轻型货车循环球电动助力转向器建模分析❋

王 亚，林慕义，广 阔

（北京信息科技大学 机电学院，北京 100192）

0 引言

电动助力转向器（EPS）具有优良的操纵稳定性、转向轻便性以及节能、清洁等优点，在小排量轻型轿车上得到了广泛的应用［1，2］。目前，循环球电动转向器逐渐应用在不同类型货车、军用车辆上，具有广阔的前景。然而，转向器是根据设计手册、经验公式、试验进行设计并进行强度校核和可靠性分析的，这种传统的设计方法周期长、效率低、费用高，而且也不能满足汽车零部件轻量化设计的要求［3］。为解决传统设计方法在循环球电动助力转向器设计中的不足［4］，本文采用虚拟样机Virtual.Lab软件，建立循环球转向器详细的实体模型，进行虚拟装配，并进行初步的仿真试验，研究方向盘转矩、助力转矩及转向阻力矩之间的关系，验证所建立的虚拟样机模型的准确性，为后续循环球电动转向器的振动分析、强度分析、寿命分析和优化设计提供依据。

1 EPS系统的工作原理和机械结构

循环球EPS采用蜗轮蜗杆减速机构，具有助力大小可调整的优点，适合前轴负荷大、转向沉重的载货汽车［5，6］，具有结构简单、价格低廉等特点，齿轮部使用塑料材料可以降低工作噪声并使传动平稳可靠。

循环球EPS是在传统的循环球机械转向器的基础上增加了减速机构、信号传感器、电机、控制系统，如图1 所示。驾驶员操纵方向盘转向时，扭矩传感器会实时检测转向柱上的扭杆转矩与转向柱的转角信号，并将信号同车速信号同时输入电子控制单元（ECU），ECU按设定的控制程序和控制策略对输入信号进行数据运算，确定输入到电机的电流大小和方向。助力转矩经过离合器及减速机构传递给转向器，从而使电机按实际需求为驾驶员提供实时的助力。

图1 循环球电动助力转向系统组成

2 EPS机械动力学模型的建立

2.1 实体模型的建立

循环球EPS由转向盘输入轴、蜗杆、蜗轮、螺杆、转向螺母、齿扇、壳体组成，利用CATIA软件的参数化建模方法分别建立转向器主要零件（蜗轮、蜗杆、螺杆、螺母、齿扇、轴承、壳体）的三维模型，并根据其装配关系进行装配。

2.2 虚拟样机模型的建立

通过Virtual.Lab与CATIA软件无缝连接，建立精确的循环球EPS机械动力学模型，如图2 所示。通过定义整体和局部坐标系，添加运动副、约束和载荷，设定相关参数，建立能够正确描述整个系统运动学性能的约束和连接关系。

图2 循环球EPS虚拟样机模型

在输入轴和螺杆之间添加旋转副并添加spring constant值为2.25Nm／rad扭簧RSDA来模拟连接输入轴和螺杆的扭力杆，输入轴和螺杆之间添加球对拉伸面接触定义旋转限位，如图3 所示。蜗轮、蜗杆和齿扇、螺母之间通过CAD接触定义进行啮合传动，如图4 所示。简化螺杆、螺母之间钢球，在螺杆、螺母之间添加螺旋副，并在螺母和壳体之间添加移动副定义螺母的运动，EPS机械系统中的轴承副通过在轴与壳体之间添加BUSH力模拟轴承的弹性支撑作用。

图3 输入轴与螺杆之间球拉伸面接触

图4 蜗轮、蜗杆和齿扇、螺母之间CAD接触

2.3 仿真试验

在循环球EPS的输入轴上施加大小为10N·m、周期为π（s）的方向盘转矩进行初步的仿真试验（注：这里的参数只是为了说明在有助力时的运动规律，并不表示实车试验的数据），通过仿真试验可以得到助力与方向盘转矩变化的关系。仿真结果表明助力力矩可以很好地跟随转向盘力矩，具有很好的跟随特性，在不考虑阻尼等外界条件时，可以得到方向盘力矩TW、助力力矩TE、转向阻力距TR之间的关系：TW＋TE＝TR，如图5 所示。

图5 方向盘力矩、助力力矩及转向阻力矩的关系

3 理论与试验结果比较

对于装有电动助力转向器的轻型货车，根据驾驶员对转向轻便性的要求，作用在转向盘上的最大转矩值一般设为30N·m；对于最大总质量为2.5t～6t的货车，方向盘平均操作力不超过30N，转向盘最大作用力不超过60N。

为保证转向器在试验时正常工作，首先对扭矩传感器的零位进行调节。通过计算机查看电机反馈的霍尔位置信号，若正、反向的值相等，即扭矩传感器位于零位。调整传感器主信号或副信号与电源负极间电压绝对值为2.5V，亦能判定其位于零位。

将采用传统方法设计改装后的循环球EPS安装在轻型货车上，输入轴、输出轴分别与转向管柱和转向摇臂连接，并采用现有的EPS控制系统，在轻型货车上完成循环球式电动助力转向器的实车原地转向试验。试验设备连接如图6 所示。

图6 循环球EPS实车试验设备连接图

货车处于静止状态，将方向盘从零位以一定角速度匀速转动至一侧最大转角极限位置处，反向转动转向盘至零位并继续转至另一侧最大转角极限位置处，然后将方向盘转回零位，完成一次完整的转向实验。将试验数据进行处理，得到助力转矩、转角试验曲线，如图7 所示。

根据试验工况定义模型的参数，将试验的数据通过拟合曲线输入模型，定义驱动和仿真时间，进行试验仿真，得到如图8 所示仿真曲线。实车试验与仿真结果比较见表1。

图7 助力转矩、转角实车试验曲线

图8 助力转矩、转角仿真试验曲线

表1 实车试验与仿真结果比较

由图7 、图8 和表1分析可知，助力转矩转角曲线和实车原地试验曲线基本一致，说明了循环球EPS助力力矩曲线与实车试验数据近似一致，验证了所建立的循环球EPS虚拟样机模型是有效的。

4 结论

采用Virtual.Lab软件建立了虚拟样机模型，并通过仿真试验与实车试验结果比较，验证了所建模型的正确性，可为后续的循环球EPS强度分析、振动分析、寿命分析和优化设计奠定基础。

［1］晋兵营，宁广庆，施国标.汽车电动助力转向系统发展综述［J］.拖拉机与农用运输车，2010，37（1）：1-2，5.

［2］Kim K C，Kim C M.Analysis process of a steering system using a concept model for idle vibration［J］.International Journal of Automotive Technology，2008，9（3）：337-346.

［3］赵波，龚勉.基于虚拟现实技术的汽车转向系统设计与分析［J］.机械设计与制造，2006（8）：165-167.

［4］袁名松，迟毅林，张淼.虚拟设计发展现状及未来发展方向［J］.昆明理工大学学报（理工版），2002，27（5）：21-25.

［5］刘照，杨家军，廖道训.电动转向系统中两种辅助转向传动机构方案的分析［J］.机械科学与技术，2003，22（6）：954-956，965.

［6］杨芬，刘凯，周春国，等.两种电动助力转向传动机构的分析和助力曲线比较［J］.机械传动，2008，32（1）：70-74.