（车辆工程专业论文）基于热——结构耦合的电动助力转向器结构分析.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：京州主 2 d f l 年6 月l 弓日 二v i 咩d 月i ) 口 指导溯签名：黝哪 2 0 1 1 年苫月3 一 基于热一结构耦合的电动助力转向器 结构强度分析 r e s e a r c ho ns t r u c t u r a li n t e n s i t ya n a l y s i so fe l e c t r o n i c p o w e r s t e e r i n gb a s e d o nt h e r m a l - - s t r u c t u r e 姓 2 0 1 1 年4 月 l 江苏大学硕士学位论文 摘要 电动助力转向器( e p s ) 在车辆行驶过程中要承受外界复杂载荷的作用，机械结 构的好坏，将直接影响到车辆行驶的安全性。为此，本文以c a t i a 、h y p e r m c s h 和 a n s y s 软件为平台，建立了某电动助力转向器有限元的力学模型，并对其进行了 刚度、强度方面的分析计算，重点考察了温度对转向器内部各零部件刚度的影响， 为转向器结构设计及改进提供了参考依据，主要内容如下： ( 1 ) 论述了结构静力学有限元分析方法，并针对本文进行分析的具体情况，介 绍了接触分析有限元理论，并给出了各参数的设置依据，为后续有限元分析提供 理论依据； ( 2 ) 运用h y p e r m e s h 对转向器模型进行网格划分，并根据实际加载和约束情况 施加相应的边界条件，构建正确的有限元模型，并将其导入到a n s y s 软件中进行 静力求解，得到各零部件的应力应变分布云图，分析结果显示该转向器的刚度和 强度均满足设计要求； ( 3 ) 由于运作过程中转向器内部温度的升高，文中利用a n s y s 热耦合功能对 转向器进行了热应力分析计算，着重考察了温度对各零部件变形的影响，并对各 零部件温度变化前后的变形情况进行了对比，结果显示虽然温度对转向器各零部 件产生了影响，引起了一定的变形，但整体而言变化量不大，均在设计要求允许 的范围内，不会影响到转向器的整体性能及正常运转； h ) 根据相关试验标准，在实验台上对电动助力转向器进行了台架实验，得出 相关试验数据结果，试验结果显示该转向器性能均能达到各项试验要求的评价指 标，即该转向器满足设计要求，产品使用性能可靠。 本文通过建立正确的有限元力学模型，得到了满足工程需要的分析结果，为 e p s 设计人员提供了简单、快捷、可靠的设计和分析手段，有利于提高e p s 的设 计质量和效率，缩短了产品的设计开发周期，对产品设计改进具有重要的指导意 义及应用价值。 关键词：电动助力转向器，a n s y s ，热应力，有限元法，结构分析 基于热一结构耦合的电动助力转向器结构强度分析 a b s t r a c t t h ee p se n d u r e s c o m p l i c a t e de x t e r n a l l o a d s d u r i n g t h e d r i v i n g ，a n d t h e p e r f o r m a n c eo fm e c h a n i c a ls t r u c t u r ew i l ld i r e c t l ya f f e c tt h es a f e t yo fv e h i c l e s i no r d e r t oi m p r o v et h ed e s i g nq u a l i t y , w ea n a l y z et h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t ho ft h ee p ss t r u c t u r e b a s e do nc a t i a ，h y p e r m e s ha n da n s y s t h e n ，w ep a yo u ra t t e n t i o nt ot h ei n f l u e n c e s o ft e m p e r a t u r eo nt h es t i f f n e s so fe v e r yc o m p o n e n t i tp r o v i d e sr e f e r e n c ef o rs t r u c t u r e d e s i g no fs t e e r i n g t h em a i nc o n t e n t sa n d a c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) o fs t r u c t u r a l s t a t i cm e c h a n i ca n dc o n t a c t a n a l y s i sm e t h o db a s e do nf e m a r es t a t e d ，t h eb a s i sf o rs e t t i n gt h ep a r a m e t e r so ft h e c o n t a c ta n a l y s i si sg i v e n ，a n da l lt h e s eg i v eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h el a t t e r f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ； ( 2 ) u s i n gh y p e r m e s h t om e s ht h ee p sm o d e l ，a p p l y i n gb o u n d a r yc o n s t r a i n tt ot h e m o d e la c c o r d i n gt ot h er e a ll o a d sa n dd o f ss i t u a t i o n ，w ec o n s t r u c tt h ep r o p e rf i n i t e e l e m e n tm o d e l a f t e rt h a t , t h em o d e li si m p u t e di n t oa n s y sa n ds t a t i cs o l u t i o ni s p e r f o r m e d t h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o ni m a g e so fe v e r yc o m p o n e n ta l ea t t a i n e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t ho ft h es t e e r i n gc a nm e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s ； ( 3 ) i nw o r k i n g ，t h e r ei sat e m p e r a t u r er i s ei n s i d et h ee p s ，s ow eu s et h e r m a l c o u p l i n ga n a l y s i so fa n s y s t oc a l c u l a t et h e r m a l s t r e s so fs t e e r i n gc o m p o n e n t s ，a n dp a y h i g ha t t e n t i o nt ot h ed e f o r m a t i o no w i n gt ot h et e m p e r a t u r ec h a n g e s t h er e s u l t ss h o w t h a tt h et e m p e r a t u r ec a u s e sac e r t a i na m o u n to fd e f o r m a t i o n ，b u ti ti si na l l o w e dr a n g e o ft h ed e s i g nr e q u i r e m e n t si ng e n e r a l ，s oi td o e s n ta f f e c tt h ee p sp e r f o r m a n c e ； ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h er e l e v a n tt e s ts t a n d a r d s ，t h eb e n c he x p e r i m e n to fe p si s c a r d e do u t ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l ea t t a i n e d b yc o m p a r i n gt h er e s u l t sw i t h f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t s ，w ec a l lv e r i f yt h er e l i a b i l i t yo ft h em o d e la n dt h e f e a s i b i l i t yo ft h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r yi np e r f o r m a n c es t u d yo fs t e e r i n g ； b yb u i l d i n gt h er i g h tf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，w eo b t a i nt h ea n a l y s i sr e s u l t sw h i c h c a nm e e te n g i n e e r i n gn e e d s i tp r o v i d e sd e s i g n e r sac o n v e n i e n t ，q u i c ka n dr e l i a b l e m e t h o di nd e s i g na n da n a l y s i s i tw i l li m p r o v et h eq u a l i 哆a n de f f i c i e n c yi ne p s d e s i g n ， a n ds h o r t e nt h ec y c l ei nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et o a c a d e m i ca n da p p l i c a t i o nv a l u ei ne p sr e s e a r c h k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，a n s y s ，t h e r m a l - s t r e s s ，f i n i t e e l e m e n t , s t r u c t u r a la n a l y s i s 江苏大学硕士学位论文 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第三章 3 1 3 2 3 3 第四章 4 1 4 2 目录 绪论。1 j g i 言1 电动助力转向器结构设计研究现状1 课题研究的意义3 本文研究的主要内容4 电动助力转向器结构一5 电动助力转向的特点。5 电动助力转向器的类型6 转向柱助力式电动助力转向器结构7 减速机构模型的转化7 2 4 1 蜗轮蜗杆传动坐标系的建立8 2 4 2 蜗杆螺旋面方程式。8 2 4 3 蜗杆斜齿轮啮合方程9 2 4 4 蜗轮蜗杆参数1 1 本章小结1 2 有限元技术基本理论。1 3 有限元方法分析流程1 3 有限元分析方法1 3 3 2 1 有限元法基本步骤1 4 3 2 2 接触分析有限元法理论1 6 本章小结。1 8 转向器有限元模型的建立及分析。1 9 有限元模型的建立1 9 4 1 1 网格划分2 0 4 1 2 单元选择2 1 4 1 3 材料参数2 2 4 1 4 施加载荷及约束条件2 3 蜗轮蜗杆静力分析2 4 4 2 1 传统静力计算方法2 4 4 2 2 有限元静力分析2 5 l i t 基于热一结构耦合的电动助力转向器结构强度分析 4 3 4 4 4 5 第五章 5 1 5 2 5 3 第六章 6 1 6 2 参考文献 致谢 附录a 蜗轮轴与花键轴静力分析2 9 4 3 1 蜗轮轴与花键轴刚度分析2 9 4 3 2 蜗轮轴与花键轴强度分析3 0 转向器的热一力耦合分析3 2 4 4 1 热一力耦合有限元理论3 2 4 4 2a n s y s 热应力耦合。3 4 4 4 3 温度3 3 。c 工况转向器热耦合分析3 5 4 4 4 温度3 9 工况转向器热耦合分析。4 0 本章小结4 5 转向器静态试验研究。4 7 性能试验4 7 5 1 - 1 试验对象4 7 5 1 2 一般要求4 7 5 1 3 试验设备和试验条件4 7 5 1 4 转向器的试验项目4 9 试验结果与分析结果对比5 2 本章小结5 4 总结与展望5 5 结论。5 5 展望。5 6 攻读硕士学位期间发表的论文 i v 5 7 砷 6 l 6 4 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。在行驶过程中， 驾驶员可以通过方向盘来操纵和控制汽车的行驶，从而实现其改变行驶方向的意 图，并且在受到路面传来的偶尔冲击及汽车意外地偏转而改变行驶方向时，能与 行驶系统配合共同保持汽车的操纵稳定性和行驶安全性1 1 1 。转向器作为直接关系到 车辆性能的关键部件，不仅对汽车的行驶安全性、稳定性、平顺性等有着重要的 作用，而且还对能源的消耗，驾驶员劳动强度也有较大的影响。 汽车助力转向控制器在车辆低速行驶及停车时提供助力，高速行驶时则会抑 制方向盘转动操作的轮胎主销倾角，提高操纵稳定性及安全性，它的质量直接反 映着车辆的质量。e p s 助力转向机构的设计一方面要考虑工艺先进可行性，注重整 车的合理配合，结构尽量简单、紧凑，保证低速时转向操纵力小，正向传动效率 高，逆向传动效率适当；另一方面要降低减速齿轮和电动机等内部摩擦及阻力， 保证转动惯量和间隙尽可能小，提高e p s 性能，改善操纵手感和回正特性【2 】。 如何设计出更好的汽车的转向特性，将始终是各大汽车公司和科研机构研究 的重要课题【3 1 。 1 2 电动助力转向器结构设计研究现状 自汽车发明1 0 0 多年来，转向器发展经历了从最初的机械式转向器逐步发展 到液压助力式转向器、电控液压助力式转向器、电动助力式转向器这三个阶段， 目前转向器总趋势正处在液压助力转向器向电动助力转向器发展的过渡阶段。随 着汽车技术的发展，人们在保证容易地操纵转向系统的同时，更追求安全、轻便、 舒适、环保的驾驶环境，其中电动助力转向装置( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 以简单、轻便、节能、环保、可控转向感觉等诸多优点，并且适应新一代电动汽 车和智能汽车电子化、智能化要求，倍受人们青睐，成为世界汽车技术发展的研 究热点【4 】。 电动转向系统主要由四部分构成：机械转向装置( 方向盘、转向柱等) 、转矩传 感器、转向助力机构( 助力电机、离合器、减速传动机构) 及电子控制单元；转向 基于热一结构耦合的电动助力转向器结构强度分析 助力机构作为电动助力转向系统的核心部件，它的性能决定着整个转向器的性能， 所以e p s 结构的设计就显得尤为重要。 汽车电动助力转向器的设计已经成为当今世界汽车技术发展的研究热点，同 时也代表了c a d 和c a e 技术在汽车零部件设计中的应用水平。在国外，e p s 已进入 批量生产阶段，查阅国外e p s 相关资料，对e p s 的研究论文大多集中在e p s 控制 理论的研究 5 - 9 1 ，结构方面的研究也有很多公司在做进一步研究，多家公司已经推 出了自己的e p s 产品，如欧美的d e l p h i 、t r w ，日本的n s k 、y o k o 等，其中，以d e l p h i 公司和n s k 公司为主要代表；由于考虑到开发的难易程度、整个转向系的布置、 价格、大批量生产的可能性等因素，许多公司在转向柱式电动助力转向研发上投 入了大量的精力。从目前的研究和实际产品来看，d e l p h i 公司的e p s 结构简单， 对于工艺的要求相对较低，更易于实际的生产加工。 与国外相比，国内e p s 研究起步较晚，但很快也已成为研究的热点。近几年 许多企业和科研机构都在对该技术进行研究，其中以各大高校的研究为代表：文 献 1 0 1 郑兰霞、胡修池等人对电动助力转向的二级行星齿轮减速装置进行了研究， 并对其结构进行了优化设计，减少了减速机构的体积，使减速装置结构更为紧凑， 同时也实现了较大的传动比，满足了减速比的设计要求，为电动助力转向系统产品 结构的设计提供了依据；文献 1 1 1 杨芬、周春国等人针对轴助力式电动助力转向系 统减速传动方案出发，分析了可行的两种方案各自优缺点，最终选择了蜗轮蜗杆一 刊g w 差动轮系机构，建立了三维模型，并运用有限元软件进行了仿真分析，为后 续机构特性研究奠定了基础；文献【1 2 】杨树军、陈俊杰等人推导了扭杆有效长度、 刚度、可靠性的计算公式，并对所设计扭杆的刚度、可靠性进行了分析计算，为扭 杆在实际应用中的刚度、可靠性问题提出了理论依据，为扭杆的设计提供了参考； 文献 1 3 1 9 yjj l 大学的程凯针对电动助力转向器结构的特点，以u g 为基础使用g r i p 语言，完成了电动助力转向器三维建模的二次开发，实现了e p s 零部件的参数化 建模、装配，并以a n s y s 软件为平台，对e p s 部分零部件的结构分析、模态分析 和疲劳计算等各种静力学和动力学分析，利用a n s y s 的二次开发语言a p d l ，进行 了e p s 建模和c a e 分析过程的二次开发，实现了有限元分析的参数化和易用性， 为汽车电动助力转向器虚拟设计平台的建立打下了基础；文献 1 4 1 武汉理工大学杨 溢应用m a t l a b 软件的优化工具箱函数f m i n i m a x ，对e p s 减速机构进行了多目标优 2 一 _rf 。 江苏大学硕士学位论文 化设计，并根据多目标优化设计的最优解，应用p r o e 软件进行e p s 减速机构三 维模型建立，并通过对e p s 结构的分析比较，建立齿轮齿条转向器的三维模型， 完成了e p s 总体模型装配设计。同时还应用a n s y s 软件对e p s 结构中齿轮轴及行 星架组件进行了强度校核，为e p s 新产品的开发应用提供依据；文献 1 5 1 四川大 学杨建宇利用u g 平台的二次开发技术，研究了适用e p s 的参数计算、结构设计、 三维实体参数化建模与装配，并以a n s y s 软件作为c a e 分析平台，对电动助力转 向器结构进行动态性能分析和强度刚度分析，同时还进行了u g 和a n s y s 的二次开 发研究和c a d c a e 集成技术的研究。 综合国内外的研究来看，虽然对e p s 的研究取得了很大的成果，研究的重点 主要侧重于电子控制系统及控制策略，操稳性方面的模拟仿真与优化，针对转向器 结构设计方面的进一步研究还不是很多。而电动助力转向器在实际工作过程中也 会承受一定的转矩，在运转过程中转向器的强度能否满足工作要求，转向器内部 各零部件是否会产生变形，这些变形是否会对转向器内部配合部件的运转产生影 响，以及转向器长时间运转，内部各部件间相互摩擦，产生大量的热而引起转向 器零部件产生的变形又是否会影响转向器的性能，这些都是本文考虑的问题。 1 3 课题研究的意义 电动助力转向系统是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统，它 采用电动助力装置，使驾驶员操纵更加轻松自如，并增加汽车行驶的安全性，同 时又具有节约燃料、有利于环保、可控转向感觉等诸多优点，越来越多的被应用 到微型及高级轿车上。在车辆行驶过程中，电动助力转向组件及系统常常工作在 高速度，大扭矩或恶劣条件下，因此对电动转向器性能测试显得尤其重要。 随着有限元技术的不断成熟与完善，以及通用有限元软件的广泛应用，出现 了一种以计算机辅助设计( c a d ) 和有限元分析( f e m ) 为基础的分析计算方法， 正广泛应用于实际问题的分析研究，几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题 都可以用它进行分析，进而进行设计修改和优化【9 】。本文将采用该方法对电动助力 转向器进行仿真分析，这样不仅可以较直观地看出转向器内部各零件的配合状态、 应力应变情况，还可以模拟一些台架试验不易模拟的实际工况( 如内部零部件在 高温下的变形情况) ，从而迅速的发现问题的所在。同时，该方法替代了实物试 3 基于热一结构耦合的电动助力转向器结构强度分析 验的数值化“虚拟试验”，大大缩短了设计和研发周期，大幅度地降低了开发成 本。因此，对电动助力转向器零部件结构的模拟仿真，为e p s 研究人员提供可靠 的数学模型和分析，将对e p s 产品的生产具有更重要的指导意义。 1 4 本文研究的主要内容 本文对e p s 的机械减速机构部分，利用c a t i a 、h y p e r m e s h 和a n s y s 软件对其 各零部件进行了数字化建模以及有限元分析，本文主要研究工作如下： ( 1 ) 依据电动助力转向器各零部件的结构尺寸及设计要求，以c a t i a 三维软件 为设计平台，通过自由曲线和公式定义技术，实现蜗轮齿廓渐开线的参数化生成， 建立转向器几何模型； ( 2 ) 简单阐述了有限元理论在结构分析上的应用及分析方法；针对助力转向 器的结构分析，建立完整的等效有限元模型，并考虑各接触关系对分析结构的影 响，然后在a n s y s 软件中进行刚度、强度分析，得出其应力应变分布云图；验证 转向器各零部件是否满足刚度、强度设计要求，零部件的变形是否影响转向器性 能参数等； ( 3 ) 由于运作过程中各部件间相互摩擦引起温度升高，进而引起零部件变形， 利用a n s y s 热耦合功能进行分析计算，对比各零部件温度变化前后的变形情况， 分析该变化是否影响转向器的性能，并对转向器初期设计进行指导； ( 4 ) 参考相关试验标准，对电动助力转向器进行台架实验，得出试验数据结 果，验证模型的可靠性及有限元理论的可行性，转向器各项性能是否满足设计要 求，指导产品的设计生产。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章电动助力转向器结构 纵观转向系统的发展史，转向器发展经历了从最初的机械式转向器逐步发展 到液压助力式转向器、电控液压助力式转向器、电动助力式转向器、线控电动转 向系统这四个阶段。随着汽车工业的飞速发展，电子技术被广泛地应用于汽车上， 电动助力转向系统由于其自身在简单、轻便、节能、环保、可控转向感觉等诸多 方面的优势，正在成为汽车发转向系统展的方向，并逐渐取代传统的机械式和液 压助力式转向系统，成为未来动力转向系统的新领域。 2 1电动助力转向的特点 电动助力转向系统是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，与液 压助力转向系统相比，电动助力转向系统具有以下优点【1 0 3 ： ( 1 ) 结构紧凑，质量轻，布置容易，易于维护保养；电动助力转向系统取消 了液压转向油泵、油缸、液压管路、油罐等部件，而且电机及减速机构可以和转 向柱、转向器做成一个整体，具有良好的模块化设计，所以整体外形尺寸比液压 助力转向系统要小，重量要轻，在生产线上的装配性好，节省装配时间，易于维 护保养； ( 2 ) 节约燃料，有利于环保；传统的液压助力转向系统有发动机带动转向油 泵，不管转向或者不转向都要消耗发动机部分动力。而电动助力转向系统只是在 转向时才由电机提供助力，不转向时不消耗能量。对比试验表明：在不转向时， 电动助力转向可以降低燃油消耗2 5 ；在转向时，可以降低5 5 。同时省去了液 压系统，不存在液态油的泄露问题，有利于环保； ( 3 ) 可以十分灵活地修正转矩；转向角和车辆速度信号的软件控制程序，并 能自由设置转动助力特性。传统液压转向系统，要想获得不同的助力特性，必须 增加额外的控制器及其它硬件设备，费用增加；较容易与目前国外发展的车辆稳 定性控制系统和四轮转向系统集成和匹配，大大改善整车综合性能； ( 4 ) 制造成本低，产品竞争力强；由于电动转向系统的机械部分与机械转向 器相同，电动转向系统零部件数目相对较少，制造工艺与液压零件制造工艺也较 为简便，设备投资少，制造成本低； 5 基于热一结构耦合的电动助力转向器结构强度分析 ( 5 ) 符合机电一体化发展方向；电动助力转向系统是与将来可能使用4 2 v 电 源系统相匹配的； 由于电动助力转向系统具有上述多项优点，因此近年来获得了越来越广泛的 应用。 2 2电动助力转向器的类型 根据电动机布置位置不同，e p s 可以分为：齿轮助力式( p i n i o n - a s s i s tt y p ee p s ) 、 齿条助力式( r a c k - a s s i s tt y p ee p s ) 、转向柱助力式( c o l u m n a s s i s tt y p ee p s ) 三种 1 7 1 ，如图2 1 所示： 一k - ) 齿轮助力式b ) 齿豢助力式0 ) 转向往助力式 图2 1 电动助力转向机构的布置方案 f i g 2 1l a y o u ts c h e m eo fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gm e c h a n i s m ( 1 ) 齿轮助力式电动助力转向器伊一e p s ) p - e p s 的助力电机和减速增扭机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮实现助力转向 ( 图2 卜a ) 。由于助力电机不是安装在乘客舱内，因此可以使用较大的电机以获得 较高的助力扭矩，而不必担心电机转动惯量太大产生的噪音。可用于中型车辆， 以提供较大的助力。 ( 2 ) 齿条助力式电动助力转向器( r e p s ) r - e p s 助力电机和减速增扭机构则直接驱动齿条提供助力( 图2 卜b ) 。由于助 力电机安装于齿条上的位置比较自由，因此在汽车的底盘布置时非常方便。同时， 同c e p s 和p e p s 相比，可以提供更大的助力值，所以一般用于比较大的车辆上。 ( 3 ) 转向柱助力式电动助力转向器( c e p s ) 本文中研究的转向器为转向柱助力式电动助力转向器( 如图2 卜c ) ，其特点 为：助力电机固定在转向柱的一侧，并通过蜗轮蜗杆减速机构与转向轴相连，直 接驱动转向轴助力转向。由于其结构简单紧凑、易于安装，现在多数e p s 均采用 6 江苏大学硕士学位论文 这种形式。此外，c - e p s 助力装置还可设计成适用于各种转向柱的形式。由于助 力电机安装在驾驶舱内，受到空间和噪声的限制，电机功率一般较小，通常只用 在小型及紧凑型车辆上。 2 3 转向柱助力式电动助力转向器结构 转向柱助力式电动助力转向器是在原机械转向系统的基础上，增加了一套伺 服控制装置而构成，主要有以下的几部分组成( 图2 2 ) 。 l 一转向轴总成 2 一转向霄柱总成 3 方向盘扭矩位置传感器 4 一蜗轮蜗杆减速机构5 助力电机 图2 2 转向柱助力式电动助力转向器结构原理图 f i g 2 2s t r u c t u r ed r a w i n go fc o l u n m a s s i s te p s 常采用的减速机构有两种：蜗轮蜗杆和行星齿轮机构；它们的工作原理不同， 前者是通过提供转向助力，来减少转向作用力降低转向力；后者是通过提供一个 辅助的转向，并经过行星轮系的运动合成，来减少转向运动的角度，最终达到降 低转向力【1 8 】的目的。 两种传动机构方案各有利弊，由于蜗轮蜗杆机构方案具有助力大小可调整， 适合前轴负荷大转向沉重，且对高速操纵性能要求不高的载货汽车上，故本文中 选取的蜗轮蜗杆式减速机构。 2 4 减速机构模型的转化 电动助力转向系统都具有电动机和减速机构，减速机构与电动机相连( 一般还 配有离合器，装在减速机构一侧，其主要作用是降速增扭，减速比越大，助力转矩也 7 基于热一结构耦合的电动助力转向器结构强度分析 越大，但这是有条件的，而且会使得在同一转向盘转速时电动机转速增加；同时， 它也对电动助力转向系统及整车性能产生很大影响。因此，设计合理的减速机构， 使得其与电动机相匹配以达到满足转向要求尤为重要。目前常用的减速机构有多 种结构形式，主要分为：蜗轮蜗杆式、行星齿轮式、循环球螺母式等三种，本文 选用的是蜗轮蜗杆式。由于蜗轮与蜗杆传动的实质相当于用一个渐开线圆柱斜齿 轮来代替蜗轮传动，因此，将斜齿轮来代替蜗轮来进行分析计掣1 9 1 。 2 4 1蜗轮蜗杆传动坐标系的建立 为研究蜗轮蜗杆的啮合过程，采用两个个坐标系，与车刀相关联的坐标系 。= 【瓦，云，无，艺】，与蜗杆相关联的坐标系。= 【磊，云，z ，】，两个坐标系之间的 关系，如图2 3 所示；坐标系。相对于1 的运动是：当搿绕亏轴回转过包角时， 其坐标原点吼沿k 。轴方向移动一个距离为p 眈( p 为螺旋运动参数) 。 图2 3 车削蜗杆时的坐标图 f i g 2 3c o o r d i n a t es y s t e mi nt u r n i n gt h ew o r m 2 4 2 蜗杆螺旋面方程式 渐开线圆柱蜗杆的螺旋面可以用车刀车削出来，该车刀的切削刃是一段直线， 车刀的切削刃所在平面，安装在与蜗杆基圆( 半径为7 0 1 ) 相切的平面内。车削虫f 杆 时，假设蜗杆不动，让车刀绕蜗杆轴线做螺旋运动，这样所得到的轨迹曲面就是 渐开线螺旋面，其端面齿廓为渐开线【刎。图2 4 为加工渐丌线蜗杆示意图 8 江苏大学硕士学位论文 一 l 一 岛 0 0 弓 乏 ，t q 屹1 ， j l 卜一一 车刀直线刃口在。中的位置，图2 5 是在与蜗杆轴面相距一个，距离的平面 内。由此可知车刀刃口直线上任意p 点在图中的z 一，r , ) 的方程式为： 气) = 吒毛+ 乩z + 乞屯 ( 2 1 ) 妊x u ：= ：t 0 1 宝 2 ， 式中：磊车刀倾角等于蜗杆基圆柱的螺旋升角 在1 中的径矢乍) 方程式： 气1 ) = _ + y 1 工+ z 1 f 1 ( 2 3 ) 9 基于热一结构耦合的电动助力转向器结构强度分析 f 五= r 0 1 c o s 包+ u c o s 8 1 s i n g m = r 0 1 s i n 皖一u c o s 8 1 s i n 0 ( 2 4 ) l -乙= 一u s i n8 1 + p 皖 这就是所求蜗杆螺旋面方程式。 由图2 5 可知，蜗杆齿廓上任意点p 处的切矢口在中的表达式为 劣( “) = 一c o s 4 z s i n 卤吒 ( 2 5 ) 得留在1 中的表达式： 气1 ) = e o s 4s i n 包一c o s 4c o s o a s i n g ；：l k l ( 2 6 ) 车削蜗杆时车刀与蜗杆之间的相对运动速度矢矿( h 1 ) 为： y 似1 ) = p w 似+ 矿似) x 2 m ( 2 - 7 ) 在中，矿( “) - w ( u ) i f u 因此 ，( ”1 ) = p w ( h 屯+ w ( “屯x r ( ) = w 似) ( u c o s 8 1 i + r o l l + p 屯) ( 2 - 8 ) 利用矢量坐标变换矩阵可求y 1 ) 在1 中的表达式： v ( “1 ) = 1 ) + ，l 口1 ) 矗+ y z l ( u 1 ) k l ( 2 9 ) 其中， i d = w ) ( u c o s s , c o s o 一t 0 1 s i n o ) ，y l d = w ( u c o s 4 s i n o + t 0 1 c o s o ) ( 2 1 0 ) k 。d = 扩) p 由( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 式，可确定蜗杆齿面上任意点处法矢刀在1 中的表达式： 口x v ( 口1 ) 肛f 习 1d l 毛 l 口 ，( “1 ) ：彬0 0 i c o s 4 出色 一c o s 磊c o s 吼一s i n 磊i ( 2 1 2 ) l l c 磊c o s 见一，o ls i n 见u c o s 磊s i n 吃 l r o lc o s 见pl lx v ( u d - w 扛2c o s 2 嘎+ ( p c o s s l - r o l s i n8 1 ) 2 ( 2 - 1 3 ) 江苏大学硕士学位论文 经化简后得： 1 uc o s 2 区+ 仞c o s 磊一r 0 1s i n 4 ) 2 ( 2 1 4 ) f , m4 ( h c o s 4 s i na + t 0 1c o s o ) 一p c o s s lc o s 眈k 1 1 一瞄c o s 磊s i n # + s i n 4 ( u c o s 4c o s o 一r o ls i n 吃) ：k + “c o s 2 磊tj 由p = r 0 1t a n 4 ，代k ( 2 1 4 ) 可得： 刀= s i n s , s i n 牟, 1 , 一s i n 万】印s 纯工+ e o s s l k l ( 2 1 5 ) 应该指出，在式( 2 1 5 ) 中不应该包括u = 0 的点，因为该点为奇异点。为求得 啮合方程，还应求出1 和2 之间的相对运动速度k ：，经过计算可得： 茳嚣2 = s i n 葛删c + o s ( 0 2 一y 2 s i n 缈2 一a ) k 防 b 2 ( z 2c o s 仍一y 2伤) + 矿0 1 少一q ( z 2 一一 坤7 根据啮合的基本原理，斜齿轮齿面与蜗杆齿面相互啮合，也必须要满足啮合 条件，即：。 v 1 2 n = o ( 2 1 7 ) 将( 2 15 ) 式和( 2 1 6 ) 式代入( 2 17 ) 式可得啮合方程【2 1 1 ： ( s i n s l s i n 纯毛一s i n 8 i c o sc , 。j l + c o s 8 1 k 1 ) 征_ 吃 ：s i n 弘, 2 + ) ，：c o s e c ) + 劬z ：】f + k ：e o s 伊2 一y ：s i i l 仍) + y 。1 1 ，一q ：c o s 仍一y ：s i n 缈2 一口涉) = o ( 2 1 8 ) 2 4 4 蜗轮蜗杆参数 由于蜗轮与蜗杆传动的实质相当于用一个渐开线圆柱斜齿轮来代替蜗轮，因 此，将斜齿轮来代替蜗轮来进行分析计算。精确的渐开线齿轮三维造型是有限元 仿真分析的前提，因此用渐开线方程来控制轮齿的齿廓曲面形状，建立精确的齿 轮三维实体模型。随着计算机技术和现代设计理论与方法的迅速发展，三维参数 化设计软件的应用越来越广泛。c a t i a 强大的三维特征建模功能，提供了大量常用 参数化特征体，用户可以根据设计要求，很方便的完成一些复杂三维零件特征造 型和参数化建模工作，因此，被广泛应用于航天、汽车、造船和电子设备等行业。 1 1 基于热一结构耦合的电动助力转向器结构强度分析 表2 1 齿轮的基本参数与结构尺寸 本文基于c a t i a 软件的三维参数化设计功能，依据齿轮的基本参数与结构尺寸 ( 见表2 1 ) ，生成精确的渐开线圆柱蜗轮蜗杆三维实体模型( 见附录a ) ，为后续的 有限元分析提供有限元几何模型。 2 。5 本章小结 本章首先介绍了电动助力转向器的结构特点、分类及工作原理；然后针对研 究的转向柱助力式电动助力转向器减速机构进行了介绍，并对比了两种减速机构： 蜗轮蜗杆与行星齿轮机构，说明了选取蜗轮蜗杆机构的优越性。然后介绍了齿轮 啮合原理、坐标变化原理和渐开线齿廓数学方程，并给出了渐开线通用画法；最 后给出了蜗轮蜗杆的尺寸参数，并选取c a t i a 为三维实体建模软件，为后续转向器 有限元模型的建立提供几何模型。 江苏大学硕士学位论文 第三章有限元技术基本理论 3 1 有限元方法分析流程 有限元建模过程在整个结构分析过程中起着至关重要的作用，模型建立的好 坏直接影响到计算的速度和精度。有限元建模方法通常有两种：一种是直接在c a e 软件中建立c a d 模型，再对其进行网格划分；一种是先使用三维c a d 软件建立实体 模型，然后导入有限元软件中，进行网格的划分【2 2 1 。由于后者建模均在专业软件 中进行，操作相对方便容易，故本文选取后者。其主要流程为：建立几何模型、 选择分析程序、建立分析模型、仿真分析、结果分析；也可以把这一流程分为： 前处理、分析计算和后处理三个过程，流程图如3 1 所示： l ；芒：ec a t i a 中建立结构三维c a d 模型 土 i 将c a d 模型导入到h y p e r m e s h 进行等前期处理 上土 l 将有限元模型导入a n s y s 中进行分析计算 ，7 i 对结果进行后处理 图3 1 有限元建模流程图 f i g 3 1t h ef l o wc h a r to ff e am o d e l i n g 3 2 有限元分析方法 有限元方法 2 3 1 是一种解决各类工程问题的数值计算方法。现代有限元方法可 以追溯到2 0 世纪初期，由于该方法人工计算量大，需要耗费大量的人力，当时并 未得到广泛的推广。随着近年来计算机技术的普及和计算速度的不断提高，使得 有限元理论和计算机软件有机地结合在了一起，经过研究人员多年的不断努力， 基于热一结构耦合的电动助力转向器结构强度分析 有限元理论和算法的同趋完善，现已成为工程和产品结构分析中的一种重要手段， 由于它的通用性和有效性，受到航空航天、船舶、土木建筑、机械及车辆工程等 领域的高度重视。 3 2 1有限元法基本步骤 有限元法的实质就是根据设计对象的实际结构，利用c a d 软件建立三维几何 模型，将三维实体模型离散化，并