基于ANSYS的C-EPS中扭杆的改进

时间：2024-07-28

许中一，苏小平

(南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京 210009)

0 引言

在转向柱式电动助力转向系统(以下简称C-EPS)中，输入轴承载由方向盘传出的力矩，并通过扭杆将力矩再传递到输出轴[1]。C-EPS工作时，输入轴跟随方向盘转动，扭杆与输入轴之间以销连接，扭杆与输出轴之间为过盈配合。由于这种连接设计，输入轴有转矩输入时，输入轴与输出轴之间发生相对10°的转动，扭杆发生弹性变形，再由传感器将相对转动角度转变成电信号传给ECU，ECU结合各种传感器信号以及扭杆的形变量决定电机的旋转方向和助力电流的大小，从而完成实时控制助力转向[2]。所以，输入与输出轴之间尺寸较小的扭杆作为弹性件，它的强度就显得非常重要。

C-EPS系统的轴总成如图1所示。

图1 轴总成示意图

图2(a)所示为对扭杆研究之前的扭杆结构状态，对该结构的扭杆进行多样本持续高周疲劳试验后，扭杆在图2(b)，图2(c)，图2(d)所示位置发生断裂。所以对扭杆结构方案的讨论和优化研究是有必要的。

图2 改进前高周疲劳试验结果图

1 三维模型的建立和工作条件的选取

运用CATIA建立C-EPS轴总成部分的三维模型，三维模型包括输入轴、扭杆、输出轴和销。

研究对象车型转向器传动比为36。转向时，驾驶员作用到方向盘上的手力即输入轴的输入扭矩与车轮在地面上回转时产生的转向阻力矩有关[3]。影响原地转向阻力矩的主要因素有：1) 转向轴的负荷；2) 轮胎与地面之间的滑动摩擦系数；3) 轮胎气压。计算公式如式(1)、式(2)所示：

Mr=f(G13/P)1/2/3

(1)

Fn=Mr/(L1×ηT)

(2)

式中：Mr为原地转向阻力矩(Nmm)；Fn为驾驶员手力(N)，作用在方向盘上，方向盘与输入轴相连；L1为齿条到主销的力臂距离，所研究车型的尺寸为450mm；ηT为梯形机构正效率，取0.9；f为轮胎与地面间的滑动摩擦系数，取0.7；G1为转向轴负荷(N)；P为轮胎气压(MPa)。

取值带入式(1)、式(2)后可得：

Mr=f(G13/P)1/2/3=21 060Nmm[4]

手力Fn=Mr/(L1×ηT)=21 060/(450×0.9)=52N

方向盘直径380mm,转化为转动力矩为10Nm，如图3所示。

根据所研究的C-EPS匹配车型相关参数，疲劳仿真选取边界条件为以2 s为一个周期，输入轴与输出轴各施加大小相同、方向相反的10 Nm的转矩，限制转动角度为5°；静力学分析取边界条件为输入轴与输出轴各施加大小相同、方向相反的10 Nm的转矩，限制转动角度为5°。

图3 边界条件的设定

2 有限元模型的建立和静力学仿真分析的比较

2.1 网格的划分

将轴总成的三维模型导入HyperMesh，进行几何清理。由于研究对象为扭杆，为了能较为准确地反应出扭杆具体应力及扭杆的寿命情况，选取三维八节点六面体单元网格。由2D到3D网格划分完成后，再对危险截面附近进行网格的局部细化处理。扭杆共生成四面体网格单元数4 968个，节点7 950个。网格划分完成后，将画好网格的模型(图4)导入workbench。

图4 轴总成部分网格模型

2.2 定义接触形式的和材料及其属性

根据扭杆具体工况进行分析，输入轴和扭杆之间是销连接，销与输入轴为过盈配合，所以将销与输入轴之间近似为固定接触，销与扭杆之间定义为小位移接触。另外，扭杆与输出轴为花键压合，本质上也为过盈配合，近似为固定接触[5-6]。所定义的零件接触类型及材料定义如表1、表2所示。

表1 零件接触

表2 零件的材料定义

2.3 静力学仿真与分析

为保证扭杆不会因强度不够而被破坏，则要求扭杆内的最大扭转切应力不得超过扭转许用切应力，单位长度的扭转角不大于许用值。

即需满足[7]：

(3)

式中：τmax为最大切应力；T为所受扭矩；Wt为抗扭截面系数。

(4)

所以在输入扭矩不变的前提下，最大扭转切应力取决于扭杆危险截面的截面直径。

结合改进前扭杆应力集中断裂位置和以上分析得出的强度、刚度的影响参数，采取两种改进方案进行对比。

1) 将危险截面直径增大0.2mm；

2) 将危险截面直径增大0.2mm后，尝试将台阶处即应力集中断裂位置，改为2个台阶，缓解应力集中现象。

将上文边界条件加载到3种模型上，计算结果如图5所示。

图5 静力学计算

方案修改前危险截面应力分布情况如图5(a)所示,断裂处应力116 GPa。尝试改进方案一危险截面应力分布情况如图5(b)所示，危险截面应力101.3 GPa。尝试改进方案二危险截面应力分布情况如图5(c)所示，危险截面应力66.6 GPa。从图5(b)可以看出，小范围内增大危险截面半径后，最大应力有所改善。对比图5(c)，可以看出，方案二能较大减小最大应力值，故选取方案二疲劳仿真并加工成型进行试验验证。