汽車電動助力轉向系統重要部件扭轉桿的可靠性研究

徐林林　劉堂勝（江西交通職業技術學院，江西　南昌　330013）

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汽車電動助力轉向系統重要部件扭轉桿的可靠性研究

徐林林劉堂勝
（江西交通職業技術學院，江西南昌330013）

電動助力轉向系統（EPS）在汽車上應用日益廣泛，其中連接方向盤和轉向齒條的扭轉桿是關鍵部件之一，其工作效果的好壞直接影響轉向助力的大小，對汽車安全造成直接影響。基于此，探究汽車電動助力轉向系統重要部件扭轉桿的可靠性。

EPS扭轉桿；可靠性；失效

電動助力轉向系統（以下簡稱EPS）各個部件對行車的安全均有重要的作用，但發生故障的概率和造成的危害有所不同，在設計和使用中應針對性地進行改進設計或維修保養。

扭轉桿是EPS中比較關鍵的傳動部件，不僅要將從方向盤傳遞過來的轉矩通過輸出軸傳遞到齒條，同時也是轉矩傳感器的組成部分。扭轉桿在實際使用中要受到扭轉載荷的作用，隨著使用時間的延長，會產生變形或磨損等故障，從而會使轉向助力發生錯誤。因此，在設計或使用中應注意改進設計或注意維修保養。本文以某車型所用的EPS為例進行扭轉桿的可靠性設計。

1　扭轉桿可靠性設計

1.1扭轉桿的結構

扭轉桿是EPS中的重要部件，扭轉桿的上端通過金屬銷與轉向輸入軸相連接，下端通過漸開線花鍵與轉向輸出軸相連接。同時，扭轉桿也是轉矩傳感器的重要組成部分。轉矩傳感器的轉子安裝在扭轉桿上，定子線圈受扭轉變形的影響，當扭轉桿變形時產生相位差，并轉換成電信號輸入EPS ECU。其在EPS上的安裝位置如圖1所示。

圖1　扭轉桿在EPS上的安裝位置圖

1.2扭轉桿的受力分析

當扭轉桿發生扭轉時，其切應力τ為：τ=16T/πd3

式中Sτ、ST分別為剪應力τ和扭矩T的標準差。

1.3扭轉桿剛度設計分析

扭轉桿屬于傳動軸，只受扭矩的作用，應按扭轉強度和扭轉剛度進行設計［1］。傳動軸的扭轉剛度通常用扭轉角度來度量。在轉矩T的作用下，傳動軸的扭轉角為：

計算時因轉矩T，應力τ，材料的強度及扭轉角均近似于正態分布，則可按以下聯接方程計算傳動軸的直徑：

式中［θ］為每米長的允許扭轉角，與軸使用場合有關，此處扭轉桿為細長彈性軸，可取［θ］=10。S［θ］為允許扭轉角的標準差，計算時可取為0［2］。

2　扭轉桿的可靠性設計計算

2.1轉向盤轉矩的計算

根據機動車運行技術條件GB7258-2012，轉向盤操縱力在無助力時的范圍為：30～245N，該車型的方向盤直徑為Dh=360mm，則可算出作用在轉向盤上的轉矩：

方向盤轉動時扭轉桿上下兩端受到的力不同（下端更大），但下端受到的轉動阻力矩隨路況、載荷變化而變化，不容易確定。故可以通過計算上端受到的轉矩來計算其可靠性是否合適，下端的直徑可以按規定增加。

2.2扭轉桿可靠度扭轉強度設計計算①給定可靠度R=0.9935。②求得F=1-R=0.0065。

③按F值查正態分布表，得zR=2.484。

④算出作用在扭轉桿上的扭矩及標準差為：

扭轉桿所用材料為40Cr，經調質處理，查找《機械工程手冊》［3］，可知抗拉輕度極限σB=980MPa，屈服極限σS= 780MPa，則其扭轉強度極限τ-1=235MPa。則可知其許用扭轉剪切應力及標準差為：

由于方向盤旋轉的頻率和轉速很慢，可以將扭轉桿以靜強度來計算。

⑤計算工作應力：

式中α為偏差系數。

表1　半徑偏差α對可靠度的影響

從表1可以看出，在扭轉桿半徑一定的情況下，半徑α偏差越大，可靠度越低。

表2　剪切強度標準差Sτ對可靠度的影響

從表2可以看出，剪切強度標準差Sτ越大，扭轉桿的可靠度越低。

當α和Sτ具有前述給定值時，利用聯結方程可計算對可靠度的影響，結果如表3所示。

表3　平均半徑對可靠度的影響

表3　平均半徑對可靠度的影響

從表3可以看出，在半徑偏差α和剪切強度標準差Sτ一定的情況下，扭轉桿的半徑越大，可靠度越高。

實際測得扭轉桿中間部分的半徑r0=5.50mm，而求得的滿足此可靠度的半徑為r=4.93±0.15≤r0=5.50。因此，所研究的該EPS在考慮扭轉強度時其尺寸完全可以滿足可靠度要求。

由于扭轉桿與輸出軸之間以花鍵連接，考慮到存在應力集中，則花鍵部分的直徑d0應考慮增加約7%，以提高強度。同時，花鍵部分應進行淬火處理，以提高抗疲勞能力。

2.3考慮扭轉桿剛度的設計①給定可靠度R=0.9935。②求得F=1-R=0.0065。

③按F值查正態分布表，得zR=2.484。

④作用在扭轉桿上的扭矩及標準差為：

⑤計算單位長度扭轉角度的均值及標準差：

⑥將給定的指標帶入聯結方程，則有

顯然，在僅考慮剛度的情況下，實際所用的扭轉桿可能無法滿足可靠度的要求，應采取相應的措施。提高扭轉桿剛度的方法有［4］：減少應力集中；利用表面處理的方法；減小扭矩的標準差；采用合適的材料及工藝方法（如模鍛）；允許的情況下可適當增大扭轉桿的半徑。

3　結語

本文對某車型用EPS的重要部件扭轉桿進行了可靠性設計分析，分析了影響可靠性的各種因素，并提出了相應的措施和建議，以期對設計和使用有一定的幫助作用。

［1］楊樹軍，陳俊杰，蔡軍.電動助力轉向扭桿剛度及可靠性分析［J］.拖拉機與農用運輸車，2008（3）：32-34.

［2］張義民.汽車零部件可靠性設計［M］.北京：北京理工大學出版社，2000.

［3］聞邦椿.機械設計手冊［M］.北京：北京機械工業出版，2010.

［4］周體明.可靠性研究在航空燃油系統的應用［D］.成都：四川大學，2004.

Study on Reliability of Torsion Rod that an Important Part of the Automobile Electric Power Steering System

Xu LinlinLiu Tangsheng
（Jiangxi Vocational and Technical College of Communication，Nanchang Jiangxi 330013）

Electric power steering system （EPS）is widely applied in the car，Which connect the steering wheel and steering rack of torsion bar is one of the key components，The stand or fall of its work effect directly affects the size of the steering，having a direct effect on car safety.Based on this，the reliability of torsion rod is an important part of the automobile electric power steering system was studied.

EPS；torque rod；reliability；failure

U466

A

1003-5168（2016）04-0098-03

2016-03-11

徐林林（1982-），碩士，高職講師，研究方向：機械制造，模具。