智能EPS結構設計與優化分析

朱興旺，丁偉奇

智能EPS結構設計與優化分析

朱興旺，丁偉奇

（浙江科技學院 機械與能源工程學院，浙江 杭州 310023）

目前，傳統燃油動力的輕卡普遍采用的是循環球液壓助力轉向系統，該轉向系統的缺點很明顯，轉向桿系相對較復雜，自由間隙相對線性轉向系統更難控制。為提高輕卡的舒適性和安全性，提升輕卡的智能化水平，文章以新能源電動汽車智能電動轉向系統為研究對象，創造性地設計了轉向系統內循環反向機構，提高了系統的定位精度與穩定性，增加了能傳遞的最大扭矩，實現了轉向的自動找正；利用有限元分析軟件ALTAIR Hypermesh對所設計的電動助力轉向系統進行模態分析，得出固有頻率、應力分布等參數特性，實現結構工藝的優化設計。文章所設計的智能電動轉向系統性能優異，實用性強，為電動助力轉向系統的發展提供一種方案，也為輕卡的智能化駕駛打下基礎。

EPS結構設計；輕型卡車；模態分析；ALTAIR Hypermesh

前言

現代汽車技術追求高效節能、高舒適性和高安全性三大目標。作為汽車最重要的子系統之一，轉向系統的發展也一直努力追求達到這些目標。與傳統液壓助力轉向系統（HPS）相比，電動助力轉向系統（EPS）能節省油耗約3％～5%，具有結構精巧、節能環保、安全舒適等優點，是汽車助力轉向系統的發展方向。汽車的發展趨勢之一是智能駕駛甚至是自動駕駛，電動助力轉向系統能很好地滿足輕卡在自動駕駛工況下的轉向需求。并且其對于傳統燃油車和新能源車均可適配，并且可以在其基礎上實現智能駕駛[1]。

國外對于EPS專用成套裝備研發起步較早，日本公司HONDA通過試驗與測試，闡述了EPS系統的助力控制、回正控制和阻尼控制，以及之后提出的補償控制策略，介紹了相關的可靠性設計與試驗方法。日本的大發汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司，美國Delphi公司、英國Lucas公司、德國Mercedes Benz公司都研制出了自主開發的EPS系統及其成套裝備[2]。

目前國內大多數電動助力轉向技術仍處于實驗室開發和研究階段。南通大學的申紅明[3]設計了電動助力轉向裝置性能試驗臺，通過實踐驗證該試驗臺能完成EPS的各項性能，有助于ECU控制算法的調試和驗證。吉林大學的施國標[4]通過對電動機、轉矩傳感器、助力特性等進行了轉向系統匹配設計的研究，分析結果對助力轉向系統總體設計具有指導意義。

1 EPS總體設計

電動循環球助力轉向器，是將傳統依靠人力或液壓為動力的循環球轉向器，動力源改為電能。其主要結構如圖1所示，主要由電機和控制器總成，機械循環球轉向器總成，蝸輪減速器和扭矩傳感器組成。

圖1 助力轉向器總成的數字化設計

電機為轉向器的動力源，在轉動轉向器時為轉向提供助力?？刂破髋c電機一體，控制器通過扭矩傳感器的信號，計算出需要伺服助力的大小，為電機提供相應的電流，完成助力。機械循環球轉向器總成為轉向器的主要構成部分，將方向盤的轉向運動傳遞到車輪與轉向器之間的拉桿上，實現轉向器的機械運動。蝸輪減速器主是作用是將電機的高速轉動，減小至與方向盤轉向速度相符。

2 內循環反向機構設計

智能電動循環球助力轉向器的機械運動傳遞主要由機械循環球轉向器總成來完成，螺桿與螺母鋼球內循環機構是機械循環球轉向器的核心部件，對其零件要求強度高，加工精度高，并還要受力均勻，螺桿與螺母鋼球內循環機構之間靠鋼球傳遞運動，需要較高的配合精度，如下圖2所示。傳統的循環球轉向器，循環球部分通常采用插管式設計，采用外循環結構，由于循環球部分承受載荷大，插管式反向器很容易被損壞，無法滿足電動助力轉向器大輸出扭矩的要求，而且一旦發生損壞將會造成車毀人亡的嚴重后果。

圖2 螺桿與螺母鋼球內循環反向機構

自主設計了新型螺桿與螺母鋼球內循環反向機構，包括螺桿、螺母、鋼球、端蓋以及反向回珠器，運行時，輸入軸將輸入的轉向力傳遞至螺桿，螺桿運動，帶動鋼球在螺桿的外滾道與反向回珠器的內滾道所形成的內循環滾道內往復滾動，進而推動螺母運動，螺母驅動輸出軸往復運動實現轉向，該內循環反向機構結構緊湊，反向器可以根據螺母、螺桿滾道的位置自動找正，定位精度高，反向器滾道強度高，運行更平穩，能傳遞更大的扭矩，有效滿足電動助力轉向器大輸出扭矩的要求。

3 EPS結構參數設計與工藝優化

對汽車電動助力轉向系統進行實體建模和振型分析，通過模型簡化和參數設置，利用有限元分析軟件ALTAIR Hypermesh對汽車電動助力轉向系統進行模態分析，得出固有頻率、應力分布等參數特性，實現結構工藝的優化設計。

電動助力轉向系統是一個復雜的系統，包含了質量、阻尼、慣性元件、彈簧等因素，為了保證模型的精確性，在不改變系統基本結構和部件的前提下，通過降階處理來分析主要部件，等效合并部分機械部件，在模型中加入阻尼和慣性元件，得到合理的物理模型，使得該模型與實際轉向系統的模型相對應，關鍵系統的優化設計過程如圖3所示。

利用ALTAIR Hypermesh 軟件平臺的CAE建模與模態分析技術，實現EPS的 CAD建模和 CAE分析數據傳輸；采用有限元分級后處理技術實現電動助力轉向系統的可視化分析、優化分析、多體仿真等。采用等作用原則實現網格劃分，通過單元質量檢查和不斷修改后，獲得 EPS 系統17個部件，包括354 940個節點，1 474 759個單元。并對電動助力轉向系統的關鍵幾何模型進行幾何容差分析、幾何數據修復以及幾何模型細節簡化等工藝特性優化。

圖3 電動轉向系統關鍵結構優化設計過程

4 動力結構可靠性分析

圖4 EPS可靠性FTA故障樹分析模型

利用FTA分析法，可以索引與失效事件有關的所有服役安全性機理，樹形圖結構是分析和計算服役安全概率的有效方式。因此，利用故障樹分析法分析電動助力轉向系統的服役安全性，有利于計算其失效發生的概率，有利于迅速查明其失效機理。結合電動助力轉向系統的結構特點，利用疲勞試驗方法獲得的失效事件統計結果，從而建立電動助力轉向系統的FTA模型，如圖4所示。

可靠性試驗方案綜合考慮實際使用過程中的車速、轉角、轉速、轉向器負載以及路面垂向激勵等因素，采用模糊推理理論計算不同工況下EPS耐久數據的相似度，實現轉向系統的“道路模擬”。

5 結語

本文為解決輕卡上采用的循環球液壓助力轉向系統在自動駕駛工況下無法滿足轉向需求的問題，通過設計新型的內循環反向機構，提高了定位精度，反向器滾道強度，運行的平穩性，能傳遞更大的扭矩，有效滿足電動助力轉向器大輸出扭矩的要求。通過利用有限元分析軟件對該系統進行模型簡化與參數設置，實現CAE數字化建模與有限元模態分析，優化了結構工藝參數。該系統能夠配合輕卡實現在復雜環境下輔助駕駛和無人駕駛對于轉向系統的執行需求，為新能源輕卡的自動化駕駛提供了保障。

[1] 沈玉龍,李剛,張凱,等.商用車電動液壓助力轉向系統綜述[J].汽車實用技術,2020,45(18):248-249+252.

[2] 韓振.汽車電動轉向系統優化設計及仿真分析[D].天津:天津職業技術師范大學,2020.

[3] 申紅明,馮軍,楊永杰.電動助力轉向裝置性能試驗臺設計[J].南通大學學報(自然科學版),2012,11(01):18-22.

[4] 施國標,周倩,王帥,等.無人駕駛模式下電液復合轉向系統高魯棒性控制策略[J].農業機械學報,2019,50(12):395-402.

Intelligent EPS Structure Design and Optimization Analysis

ZHU Xingwang, DING Weiqi

( School of Mechanical and Energy Engineering, Zhejiang University of Science and Technology,Zhejiang Hangzhou 310023 )

At present, the traditional fuel-powered light card is generally used in the circulation ball hydraulic power steering system, the disadvantages of the steering system is obvious, the steering rod system is relatively complex, free clearance is relatively difficult to control than linear steering system.In order to improve the comfort and safety of the light card, improve the intelligent level of the light card, take the intelligent electric steering system of the new energy electric vehicle as the research object, the innovative design of the cycle reverse mechanism in the steering system, improve the positioning accuracy and stability of the system, increase the maximum torque that can be transmitted, realize the automatic correction of the steering; Realize the optimal design of structural process. The intelligent electric steering system developed is excellent in performance and practical, which provides a scheme for the development of electric power steering system and lays the foundation for the intelligent driving of light card.

EPS structural design; Light truck; Modal analysis; ALTAIR Hypermesh

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.010

U463.44

A

1671-7988(2021)21-40-03

U463.44

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1671-7988(2021)21-40-03

朱興旺，男，碩士研究生，高級工程師，浙江科技學院，研究方向：車輛工程。

浙江省自然科學基金項目（LY21E 050001），汽車新技術安徽省工程技術研究中心開放基金（QCKJ 202105）。