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)方案的分析［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，2003，22（6）：954-956，965.

［6］楊芬，劉凱，周春國，等.兩種電動助力轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的分析和助力曲線比較［J］.機械傳動，2008，32（1）：70-74.