基于AnsysWorkbench的EPS轉向柱優化設計*

周廷明 張維 陳志剛 付偉 唐寧

（1.株洲易力達機電有限公司；2.邵陽學院機械與能源工程系）

轉向柱是電動助力轉向系統（EPS）的重要組成部分。EPS 轉向柱上端受到由方向盤傳來的力偶作用，下端則受到來自轉向器的阻抗力偶作用，因此對轉向柱進行扭轉分析主要是求得其扭轉角的大小。但是在Ansys Workbench 11.0 里面沒有直接求解扭轉角的選項和自定義結果，所以扭轉角的求解是個難題。因為優化要調用模型的尺寸參數，所以具體的尺寸應該以參數變量的形式進行保存，參數化是整個協同仿真的基礎[1]，但是模型通過igs 格式導入AWB 的方式，沒有Workbench 能夠調用的參數變量，這也是優化中一個要解決的難題。文章首先利用Pro/E 軟件對EPS 轉向柱進行三維建模，然后在Ansys Workbench 環境下對其進行剛度分析，實現了扭轉角的精確計算[2]，并采用ABW 提供的Design Xplorer（DX）成功對EPS 的轉向柱進行了尺寸優化。

1 建立轉向柱模型

轉向柱由輸入軸上部和下部兩部分構成，中間通過圓柱銷連接在一起。根據圣維南原理，建模過程中忽略了轉向柱兩端的局部特征。得到的轉向柱裝配圖，如圖1 所示。

2 EPS轉向柱剛度分析

定義材料屬性，轉向柱采用45#鋼，彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.3，體積質量為7 800 kg/m3。采用自動接觸。

2.1 網格劃分[3]

選擇【Mesh】＞【Insert】＞【Method】激活網格類型命令Method，在“Method”屬性菜單中，選擇整個模型，并指定網格類型為空間四面體，選擇【Mesh】＞【Sizing】在“Sizing”屬性中，選擇整個模型，并指定網格尺寸為0.003 m，最終網格劃分，如圖2 所示。

2.2 施加載荷及約束

選擇分析類型為靜態結構分析（Static Structural），選擇軸的一個端面，在Deformation 中設置力矩值為600 N·m，執行【Model】＞【Insert】＞【Coordinate Systems】為軸插入一個Cylindrical 局部坐標系，如圖3 所示。

2.3 設定求解（結果）參數

此設置是求解扭轉角的關鍵，也是難點，具體設置過程為:執行【Solution】＞【User Defined Result】在屬性中的Definition 中的Expression 中輸入UX，坐標系選擇圓柱坐標系，在Output Unit 中選擇Angle。

2.4 分析結果

經過Ansys Workbench 求解分析，得到轉向柱總變形量、X 方向位移及扭轉角仿真圖，如圖4～6 所示。

由上述剛度分析結果可知，轉向柱兩端和中間部分應力較大，變形較大。這是因為力矩是加載到兩端的端面，所以兩邊的變形較大而中間的扭轉較小，同時中間軸半徑較小，所以扭矩較小時變形也較大。

對于扭轉角的計算，采用試驗方法分析[4]:實車裝配位置將轉向柱固定在夾具上，將輸出端（萬向節一端）固定，如圖7 所示。在轉向柱上貼上應變片，連接應變儀，按規定的轉動速度左右向轉動方向盤并施加600 N·m 的力矩，測出扭轉角大小，試驗結果最小值為-0.547 5°，最大值為0.635 2°。

圖6 所示扭轉角分別為0.853 12°和-0.854 21°，與上述試驗值有差距，但是誤差在可接受范圍內，出現這樣的原因可能有4 種原因:一是可能兩邊的力矩設置為600 N·m 時偏大；二是材料參數設置問題；三是網格劃分、裝配體約束及接觸設置等方面的問題；四是試驗時傳感器精度和應變片粘貼質量等原因。

3 轉向柱尺寸優化及結果分析驗證

在AWB 中進行尺寸優化，參數的傳遞需要保存成“fin.agde”的格式才能在優化中調用參數。這些格式都是Workbench 獨有格式。經過不斷研究，文章采用的方式是針對變形和應力較大的部分在AWB 中重新建模，參數化轉向柱模型，如圖8 所示。

在DM 模塊中建立好模型后，指定變量尺寸，分別命名為ds-fin 的格式，實現尺寸變量到Simulation 和DX 模塊的傳遞，這是優化設置中最難的問題。雙擊Model 進入到Simulation 模塊，進行類似設置，在Simulation 求解條件的屬性中選擇輸出參數，這些就是優化最終對象。返回到Workbench 界面中單擊Goal Driven Optimization，彈出C 模塊，雙擊Design of Experiment 進行EPS 轉向柱的優化設置[5]，主要有以下5 個步驟。

1）選擇相應的輸入變量參數，其界面，如圖9 所示。

2）自動生成的46 個優化設計點顯示界面，如圖10所示。

3）查看幾何模型的總變形面的響應面，其顯示界面，如圖11 和12 所示。

4）按照優化列表進行優化設置，其顯示界面，如圖13～15 所示。

5）優化結果對比，其顯示界面，如圖16 所示。

由圖16 中數據可知，直徑和長度得到合理優化，改進前后總的變形量明顯減少，最大減少量為3.69 mm。

4 結論

1）實現了在AWB 中對扭轉角的計算，并通過對轉向柱在轉向輪側向上臺階工況下的剛度分析可知，兩邊的扭轉角分別為0.853 12°和-0.854 21°，與試驗值有差距，但很接近，可以為進一步對轉向柱進行優化設計提供參考依據；

2）應用DX 模塊對轉向柱結構進行了優化設計，實現了尺寸參數在Simulation 和DX 模塊的傳遞，通過尺寸參數設計在Ansys DX 中對軸的最大變形量重新計算，得到新的滿足要求的尺寸。