基于 ANSYS Workbench 的混合动力电控转向系统滚珠丝杠副设计

1、基于ANSYSWorkbench的混合动力电控转向系统滚珠丝杠副设计作者：文/潘琼尹晨辉来源：时代汽车2020年第12期潘琼尹晨辉江苏大学汽车与交通工程学院江苏省镇江市212013摘要：使用ANSYSWorkbench对混合动力电控转向系统(ElectronicallyControlledHybridPowerSteeringSystem,ECHBPS)的滚珠丝杠副进行静力学结构分析，验证了滚珠丝杠副结构的可靠性，并根据静力学分析结果对滚珠丝杠副滚珠数量进行了优化。关键词：商用车；混合动力电控转向系统；滚珠丝杠副；ANSYSWorkbench；静力学分析1引言ECHBPS在电液耦合式转向系统(

2、Electro-hydraulicCouplingSteering,EHCS)的基础上,设计了助力矩耦合装置，使得电动助力子系统可以提供较大电动助力矩1,2。ECHBPS在液压循环球转向器(HydraulicRecirculatingBallGear，HRBG)的基础上改进而来，但是相比于HRBG，通过螺杆、螺母构成的滚珠丝杠副传递了更大的转矩，因此存在结构失效的风险。为了保证转向系统的设计可靠性，本文采用ANSYSWorkbench软件对ECHBPS的滚珠丝杠副进行了静力学分析校核，并在此基础上对滚珠数量进行了优化。2滚珠丝杠副参数本文研究的ECHBPS结构在GY110转向器的基础上改进而来

3、，转向系统缸径D=110mm,系统最大工作压力pmax=13Mp，其螺杆、螺母构成的滚珠丝杠副螺纹滚道型面为双圆弧型，导程Ph=13.5mm，公称直径d=40mm，接触角B=45,滚珠直径dh=8mm，滚珠排布方式采用35个相邻滚珠接触排布。通过CATIA软件建立的ECHBPS滚珠丝杠副三维装配图如图1所示。3基于ANSYS的滚珠丝杠副静力学分析零件材料螺杆、螺母材料为20CrMnTi，滚珠材料为轴承钢GCr15，两种材料参数如表1所示3。111圈03零件接触设置及网格划分待分析的滚珠丝杠副模型中共有101个接触副。其中，滚珠与滚道间、滚珠与滚珠间均设置为NoSeparation接触4,接触行

4、为设置为Symmetrie,求解方程设置为AugmentedLagrange。采用软件自动生成网格,节点数和单元数分别为122678、68850个,单元平均质量系数达到0.71175,大于经验质量合格系数0.7,可以满足分析需要。施加载荷与约束根据滚珠丝杠副实际工作时传递的最大载荷以及约束情况,其静力学分析载荷约束模型简化如下：助力矩耦合装置中限位块A、B面添加5158.8N的等大反向Force力载荷，模拟限位块传递的助力；螺杆与转阀扭杆接触部位C面添加6.8的Moment力矩载荷，模拟扭杆传递的最大力矩；螺母径向支撑部位D面、E面、螺母轴向滑动槽圆柱面G面添加Frictionless约束,使

5、螺母只能沿着轴向变形与滑动，模拟螺母在转向器壳体内滑动；螺杆径向支撑部位F面添加，模拟螺杆径向可以转动、不可移动；螺母齿条H面添加FixedSupport固定约束，限制整个传动副自由度，模拟静止状态下齿扇与螺母齿面接合。（6）与液压油接触面添加13Mp的Pressure压强，模拟转向系统液压助力。分析载荷与约束施加如图2所示。结果分析求解时间设置为Is,软件长度单位设置为mm，自动求解后得到分析结果，总变形云图剖视图和应力云图剖视图如图3、4所示。Ital住3査族查竝:XA如血:；立宦焜击IOIISWSO-1）总变形分析如图3所示，滚珠丝杠副最大变形位置MAX点在螺杆限位块处，最大变形为0.0

6、775mm；螺母滚道变形在0.02mm以下，且变形大小从右向左依次递减；螺杆滚道变形大小由螺母固定齿位置附近的滚珠处向两端依次递增，最大值为0.0326mm；滚珠最大变形为0.0217mm。（2）等效应力分析如图4所示，最大应力发生在滚珠与螺杆接触处，最大应力数值为337.37MP；螺母、滚珠、螺杆滚道内部应力分布都较为均匀，最大应力均位于零件与滚珠接触位置。滚珠丝杠副总体应力在337.37MP以下，远小于材料最小屈服强度835MP。安全系数在3.46以上，大于经验安全系数2.0。结合变形和应力分析结果：滚珠丝杠副总体变形和应力都较小，传动副强度与刚度能够满足最大载荷下使用要求。传动副最小安全

7、系数为3.46，数值较大，性能冗余，存在一定优化空间。4滚珠数量优化根据以上分析结果，滚珠丝杠副变形与应力都较小，35个滚珠的排布方式使传动副在最大载荷使用时仍然有较大安全冗余。在满足极限载荷要求下，使用较少数量的滚珠数量能够降低成本，并且减少工作时滚珠产生的机械摩擦和能量损耗。为了研究滚珠数量对传动副强度的影响，采用不同的滚珠数量进行仿真分析。零件材料接触设置、网格划分、载荷与约束施加方式保持不变，滚珠数量为单一变量，数量如下：10、1315、17、19、21、23、25、27、29。滚珠丝杠副关键参数随滚珠数量变化趋势的仿真结果如图5所示。从仿真结果可以看出：随着滚珠数量的增加，最大变形、

8、最大应力逐渐减少，最小安全系数逐渐增加。滚珠数量小于等于19个时，最小安全系数位置在滚珠处，此时滚珠强度限制着传动副强度；滚珠数量为21个时，最小安全系数位置移动至螺母；滚珠数量大于等于23个时，最小安全系数位置移动至螺杆后不发生变化。19个滚珠为传动副强度受滚珠数量限制的临界点，若滚珠数量继续增加，滚珠数量成为次要因素，传动副强度受到螺母和螺杆强度限制并不会大幅增加。当19个滚珠排布时，最大变形为0.1mm,最小安全系数为2.56，满足最大载荷下使用要求。因此，可以选取滚珠数量为19个。5结论本文使用CATIA软件建立了一款商用车ECHBPS滚珠丝杠副模型，运用ANSYSWorkbench软件对建立的滚珠丝杠副模型进行静力学分析与校核。分析结果显示，增加滚珠丝杠副传递的转矩后，原液压循环球转向器结构满足使用要求。最后，对不同数量滚珠的滚珠丝杠副进行对比分析，确定滚珠数量为19个。参考文献：尹晨辉商用车混合动力电控转向系统性能研究与优化设计D.江苏大学，2019.尹晨辉，江浩斌，唐斌，等商用车混合动力电控转向系统的操稳性与节能性J.江苏大学学报（自然科学版），2019，40（03）：269-275.徐文才滚珠丝杠副接触力学特性及载荷