轻型货车循环球电动助力转向器建模分析.pdf

第 4期 ( 总第 1 8 5 期 ) 2 0 1 4年 0 8月 机 械 工 程 与 自 动 化 M E CHANI CAL E NGI NEERI NG & AUTOMATI ON NO 4 Au g 文章编号 ： 1 6 7 2 6 4 1 3 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 1 6 0 3 轻型货车循环球 电动助力转 向器建模分析米 王 亚，林慕义 ，广 阔 ( 北京信息科技大学 机 电学院 ，北京 1 0 0 1 9 2 ) 摘要 ：为解决传统设计方法在循环球 电动助力转 向器设计 中的不足 ，以轻型货车循环球 电动助力转 向器为研 究对象 ，利用 Vi r t u a 1 L a b建 立 了循 环球 电动助 力转 向器 的虚拟样机模 型。通过初 步仿 真分 析，验证 了方 向 盘转矩 、助力力矩及转 向阻力矩的关 系，并按实车试验工况进行仿真试验 。分析结果表 明：所建立的 动力 学 模型可 以很好地模拟循环球 电动助力转 向器 的实际运动 ，验证 了所建立 的虚拟样机模型 的准确性 。 关键词 ：轻型货车 ；循环球 ；电动助力转 向器 ；仿真分析 中图分类号 ：U4 6 3 4 3： TP 3 9 1 7 7 文献标识码 ：A 0 引言 电动助力转向器 ( E P S ) 具有优 良的操 纵稳定性 、 转 向轻便性以及节能 、 清洁等优点， 在小排量轻型轿车 上得 到 了广 泛 的应 用 1 。 目前 ， 循 环 球 电动 转 向 器 逐渐应用在不同类型货车 、 军用车辆上 ， 具有广阔的前 景 。然而 ， 转 向器是 根 据 设计 手 册 、 经 验 公 式 、 试 验 进 行设计并进行强度校核和可靠性分析 的， 这种传统的 设计方法周期长、 效率低、 费用高， 而且也不能满足汽 车零部件轻量化设计的要求r 3 。为解决传统设计方法 在循环球电动助力转 向器设计 中的不足 j ， 本文采用 虚拟样机 Vi r t u a 1 L a b软件 ， 建立循 环球 转 向器详细 的实体模型， 进行虚拟装配 ， 并进行初步的仿真试验， 研究方向盘转矩、 助力转矩及转向阻力矩之间的关系， 验证 所建 立 的虚拟 样 机模 型 的准 确 性 ， 为 后 续循 环 球 电动转向器的振动分析 、 强度分析 、 寿命分析和优化设 计提供依据 。 1 E P S系统 的工作 原理 和机 械结构 循 环球 E P S采用 蜗轮 蜗杆 减速 机 构 ， 具 有 助 力大 小可调整的优点 ， 适合前轴负荷大、 转向沉重的载货汽 车 ， 具有结构简单 、 价格低廉等特点 ， 齿轮部使用 塑料材料可 以降低工作噪声并使传动平稳可靠。 循环球 E P S是 在传统的循环球机械转 向器的基 础上增加了减速机构 、 信号传感器、 电机 、 控制系统 ， 如 图 1 所示。驾驶员操纵方 向盘转 向时， 扭矩传感器会 实时检测转 向柱上的扭杆转矩与转向柱 的转角信号， 并将信号同车速信号 同时输入 电子控制单元( E C U) ， E C U按设定 的控制程序和控制策略对输入信号进行 数据运算 ， 确定输入到电机 的电流大小 和方 向。助力 转矩经过离合器及减速机构传递给转向器， 从而使 电 机按实际需求为驾驶员提供实时的助力 。 1 一转 向盘 ； 2 一循环球转向器 ； 3 一蜗轮蜗杆减速 机构 ； 4 一转 向摇臂 ； 5 转向直拉杆 ； 6 -转向横拉杆 ； 7 一梯形臂 ； 8 -转 向节臂 ； 9 -车轮 图 1 循环球电动助力转向系统组成 2 E P S机械 动 力学模 型 的建立 2 1 实体模 型的 建立 循环球 E P S由转 向盘输 入轴 、 蜗杆 、 蜗轮、 螺杆、 转向螺母 、 齿扇、 壳体组成 ， 利用 C ATI A软件 的参数 化建模方法分别建立转 向器主要零件 ( 蜗轮 、 蜗杆、 螺 杆、 螺母 、 齿扇 、 轴承、 壳体) 的三维模型， 并根据其装配 关 系进行 装 配 。 2 2 虚拟样 机模 型 的建立 通 过 Vi r t u a 1 L a b与 C AT I A 软件 无缝 连接 ， 建 立 北京市属高等学校 高层次人才引进与培养计划项 目 ( cI T&T c D2 o 1 3 o 3 2 8 ) ；北京市教委科研基地建设项 目 ( P XM2 0 1 3 0 1 4 2 2 4 0 0 0 0 0 5 ) 收稿 日期 ：2 0 1 4 一 O l 一 0 6 ；修 回 日期 ：2 0 1 4 0 2 2 8 作 者简介 ：王亚 ( 1 9 8 6 一 ) ，男 ，江苏徐 州人，在读硕士研究生 ，研究方向 ：车辆系统 动力学与控制 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 4年 第 4期 果 比较见 表 1 。 时间 s 图 7 助力转矩 、 转 角实车试 验曲线 时间 s 图 8 助 力转矩 、 转角仿真试 验曲线 表 1 实车试验与仿真结果 比较 左转最大力矩 右转最大力矩 左转最大角度 右转最大角度 项 目 N m N m r a d t a d 实 车试验 2 6 2 1 2 6 5 4 1 1 5 6 1 1 6 8 仿 真试验 2 3 8 1 2 2 1 4 1 O 1 6 1 0 5 4 由图 7 、 图 8和表 1分析可知， 助力转矩转角曲线 和实车原地试验 曲线基本一致 ， 说明了循环球 E P S助 力力矩 曲线与实车试验数据近似一致 ， 验证 了所 建立 的循环球 E P S虚拟样机模型是有效的。 4结 论 采 用 Vir t u a 1 L a b软 件 建 立 了虚 拟 样 机模 型 ， 并 通过仿真试验与实车试验结果 比较 ， 验证 了所建模 型 的正确性 ， 可为后续 的循环球 E P S强度分析 、 振 动分 析 、 寿命分析和优化设计奠定基础 。 参考文献 ： 1 晋 兵营 ， 宁广庆 ， 施 国标 汽 车电动 助力转 向系统 发展 综 述 J 拖拉机 与农用运输 车， 2 0 1 0 ， 3 7 ( 1 ) ： 卜2 ， 5 E 2 1 K im K C，K im C MAn a l y s i s p r o c e s s o f a s t e e r i n g s y s t e m u s i n g a c o n c e p t mo d e l f o r id l e v i b r a t i o n J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Au t o mo t i v e Te c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ， 9 ( 3 ) ： 3 3 7 - 3 4 6 E 3 赵波 ， 龚勉 基于虚拟 现实技术的汽车转 向系统设计 与分 析E J 机械设计与制造， 2 0 0 6 ( 8 ) ： 1 6 5 1 6 7 1- 4 袁 名松 ， 迟毅林 ， 张淼 虚拟设 计发 展现状 及未 来发 展方 向 J 昆明理工大学学报( 理工版 ) ， 2 0 0 2 ， 2 7 ( 5 ) ： 2 1 2 5 5 刘 照 ， 杨家军 ， 廖道 训 电动 转 向系统 中两种辅 助转 向传 动机构方案的 分 析 J 机 械 科 学 与技 术 ， 2 0 0 3 ， 2 2 ( 6 ) ： 9 54 95 6， 9 65 6 杨 芬 ， 刘凯 ， 周春 国 ， 等 两种 电动助 力转 向传动机 构的分 析和助力曲线 比较 J 机械传动 ， 2 0 0 8 ， 3 2 ( 1 ) ： 7 0 7 4 M o d e l ing a nd An a l y s is o f LGV Re c ir c u l a t in g 。 I b a l l EPS W ANG Ya ，LI N M u - y i，GUANG Ku o ( S c h o o l o f Me c h a n ic a l a n d El e c t r i c a l E n g i n e e r i n g 。B e i j i n g I n f o r ma t i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Un v e r s i t y ，B e i j i n g 1 0 0 1 9 2 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o s o l v e t h e d e f ic ie n c y o f t r a d it io n a l d e s ig n me t h o d in t h e d e s ig n o f r e c ir c u l a t in g - b a l l e l e c t r ic p o we r s t e e r in g，t he v ir t u a l p r o t o t y p e mo d e l o f LGV r e c ir c u l a t in g b a l l e l e c t r ic p o we r s t e e r in g wa s e s t a b l is h e d u s in g Vir t u a 1 L a b Th e r e l a t io n s h ip o f t h e s t e e r in g t o r q u e ，a s s is t t o r q u e a n d r e s is t a n c e t o r q u e wa s s e t u p h y p r e l imin a r y a n a l y s is Th e s imu l a t io n wa s c a r r ie d o u t a c c o r d in g t o t h e wo r k in g c o n d it io n o f r e a l v e h ic l e t e s t Th e r e s u l t s in d ic a t e t h a t t h e d y n a mic mo d e l c a n we l 1 s imu l a t e t h e a c t u a l mo t io n a n d t h e v ir t u a l p r o t o t y p e mo d e l is c o r r e c t Ke y wo r d s ：L GV ；r e c ir c u l a t in g b a l l ；EP S；s im u l a t io n a n a l y s is ( 上接第 1 5页) Ana l y s is o f S hif t in g Fo r c e o f S hif t ing M a n ip u l a t o r Ba s e d o n S p h e r ic a l Pa r a l l e l M e c ha nis m HUANG J in - f e n g，YANG C h a o ( Co l l e g e o f M e c h a n ic a l En g in e e r in g，H e ibe i Un it e d Un iv e r s it y，Ta n g s h a n 0 6 3 0 0 9，Ch in a ) Ab s t r a c t ：I n t h is p a p e r ，t h e s t a t ic a n a l y s is o f a s h if t in g r o b o t b a s e d o n l in e a r a s y mm e t r ic s p h e r ic a l p a r a l l e l me c h a n is m wit h t wo d e g r e e s o f f r e e d o m is c a r r ie d o u t Th e ma p p in g r e l a t io n s h ip o f t h e o u t p u t f o r c e a n d t h e d r iv in g f o r c e is s e t u p，t h e d r iv e f o r c e c u r v e o f g e a r t r a n s f o r m a t io n is o b t a in e d b y s imu a l t io n，a n d t h e r e l a t io n s h ip b e t we e n t h e ma x im u m d r iv in g f o r c e a n d t h e e x t e r n a l l o a d is a n a l y z e d Th i s s t u d y h a s p r o v