循環球式電動助力轉向器的參數化設計

廣 廓，林慕義，童 亮

（北京信息科技大學，北京 100192）

0 引言

電動助力轉向系統（Electric Power Steering, EPS）與液壓助力轉向系統相比，具有助力特性可調、節能環保以及結構簡單等優點，已廣泛應用于轎車上[1～3]。相比轎車，由于載貨汽車具有總質量大、質心高、轉向橋載荷大以及工作條件惡劣等特點，其EPS多采用能夠承載更大扭矩且傳動效率更高的循環球式轉向器來執行轉向操作[4,5]。因此需根據載貨汽車的特點對轉向器進行設計。

轉向器作為EPS的執行部件，是決定車輛安全性能的關鍵，其性能的優劣直接關系到人身和財產的安全。在轉向器的設計過程中采用參數化設計技術，不僅能夠加快產品開發周期、節約成本，還能通過精確的分析與模擬保障轉向器的質量，將設計缺陷降到最低。目前，在國內，參數化設計技術已應用到齒輪齒條式EPS轉向器的設計中[6]，而循環球式EPS轉向器參數化設計的相關研究還處于起步階段[7]。

因此，本文利用CATIA軟件對循環球式EPS轉向器進行參數化設計。首先以轉向器關鍵零件轉向搖臂軸為例，介紹參數化設計的步驟，然后，將參數化設計后的各零件根據轉向器的裝配關系進行虛擬裝配設計，最后，通過干涉檢測以及參數驅動下的自動更新進行零件模型修正，實現轉向器的參數化設計。

1 目標車輛參數

依據某汽車配件公司委托，以某輕型載貨汽車為目標車輛，對循環球式電動助力轉向器進行開發研究。目標車輛參數如表1所示，前軸載荷根據此表取為20250N。

表1 輕型載貨汽車參數

2 轉向器的參數化設計

循環球式EPS轉向器是由轉向輸入軸、渦輪、蝸桿、轉向螺桿、螺母、轉向搖臂軸、減速器殼體、轉向殼體等多個零件構成，想要實現轉向器的參數化設計，必須先根據目標車輛的特性對各個零件進行參數化設計，將參數變量與Excel表格關聯，然后再對零件進行裝配設計，添加必要的約束，最后進行干涉檢查與分析，在Excel表格中修正干涉零件的設計參數，獲得理想轉向器參數化模型。

對于零件的參數化設計，主要由四部分構成：對零件進行參數化建模分析、確定零件的參數化建模方法、參數化建模的實現以及參數變量與Excel表格的關聯。由于轉向搖臂軸是轉向器的關鍵傳動零件且軸上齒扇齒形為變齒厚，設計制造的難度較大，因此，本文以轉向搖臂軸為例，對其參數化設計過程進行介紹。

2.1 轉向器關鍵零件參數化設計

轉向搖臂軸是循環球式EPS中重要的傳動零件，也是轉向器設計的關鍵。為了實現汽車轉向時操縱“輕”，直行時操縱“靈”，轉向器采用變速比傳動設計，因此，搖臂軸上的齒扇選用變齒厚齒形。

2.1.1 轉向搖臂軸齒扇基本參數

齒扇的基本參數變量有齒扇模數、整圓齒數、齒扇壓力角、齒頂高系數、頂隙系數、齒扇寬以及變位系數。分析目標車型參數特征，初步確定這些參數變量的數值。根據變速比循環球式轉向器的設計方法[8～10]，在CATIA中利用Formula命令建立參數變量與其他設計參數的函數關系式，可以確定分度圓半徑、齒頂圓半徑、齒根圓半徑、基圓半徑等參數，從而實現齒扇的繪制。通過以上方法獲得的轉向搖臂軸齒扇的設計參數如表2所示。

表2 轉向搖臂軸齒扇的設計參數

2.1.2 齒扇齒廓漸開線的繪制

在CATIA中，利用Law(fog)命令建立參數化漸開線方程，從而獲得漸開線上的一系列連續的點，之后通過樣條曲線工具進行連接擬合成漸開線，從而得到光滑的齒廓曲線。漸開線的直角坐標方程為：

式中：rb為基圓半徑，由齒扇模數、整圓齒數z以及齒扇壓力角a求得；為CATIA系統參數，其取值為[0,1][11]。

2.1.3 轉向搖臂軸的參數化建模

在創成式設計模塊下，根據齒扇的主要參數分別繪制齒根圓、分度圓、外形圓，通過倒圓角、對稱以及修剪命令進行特征修改，得到齒槽截面輪廓圖，如圖1所示。切換到機械零件設計模塊下，選取垂直于齒槽截面的平面，繪制齒扇截面草圖，通過旋轉命令得到齒扇毛坯。根據變齒厚齒輪的特征，繪制一條切削引導線，繪制時調用Formula(f(x))命令計算出的切削角，使得所繪制的引導線與軸線的夾角角度為切削角。選取齒槽截面圖為輪廓截面，并選取切削引導線，通過掃描切除命令，得到一個齒槽，采用陣列命令陣列齒槽得到齒扇如圖2所示。

圖1 齒槽截面輪廓圖

圖2 齒扇模型

轉向搖臂軸為直軸類零件，其結構是軸對稱，切除-掃描法生成三角花鍵和緊固螺紋，并對過渡部分進行圓角處理，相對齒扇結構簡單，具體的建模過程不作詳細敘述，最終的建好的模型如圖3所示。

圖3 轉向搖臂模型

2.1.4 參數變量與EXCEL表格的關聯

建立Excel表格，輸入表1中的齒扇模數、整圓齒數、齒扇壓力角、齒頂高系數、頂隙系數、齒扇寬以及變位系數的變量名稱和對應設計值，通過Design table命令將Excel表格中的變量與CATIA中的相關聯。當需要修改以上任意參數時，只需要通過編輯Excel里的參數設計值并保存即可實現，同時CATIA模型的也會自動更新，從而方便快捷地獲得新參數下的模型。

2.2 轉向器其他零件參數化設計

在CATIA軟件的環境下，進入零件設計模塊，根據相關設計參數，設置參數變量并建立函數關系式，采用轉向搖臂軸的設計方法，分別對轉向器殼體、轉向器搖臂軸端蓋、減速器殼體、減速器殼體端蓋、轉向螺桿、螺母、扭桿、轉向輸入軸、蝸輪、蝸桿、油塞等其他零件進行參數化設計。

2.3 轉向器的虛擬裝配設計

轉向器虛擬裝配設計是按照各零件之間的裝配條件和配合關系，如圖4所示，加入必要的約束條件，通過軟件自動識別這些約束條件實現轉向器各零件的自動裝配[12]。通過對循環球式EPS轉向器的結構特點和各零件之間的裝配關系進行深入的分析。在CATIA的Assemble Design模塊下，將上述所建立的零件插入到裝配體中，采用混合式的裝配設計方法，在相應零件上添加相合約束以及偏移約束等必要的裝配約束，創建螺母螺桿組件和蝸輪蝸桿組件并分別將其裝入轉向器殼體以及減速器殼體中，將減速器殼體與轉向器殼體對接，把轉向搖臂軸裝入轉向殼體，將端蓋等剩余零件裝在轉向器殼體以及減速器殼體上，最終實現轉向器的總體裝配，獲得循環球式EPS轉向器的裝配模型。

圖4 轉向器裝配關系圖

3 干涉分析與檢查

干涉分析與檢查是保證虛擬裝配設計的重要環節，同時也是修正轉向器參數化設計缺陷的必要反饋。通過干涉分析與檢查，可以了解在裝配后的轉向器中，各零件之間的關系是碰撞、接觸還是間隙等，獲得對應關系下的特征與特性。根據分析與檢查結果，通過修改Excel表格中的參數變量，進行裝配調整以及模型參數修正，實現參數驅動模型自動更新，最終獲得理想的轉向器參數化設計裝配模型

通過對循環球式EPS轉向器的裝配整體進行干涉分析與檢查，發現轉向搖臂齒扇與轉向螺母以及渦輪與蝸桿之間產生了干涉現象。對檢查結果進行分析后，得出干涉現象的主要原因是裝配間隙過小以及設計參數不合理。通過對裝配約束以及設計參數進行修正，利用干涉分析與檢查后，未發現各零件出現干涉，驗證了虛擬裝配設計正確性，實現了轉向器的參數化設計，可應用于實際生產裝配過程中。經過干涉分析與檢查之后，通過渲染處理，最終得到的循環球式EPS轉向器如圖5所示。

4 結論

圖5 轉向器參數化設計裝配模型

采用CATIA V5對循環球電動助力轉向器進行參數化設計，利用參數驅動實現了零件模型的自動更新，大幅提高建模速度，節省重復建模時間，提高設計效率，對操作人員要求較低。

通過對轉向器零件進行了虛擬裝配和干涉分析與檢查，修正模型設計參數，實現各傳動副嚙合良好，無干涉，達到了參數化設計的目的。為循環球式電動助力轉向器的系列化設計與制造以及后續的動力學仿真分析提供理論基礎。

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