智能EPS结构设计与优化分析

朱兴旺，丁伟奇

智能EPS结构设计与优化分析

朱兴旺，丁伟奇

（浙江科技学院 机械与能源工程学院，浙江 杭州 310023）

目前，传统燃油动力的轻卡普遍采用的是循环球液压助力转向系统，该转向系统的缺点很明显，转向杆系相对较复杂，自由间隙相对线性转向系统更难控制。为提高轻卡的舒适性和安全性，提升轻卡的智能化水平，文章以新能源电动汽车智能电动转向系统为研究对象，创造性地设计了转向系统内循环反向机构，提高了系统的定位精度与稳定性，增加了能传递的最大扭矩，实现了转向的自动找正；利用有限元分析软件ALTAIR Hypermesh对所设计的电动助力转向系统进行模态分析，得出固有频率、应力分布等参数特性，实现结构工艺的优化设计。文章所设计的智能电动转向系统性能优异，实用性强，为电动助力转向系统的发展提供一种方案，也为轻卡的智能化驾驶打下基础。

EPS结构设计；轻型卡车；模态分析；ALTAIR Hypermesh

前言

现代汽车技术追求高效节能、高舒适性和高安全性三大目标。作为汽车最重要的子系统之一，转向系统的发展也一直努力追求达到这些目标。与传统液压助力转向系统（HPS）相比，电动助力转向系统（EPS）能节省油耗约3％～5%，具有结构精巧、节能环保、安全舒适等优点，是汽车助力转向系统的发展方向。汽车的发展趋势之一是智能驾驶甚至是自动驾驶，电动助力转向系统能很好地满足轻卡在自动驾驶工况下的转向需求。并且其对于传统燃油车和新能源车均可适配，并且可以在其基础上实现智能驾驶[1]。

国外对于EPS专用成套装备研发起步较早，日本公司HONDA通过试验与测试，阐述了EPS系统的助力控制、回正控制和阻尼控制，以及之后提出的补偿控制策略，介绍了相关的可靠性设计与试验方法。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国Delphi公司、英国Lucas公司、德国Mercedes Benz公司都研制出了自主开发的EPS系统及其成套装备[2]。

目前国内大多数电动助力转向技术仍处于实验室开发和研究阶段。南通大学的申红明[3]设计了电动助力转向装置性能试验台，通过实践验证该试验台能完成EPS的各项性能，有助于ECU控制算法的调试和验证。吉林大学的施国标[4]通过对电动机、转矩传感器、助力特性等进行了转向系统匹配设计的研究，分析结果对助力转向系统总体设计具有指导意义。

1 EPS总体设计

电动循环球助力转向器，是将传统依靠人力或液压为动力的循环球转向器，动力源改为电能。其主要结构如图1所示，主要由电机和控制器总成，机械循环球转向器总成，蜗轮减速器和扭矩传感器组成。

图1 助力转向器总成的数字化设计

电机为转向器的动力源，在转动转向器时为转向提供助力。控制器与电机一体，控制器通过扭矩传感器的信号，计算出需要伺服助力的大小，为电机提供相应的电流，完成助力。机械循环球转向器总成为转向器的主要构成部分，将方向盘的转向运动传递到车轮与转向器之间的拉杆上，实现转向器的机械运动。蜗轮减速器主是作用是将电机的高速转动，减小至与方向盘转向速度相符。

2 内循环反向机构设计

智能电动循环球助力转向器的机械运动传递主要由机械循环球转向器总成来完成，螺杆与螺母钢球内循环机构是机械循环球转向器的核心部件，对其零件要求强度高，加工精度高，并还要受力均匀，螺杆与螺母钢球内循环机构之间靠钢球传递运动，需要较高的配合精度，如下图2所示。传统的循环球转向器，循环球部分通常采用插管式设计，采用外循环结构，由于循环球部分承受载荷大，插管式反向器很容易被损坏，无法满足电动助力转向器大输出扭矩的要求，而且一旦发生损坏将会造成车毁人亡的严重后果。

图2 螺杆与螺母钢球内循环反向机构

自主设计了新型螺杆与螺母钢球内循环反向机构，包括螺杆、螺母、钢球、端盖以及反向回珠器，运行时，输入轴将输入的转向力传递至螺杆，螺杆运动，带动钢球在螺杆的外滚道与反向回珠器的内滚道所形成的内循环滚道内往复滚动，进而推动螺母运动，螺母驱动输出轴往复运动实现转向，该内循环反向机构结构紧凑，反向器可以根据螺母、螺杆滚道的位置自动找正，定位精度高，反向器滚道强度高，运行更平稳，能传递更大的扭矩，有效满足电动助力转向器大输出扭矩的要求。

3 EPS结构参数设计与工艺优化

对汽车电动助力转向系统进行实体建模和振型分析，通过模型简化和参数设置，利用有限元分析软件ALTAIR Hypermesh对汽车电动助力转向系统进行模态分析，得出固有频率、应力分布等参数特性，实现结构工艺的优化设计。

电动助力转向系统是一个复杂的系统，包含了质量、阻尼、惯性元件、弹簧等因素，为了保证模型的精确性，在不改变系统基本结构和部件的前提下，通过降阶处理来分析主要部件，等效合并部分机械部件，在模型中加入阻尼和惯性元件，得到合理的物理模型，使得该模型与实际转向系统的模型相对应，关键系统的优化设计过程如图3所示。

利用ALTAIR Hypermesh 软件平台的CAE建模与模态分析技术，实现EPS的 CAD建模和 CAE分析数据传输；采用有限元分级后处理技术实现电动助力转向系统的可视化分析、优化分析、多体仿真等。采用等作用原则实现网格划分，通过单元质量检查和不断修改后，获得 EPS 系统17个部件，包括354 940个节点，1 474 759个单元。并对电动助力转向系统的关键几何模型进行几何容差分析、几何数据修复以及几何模型细节简化等工艺特性优化。

图3 电动转向系统关键结构优化设计过程

4 动力结构可靠性分析

图4 EPS可靠性FTA故障树分析模型

利用FTA分析法，可以索引与失效事件有关的所有服役安全性机理，树形图结构是分析和计算服役安全概率的有效方式。因此，利用故障树分析法分析电动助力转向系统的服役安全性，有利于计算其失效发生的概率，有利于迅速查明其失效机理。结合电动助力转向系统的结构特点，利用疲劳试验方法获得的失效事件统计结果，从而建立电动助力转向系统的FTA模型，如图4所示。

可靠性试验方案综合考虑实际使用过程中的车速、转角、转速、转向器负载以及路面垂向激励等因素，采用模糊推理理论计算不同工况下EPS耐久数据的相似度，实现转向系统的“道路模拟”。

5 结语

本文为解决轻卡上采用的循环球液压助力转向系统在自动驾驶工况下无法满足转向需求的问题，通过设计新型的内循环反向机构，提高了定位精度，反向器滚道强度，运行的平稳性，能传递更大的扭矩，有效满足电动助力转向器大输出扭矩的要求。通过利用有限元分析软件对该系统进行模型简化与参数设置，实现CAE数字化建模与有限元模态分析，优化了结构工艺参数。该系统能够配合轻卡实现在复杂环境下辅助驾驶和无人驾驶对于转向系统的执行需求，为新能源轻卡的自动化驾驶提供了保障。

[1] 沈玉龙,李刚,张凯,等.商用车电动液压助力转向系统综述[J].汽车实用技术,2020,45(18):248-249+252.

[2] 韩振.汽车电动转向系统优化设计及仿真分析[D].天津:天津职业技术师范大学,2020.

[3] 申红明,冯军,杨永杰.电动助力转向装置性能试验台设计[J].南通大学学报(自然科学版),2012,11(01):18-22.

[4] 施国标,周倩,王帅,等.无人驾驶模式下电液复合转向系统高鲁棒性控制策略[J].农业机械学报,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

朱兴旺，男，硕士研究生，高级工程师，浙江科技学院，研究方向：车辆工程。

浙江省自然科学基金项目（LY21E 050001），汽车新技术安徽省工程技术研究中心开放基金（QCKJ 202105）。