汽车电动助力转向系统重要部件扭转杆的可靠性研究

徐林林　刘堂胜（江西交通职业技术学院，江西　南昌　330013）



汽车电动助力转向系统重要部件扭转杆的可靠性研究

徐林林刘堂胜
（江西交通职业技术学院，江西南昌330013）

电动助力转向系统（EPS）在汽车上应用日益广泛，其中连接方向盘和转向齿条的扭转杆是关键部件之一，其工作效果的好坏直接影响转向助力的大小，对汽车安全造成直接影响。基于此，探究汽车电动助力转向系统重要部件扭转杆的可靠性。

EPS扭转杆；可靠性；失效

电动助力转向系统（以下简称EPS）各个部件对行车的安全均有重要的作用，但发生故障的概率和造成的危害有所不同，在设计和使用中应针对性地进行改进设计或维修保养。

扭转杆是EPS中比较关键的传动部件，不仅要将从方向盘传递过来的转矩通过输出轴传递到齿条，同时也是转矩传感器的组成部分。扭转杆在实际使用中要受到扭转载荷的作用，随着使用时间的延长，会产生变形或磨损等故障，从而会使转向助力发生错误。因此，在设计或使用中应注意改进设计或注意维修保养。本文以某车型所用的EPS为例进行扭转杆的可靠性设计。

1　扭转杆可靠性设计

1.1扭转杆的结构

扭转杆是EPS中的重要部件，扭转杆的上端通过金属销与转向输入轴相连接，下端通过渐开线花键与转向输出轴相连接。同时，扭转杆也是转矩传感器的重要组成部分。转矩传感器的转子安装在扭转杆上，定子线圈受扭转变形的影响，当扭转杆变形时产生相位差，并转换成电信号输入EPS ECU。其在EPS上的安装位置如图1所示。

图1　扭转杆在EPS上的安装位置图

1.2扭转杆的受力分析

当扭转杆发生扭转时，其切应力τ为：τ=16T/πd3

式中Sτ、ST分别为剪应力τ和扭矩T的标准差。

1.3扭转杆刚度设计分析

扭转杆属于传动轴，只受扭矩的作用，应按扭转强度和扭转刚度进行设计［1］。传动轴的扭转刚度通常用扭转角度来度量。在转矩T的作用下，传动轴的扭转角为：

计算时因转矩T，应力τ，材料的强度及扭转角均近似于正态分布，则可按以下联接方程计算传动轴的直径：

式中［θ］为每米长的允许扭转角，与轴使用场合有关，此处扭转杆为细长弹性轴，可取［θ］=10。S［θ］为允许扭转角的标准差，计算时可取为0［2］。

2　扭转杆的可靠性设计计算

2.1转向盘转矩的计算

根据机动车运行技术条件GB7258-2012，转向盘操纵力在无助力时的范围为：30～245N，该车型的方向盘直径为Dh=360mm，则可算出作用在转向盘上的转矩：

方向盘转动时扭转杆上下两端受到的力不同（下端更大），但下端受到的转动阻力矩随路况、载荷变化而变化，不容易确定。故可以通过计算上端受到的转矩来计算其可靠性是否合适，下端的直径可以按规定增加。

2.2扭转杆可靠度扭转强度设计计算①给定可靠度R=0.9935。②求得F=1-R=0.0065。

③按F值查正态分布表，得zR=2.484。

④算出作用在扭转杆上的扭矩及标准差为：

扭转杆所用材料为40Cr，经调质处理，查找《机械工程手册》［3］，可知抗拉轻度极限σB=980MPa，屈服极限σS= 780MPa，则其扭转强度极限τ-1=235MPa。则可知其许用扭转剪切应力及标准差为：

由于方向盘旋转的频率和转速很慢，可以将扭转杆以静强度来计算。

⑤计算工作应力：

式中α为偏差系数。

表1　半径偏差α对可靠度的影响

从表1可以看出，在扭转杆半径一定的情况下，半径α偏差越大，可靠度越低。

表2　剪切强度标准差Sτ对可靠度的影响

从表2可以看出，剪切强度标准差Sτ越大，扭转杆的可靠度越低。

当α和Sτ具有前述给定值时，利用联结方程可计算对可靠度的影响，结果如表3所示。

表3　平均半径对可靠度的影响

表3　平均半径对可靠度的影响

从表3可以看出，在半径偏差α和剪切强度标准差Sτ一定的情况下，扭转杆的半径越大，可靠度越高。

实际测得扭转杆中间部分的半径r0=5.50mm，而求得的满足此可靠度的半径为r=4.93±0.15≤r0=5.50。因此，所研究的该EPS在考虑扭转强度时其尺寸完全可以满足可靠度要求。

由于扭转杆与输出轴之间以花键连接，考虑到存在应力集中，则花键部分的直径d0应考虑增加约7%，以提高强度。同时，花键部分应进行淬火处理，以提高抗疲劳能力。

2.3考虑扭转杆刚度的设计①给定可靠度R=0.9935。②求得F=1-R=0.0065。

③按F值查正态分布表，得zR=2.484。

④作用在扭转杆上的扭矩及标准差为：

⑤计算单位长度扭转角度的均值及标准差：

⑥将给定的指标带入联结方程，则有

显然，在仅考虑刚度的情况下，实际所用的扭转杆可能无法满足可靠度的要求，应采取相应的措施。提高扭转杆刚度的方法有［4］：减少应力集中；利用表面处理的方法；减小扭矩的标准差；采用合适的材料及工艺方法（如模锻）；允许的情况下可适当增大扭转杆的半径。

3　结语

本文对某车型用EPS的重要部件扭转杆进行了可靠性设计分析，分析了影响可靠性的各种因素，并提出了相应的措施和建议，以期对设计和使用有一定的帮助作用。

［1］杨树军，陈俊杰，蔡军.电动助力转向扭杆刚度及可靠性分析［J］.拖拉机与农用运输车，2008（3）：32-34.

［2］张义民.汽车零部件可靠性设计［M］.北京：北京理工大学出版社，2000.

［3］闻邦椿.机械设计手册［M］.北京：北京机械工业出版，2010.

［4］周体明.可靠性研究在航空燃油系统的应用［D］.成都：四川大学，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-），硕士，高职讲师，研究方向：机械制造，模具。