基于AnsysWorkbench的EPS转向柱优化设计*

周廷明 张维 陈志刚 付伟 唐宁

（1.株洲易力达机电有限公司；2.邵阳学院机械与能源工程系）

转向柱是电动助力转向系统（EPS）的重要组成部分。EPS 转向柱上端受到由方向盘传来的力偶作用，下端则受到来自转向器的阻抗力偶作用，因此对转向柱进行扭转分析主要是求得其扭转角的大小。但是在Ansys Workbench 11.0 里面没有直接求解扭转角的选项和自定义结果，所以扭转角的求解是个难题。因为优化要调用模型的尺寸参数，所以具体的尺寸应该以参数变量的形式进行保存，参数化是整个协同仿真的基础[1]，但是模型通过igs 格式导入AWB 的方式，没有Workbench 能够调用的参数变量，这也是优化中一个要解决的难题。文章首先利用Pro/E 软件对EPS 转向柱进行三维建模，然后在Ansys Workbench 环境下对其进行刚度分析，实现了扭转角的精确计算[2]，并采用ABW 提供的Design Xplorer（DX）成功对EPS 的转向柱进行了尺寸优化。

1 建立转向柱模型

转向柱由输入轴上部和下部两部分构成，中间通过圆柱销连接在一起。根据圣维南原理，建模过程中忽略了转向柱两端的局部特征。得到的转向柱装配图，如图1 所示。

2 EPS转向柱刚度分析

定义材料属性，转向柱采用45#钢，弹性模量为2×1011Pa，泊松比为0.3，体积质量为7 800 kg/m3。采用自动接触。

2.1 网格划分[3]

选择【Mesh】＞【Insert】＞【Method】激活网格类型命令Method，在“Method”属性菜单中，选择整个模型，并指定网格类型为空间四面体，选择【Mesh】＞【Sizing】在“Sizing”属性中，选择整个模型，并指定网格尺寸为0.003 m，最终网格划分，如图2 所示。

2.2 施加载荷及约束

选择分析类型为静态结构分析（Static Structural），选择轴的一个端面，在Deformation 中设置力矩值为600 N·m，执行【Model】＞【Insert】＞【Coordinate Systems】为轴插入一个Cylindrical 局部坐标系，如图3 所示。

2.3 设定求解（结果）参数

此设置是求解扭转角的关键，也是难点，具体设置过程为:执行【Solution】＞【User Defined Result】在属性中的Definition 中的Expression 中输入UX，坐标系选择圆柱坐标系，在Output Unit 中选择Angle。

2.4 分析结果

经过Ansys Workbench 求解分析，得到转向柱总变形量、X 方向位移及扭转角仿真图，如图4～6 所示。

由上述刚度分析结果可知，转向柱两端和中间部分应力较大，变形较大。这是因为力矩是加载到两端的端面，所以两边的变形较大而中间的扭转较小，同时中间轴半径较小，所以扭矩较小时变形也较大。

对于扭转角的计算，采用试验方法分析[4]:实车装配位置将转向柱固定在夹具上，将输出端（万向节一端）固定，如图7 所示。在转向柱上贴上应变片，连接应变仪，按规定的转动速度左右向转动方向盘并施加600 N·m 的力矩，测出扭转角大小，试验结果最小值为-0.547 5°，最大值为0.635 2°。

图6 所示扭转角分别为0.853 12°和-0.854 21°，与上述试验值有差距，但是误差在可接受范围内，出现这样的原因可能有4 种原因:一是可能两边的力矩设置为600 N·m 时偏大；二是材料参数设置问题；三是网格划分、装配体约束及接触设置等方面的问题；四是试验时传感器精度和应变片粘贴质量等原因。

3 转向柱尺寸优化及结果分析验证

在AWB 中进行尺寸优化，参数的传递需要保存成“fin.agde”的格式才能在优化中调用参数。这些格式都是Workbench 独有格式。经过不断研究，文章采用的方式是针对变形和应力较大的部分在AWB 中重新建模，参数化转向柱模型，如图8 所示。

在DM 模块中建立好模型后，指定变量尺寸，分别命名为ds-fin 的格式，实现尺寸变量到Simulation 和DX 模块的传递，这是优化设置中最难的问题。双击Model 进入到Simulation 模块，进行类似设置，在Simulation 求解条件的属性中选择输出参数，这些就是优化最终对象。返回到Workbench 界面中单击Goal Driven Optimization，弹出C 模块，双击Design of Experiment 进行EPS 转向柱的优化设置[5]，主要有以下5 个步骤。

1）选择相应的输入变量参数，其界面，如图9 所示。

2）自动生成的46 个优化设计点显示界面，如图10所示。

3）查看几何模型的总变形面的响应面，其显示界面，如图11 和12 所示。

4）按照优化列表进行优化设置，其显示界面，如图13～15 所示。

5）优化结果对比，其显示界面，如图16 所示。

由图16 中数据可知，直径和长度得到合理优化，改进前后总的变形量明显减少，最大减少量为3.69 mm。

4 结论

1）实现了在AWB 中对扭转角的计算，并通过对转向柱在转向轮侧向上台阶工况下的刚度分析可知，两边的扭转角分别为0.853 12°和-0.854 21°，与试验值有差距，但很接近，可以为进一步对转向柱进行优化设计提供参考依据；

2）应用DX 模块对转向柱结构进行了优化设计，实现了尺寸参数在Simulation 和DX 模块的传递，通过尺寸参数设计在Ansys DX 中对轴的最大变形量重新计算，得到新的满足要求的尺寸。