朱興旺，丁偉奇

智能EPS結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化分析

朱興旺，丁偉奇

（浙江科技學院 機械與能源工程學院，浙江 杭州 310023）

目前，傳統(tǒng)燃油動力的輕卡普遍采用的是循環(huán)球液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點很明顯，轉(zhuǎn)向桿系相對較復(fù)雜，自由間隙相對線性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更難控制。為提高輕卡的舒適性和安全性，提升輕卡的智能化水平，文章以新能源電動汽車智能電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對象，創(chuàng)造性地設(shè)計了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)反向機構(gòu)，提高了系統(tǒng)的定位精度與穩(wěn)定性，增加了能傳遞的最大扭矩，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向的自動找正；利用有限元分析軟件ALTAIR Hypermesh對所設(shè)計的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行模態(tài)分析，得出固有頻率、應(yīng)力分布等參數(shù)特性，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)工藝的優(yōu)化設(shè)計。文章所設(shè)計的智能電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能優(yōu)異，實用性強，為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展提供一種方案，也為輕卡的智能化駕駛打下基礎(chǔ)。

EPS結(jié)構(gòu)設(shè)計；輕型卡車；模態(tài)分析；ALTAIR Hypermesh

前言

現(xiàn)代汽車技術(shù)追求高效節(jié)能、高舒適性和高安全性三大目標。作為汽車最重要的子系統(tǒng)之一，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展也一直努力追求達到這些目標。與傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）相比，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）能節(jié)省油耗約3％～5%，具有結(jié)構(gòu)精巧、節(jié)能環(huán)保、安全舒適等優(yōu)點，是汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。汽車的發(fā)展趨勢之一是智能駕駛甚至是自動駕駛，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能很好地滿足輕卡在自動駕駛工況下的轉(zhuǎn)向需求。并且其對于傳統(tǒng)燃油車和新能源車均可適配，并且可以在其基礎(chǔ)上實現(xiàn)智能駕駛[1]。

國外對于EPS專用成套裝備研發(fā)起步較早，日本公司HONDA通過試驗與測試，闡述了EPS系統(tǒng)的助力控制、回正控制和阻尼控制，以及之后提出的補償控制策略，介紹了相關(guān)的可靠性設(shè)計與試驗方法。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司，美國Delphi公司、英國Lucas公司、德國Mercedes Benz公司都研制出了自主開發(fā)的EPS系統(tǒng)及其成套裝備[2]。

目前國內(nèi)大多數(shù)電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)仍處于實驗室開發(fā)和研究階段。南通大學的申紅明[3]設(shè)計了電動助力轉(zhuǎn)向裝置性能試驗臺，通過實踐驗證該試驗臺能完成EPS的各項性能，有助于ECU控制算法的調(diào)試和驗證。吉林大學的施國標[4]通過對電動機、轉(zhuǎn)矩傳感器、助力特性等進行了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配設(shè)計的研究，分析結(jié)果對助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體設(shè)計具有指導意義。

1 EPS總體設(shè)計

電動循環(huán)球助力轉(zhuǎn)向器，是將傳統(tǒng)依靠人力或液壓為動力的循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，動力源改為電能。其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電機和控制器總成，機械循環(huán)球轉(zhuǎn)向器總成，蝸輪減速器和扭矩傳感器組成。

圖1 助力轉(zhuǎn)向器總成的數(shù)字化設(shè)計

電機為轉(zhuǎn)向器的動力源，在轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向器時為轉(zhuǎn)向提供助力?？刂破髋c電機一體，控制器通過扭矩傳感器的信號，計算出需要伺服助力的大小，為電機提供相應(yīng)的電流，完成助力。機械循環(huán)球轉(zhuǎn)向器總成為轉(zhuǎn)向器的主要構(gòu)成部分，將方向盤的轉(zhuǎn)向運動傳遞到車輪與轉(zhuǎn)向器之間的拉桿上，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向器的機械運動。蝸輪減速器主是作用是將電機的高速轉(zhuǎn)動，減小至與方向盤轉(zhuǎn)向速度相符。

2 內(nèi)循環(huán)反向機構(gòu)設(shè)計

智能電動循環(huán)球助力轉(zhuǎn)向器的機械運動傳遞主要由機械循環(huán)球轉(zhuǎn)向器總成來完成，螺桿與螺母鋼球內(nèi)循環(huán)機構(gòu)是機械循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的核心部件，對其零件要求強度高，加工精度高，并還要受力均勻，螺桿與螺母鋼球內(nèi)循環(huán)機構(gòu)之間靠鋼球傳遞運動，需要較高的配合精度，如下圖2所示。傳統(tǒng)的循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，循環(huán)球部分通常采用插管式設(shè)計，采用外循環(huán)結(jié)構(gòu)，由于循環(huán)球部分承受載荷大，插管式反向器很容易被損壞，無法滿足電動助力轉(zhuǎn)向器大輸出扭矩的要求，而且一旦發(fā)生損壞將會造成車毀人亡的嚴重后果。

圖2 螺桿與螺母鋼球內(nèi)循環(huán)反向機構(gòu)

自主設(shè)計了新型螺桿與螺母鋼球內(nèi)循環(huán)反向機構(gòu)，包括螺桿、螺母、鋼球、端蓋以及反向回珠器，運行時，輸入軸將輸入的轉(zhuǎn)向力傳遞至螺桿，螺桿運動，帶動鋼球在螺桿的外滾道與反向回珠器的內(nèi)滾道所形成的內(nèi)循環(huán)滾道內(nèi)往復(fù)滾動，進而推動螺母運動，螺母驅(qū)動輸出軸往復(fù)運動實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，該內(nèi)循環(huán)反向機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，反向器可以根據(jù)螺母、螺桿滾道的位置自動找正，定位精度高，反向器滾道強度高，運行更平穩(wěn)，能傳遞更大的扭矩，有效滿足電動助力轉(zhuǎn)向器大輸出扭矩的要求。

3 EPS結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計與工藝優(yōu)化

對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行實體建模和振型分析，通過模型簡化和參數(shù)設(shè)置，利用有限元分析軟件ALTAIR Hypermesh對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行模態(tài)分析，得出固有頻率、應(yīng)力分布等參數(shù)特性，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)工藝的優(yōu)化設(shè)計。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，包含了質(zhì)量、阻尼、慣性元件、彈簧等因素，為了保證模型的精確性，在不改變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和部件的前提下，通過降階處理來分析主要部件，等效合并部分機械部件，在模型中加入阻尼和慣性元件，得到合理的物理模型，使得該模型與實際轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模型相對應(yīng)，關(guān)鍵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計過程如圖3所示。

利用ALTAIR Hypermesh 軟件平臺的CAE建模與模態(tài)分析技術(shù)，實現(xiàn)EPS的 CAD建模和 CAE分析數(shù)據(jù)傳輸；采用有限元分級后處理技術(shù)實現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可視化分析、優(yōu)化分析、多體仿真等。采用等作用原則實現(xiàn)網(wǎng)格劃分，通過單元質(zhì)量檢查和不斷修改后，獲得 EPS 系統(tǒng)17個部件，包括354 940個節(jié)點，1 474 759個單元。并對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵幾何模型進行幾何容差分析、幾何數(shù)據(jù)修復(fù)以及幾何模型細節(jié)簡化等工藝特性優(yōu)化。

圖3 電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程

4 動力結(jié)構(gòu)可靠性分析

圖4 EPS可靠性FTA故障樹分析模型

利用FTA分析法，可以索引與失效事件有關(guān)的所有服役安全性機理，樹形圖結(jié)構(gòu)是分析和計算服役安全概率的有效方式。因此，利用故障樹分析法分析電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的服役安全性，有利于計算其失效發(fā)生的概率，有利于迅速查明其失效機理。結(jié)合電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，利用疲勞試驗方法獲得的失效事件統(tǒng)計結(jié)果，從而建立電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的FTA模型，如圖4所示。

可靠性試驗方案綜合考慮實際使用過程中的車速、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向器負載以及路面垂向激勵等因素，采用模糊推理理論計算不同工況下EPS耐久數(shù)據(jù)的相似度，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的“道路模擬”。

5 結(jié)語

本文為解決輕卡上采用的循環(huán)球液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在自動駕駛工況下無法滿足轉(zhuǎn)向需求的問題，通過設(shè)計新型的內(nèi)循環(huán)反向機構(gòu)，提高了定位精度，反向器滾道強度，運行的平穩(wěn)性，能傳遞更大的扭矩，有效滿足電動助力轉(zhuǎn)向器大輸出扭矩的要求。通過利用有限元分析軟件對該系統(tǒng)進行模型簡化與參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)CAE數(shù)字化建模與有限元模態(tài)分析，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)。該系統(tǒng)能夠配合輕卡實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下輔助駕駛和無人駕駛對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行需求，為新能源輕卡的自動化駕駛提供了保障。

[1] 沈玉龍,李剛,張凱,等.商用車電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜述[J].汽車實用技術(shù),2020,45(18):248-249+252.

[2] 韓振.汽車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及仿真分析[D].天津:天津職業(yè)技術(shù)師范大學,2020.

[3] 申紅明,馮軍,楊永杰.電動助力轉(zhuǎn)向裝置性能試驗臺設(shè)計[J].南通大學學報(自然科學版),2012,11(01):18-22.

[4] 施國標,周倩,王帥,等.無人駕駛模式下電液復(fù)合轉(zhuǎn)向系統(tǒng)高魯棒性控制策略[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2019,50(12):395-402.

Intelligent EPS Structure Design and Optimization Analysis

ZHU Xingwang, DING Weiqi

( School of Mechanical and Energy Engineering, Zhejiang University of Science and Technology,Zhejiang Hangzhou 310023 )

At present, the traditional fuel-powered light card is generally used in the circulation ball hydraulic power steering system, the disadvantages of the steering system is obvious, the steering rod system is relatively complex, free clearance is relatively difficult to control than linear steering system.In order to improve the comfort and safety of the light card, improve the intelligent level of the light card, take the intelligent electric steering system of the new energy electric vehicle as the research object, the innovative design of the cycle reverse mechanism in the steering system, improve the positioning accuracy and stability of the system, increase the maximum torque that can be transmitted, realize the automatic correction of the steering; Realize the optimal design of structural process. The intelligent electric steering system developed is excellent in performance and practical, which provides a scheme for the development of electric power steering system and lays the foundation for the intelligent driving of light card.

EPS structural design; Light truck; Modal analysis; ALTAIR Hypermesh

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.010

U463.44

A

1671-7988(2021)21-40-03

U463.44

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1671-7988(2021)21-40-03

朱興旺，男，碩士研究生，高級工程師，浙江科技學院，研究方向：車輛工程。

浙江省自然科學基金項目（LY21E 050001），汽車新技術(shù)安徽省工程技術(shù)研究中心開放基金（QCKJ 202105）。