循环球式电动助力转向器的参数化设计

广 廓，林慕义，童 亮

（北京信息科技大学，北京 100192）

0 引言

电动助力转向系统（Electric Power Steering, EPS）与液压助力转向系统相比，具有助力特性可调、节能环保以及结构简单等优点，已广泛应用于轿车上[1～3]。相比轿车，由于载货汽车具有总质量大、质心高、转向桥载荷大以及工作条件恶劣等特点，其EPS多采用能够承载更大扭矩且传动效率更高的循环球式转向器来执行转向操作[4,5]。因此需根据载货汽车的特点对转向器进行设计。

转向器作为EPS的执行部件，是决定车辆安全性能的关键，其性能的优劣直接关系到人身和财产的安全。在转向器的设计过程中采用参数化设计技术，不仅能够加快产品开发周期、节约成本，还能通过精确的分析与模拟保障转向器的质量，将设计缺陷降到最低。目前，在国内，参数化设计技术已应用到齿轮齿条式EPS转向器的设计中[6]，而循环球式EPS转向器参数化设计的相关研究还处于起步阶段[7]。

因此，本文利用CATIA软件对循环球式EPS转向器进行参数化设计。首先以转向器关键零件转向摇臂轴为例，介绍参数化设计的步骤，然后，将参数化设计后的各零件根据转向器的装配关系进行虚拟装配设计，最后，通过干涉检测以及参数驱动下的自动更新进行零件模型修正，实现转向器的参数化设计。

1 目标车辆参数

依据某汽车配件公司委托，以某轻型载货汽车为目标车辆，对循环球式电动助力转向器进行开发研究。目标车辆参数如表1所示，前轴载荷根据此表取为20250N。

表1 轻型载货汽车参数

2 转向器的参数化设计

循环球式EPS转向器是由转向输入轴、涡轮、蜗杆、转向螺杆、螺母、转向摇臂轴、减速器壳体、转向壳体等多个零件构成，想要实现转向器的参数化设计，必须先根据目标车辆的特性对各个零件进行参数化设计，将参数变量与Excel表格关联，然后再对零件进行装配设计，添加必要的约束，最后进行干涉检查与分析，在Excel表格中修正干涉零件的设计参数，获得理想转向器参数化模型。

对于零件的参数化设计，主要由四部分构成：对零件进行参数化建模分析、确定零件的参数化建模方法、参数化建模的实现以及参数变量与Excel表格的关联。由于转向摇臂轴是转向器的关键传动零件且轴上齿扇齿形为变齿厚，设计制造的难度较大，因此，本文以转向摇臂轴为例，对其参数化设计过程进行介绍。

2.1 转向器关键零件参数化设计

转向摇臂轴是循环球式EPS中重要的传动零件，也是转向器设计的关键。为了实现汽车转向时操纵“轻”，直行时操纵“灵”，转向器采用变速比传动设计，因此，摇臂轴上的齿扇选用变齿厚齿形。

2.1.1 转向摇臂轴齿扇基本参数

齿扇的基本参数变量有齿扇模数、整圆齿数、齿扇压力角、齿顶高系数、顶隙系数、齿扇宽以及变位系数。分析目标车型参数特征，初步确定这些参数变量的数值。根据变速比循环球式转向器的设计方法[8～10]，在CATIA中利用Formula命令建立参数变量与其他设计参数的函数关系式，可以确定分度圆半径、齿顶圆半径、齿根圆半径、基圆半径等参数，从而实现齿扇的绘制。通过以上方法获得的转向摇臂轴齿扇的设计参数如表2所示。

表2 转向摇臂轴齿扇的设计参数

2.1.2 齿扇齿廓渐开线的绘制

在CATIA中，利用Law(fog)命令建立参数化渐开线方程，从而获得渐开线上的一系列连续的点，之后通过样条曲线工具进行连接拟合成渐开线，从而得到光滑的齿廓曲线。渐开线的直角坐标方程为：

式中：rb为基圆半径，由齿扇模数、整圆齿数z以及齿扇压力角a求得；为CATIA系统参数，其取值为[0,1][11]。

2.1.3 转向摇臂轴的参数化建模

在创成式设计模块下，根据齿扇的主要参数分别绘制齿根圆、分度圆、外形圆，通过倒圆角、对称以及修剪命令进行特征修改，得到齿槽截面轮廓图，如图1所示。切换到机械零件设计模块下，选取垂直于齿槽截面的平面，绘制齿扇截面草图，通过旋转命令得到齿扇毛坯。根据变齿厚齿轮的特征，绘制一条切削引导线，绘制时调用Formula(f(x))命令计算出的切削角，使得所绘制的引导线与轴线的夹角角度为切削角。选取齿槽截面图为轮廓截面，并选取切削引导线，通过扫描切除命令，得到一个齿槽，采用阵列命令阵列齿槽得到齿扇如图2所示。

图1 齿槽截面轮廓图

图2 齿扇模型

转向摇臂轴为直轴类零件，其结构是轴对称，切除-扫描法生成三角花键和紧固螺纹，并对过渡部分进行圆角处理，相对齿扇结构简单，具体的建模过程不作详细叙述，最终的建好的模型如图3所示。

图3 转向摇臂模型

2.1.4 参数变量与EXCEL表格的关联

建立Excel表格，输入表1中的齿扇模数、整圆齿数、齿扇压力角、齿顶高系数、顶隙系数、齿扇宽以及变位系数的变量名称和对应设计值，通过Design table命令将Excel表格中的变量与CATIA中的相关联。当需要修改以上任意参数时，只需要通过编辑Excel里的参数设计值并保存即可实现，同时CATIA模型的也会自动更新，从而方便快捷地获得新参数下的模型。

2.2 转向器其他零件参数化设计

在CATIA软件的环境下，进入零件设计模块，根据相关设计参数，设置参数变量并建立函数关系式，采用转向摇臂轴的设计方法，分别对转向器壳体、转向器摇臂轴端盖、减速器壳体、减速器壳体端盖、转向螺杆、螺母、扭杆、转向输入轴、蜗轮、蜗杆、油塞等其他零件进行参数化设计。

2.3 转向器的虚拟装配设计

转向器虚拟装配设计是按照各零件之间的装配条件和配合关系，如图4所示，加入必要的约束条件，通过软件自动识别这些约束条件实现转向器各零件的自动装配[12]。通过对循环球式EPS转向器的结构特点和各零件之间的装配关系进行深入的分析。在CATIA的Assemble Design模块下，将上述所建立的零件插入到装配体中，采用混合式的装配设计方法，在相应零件上添加相合约束以及偏移约束等必要的装配约束，创建螺母螺杆组件和蜗轮蜗杆组件并分别将其装入转向器壳体以及减速器壳体中，将减速器壳体与转向器壳体对接，把转向摇臂轴装入转向壳体，将端盖等剩余零件装在转向器壳体以及减速器壳体上，最终实现转向器的总体装配，获得循环球式EPS转向器的装配模型。

图4 转向器装配关系图

3 干涉分析与检查

干涉分析与检查是保证虚拟装配设计的重要环节，同时也是修正转向器参数化设计缺陷的必要反馈。通过干涉分析与检查，可以了解在装配后的转向器中，各零件之间的关系是碰撞、接触还是间隙等，获得对应关系下的特征与特性。根据分析与检查结果，通过修改Excel表格中的参数变量，进行装配调整以及模型参数修正，实现参数驱动模型自动更新，最终获得理想的转向器参数化设计装配模型

通过对循环球式EPS转向器的装配整体进行干涉分析与检查，发现转向摇臂齿扇与转向螺母以及涡轮与蜗杆之间产生了干涉现象。对检查结果进行分析后，得出干涉现象的主要原因是装配间隙过小以及设计参数不合理。通过对装配约束以及设计参数进行修正，利用干涉分析与检查后，未发现各零件出现干涉，验证了虚拟装配设计正确性，实现了转向器的参数化设计，可应用于实际生产装配过程中。经过干涉分析与检查之后，通过渲染处理，最终得到的循环球式EPS转向器如图5所示。

4 结论

图5 转向器参数化设计装配模型

采用CATIA V5对循环球电动助力转向器进行参数化设计，利用参数驱动实现了零件模型的自动更新，大幅提高建模速度，节省重复建模时间，提高设计效率，对操作人员要求较低。

通过对转向器零件进行了虚拟装配和干涉分析与检查，修正模型设计参数，实现各传动副啮合良好，无干涉，达到了参数化设计的目的。为循环球式电动助力转向器的系列化设计与制造以及后续的动力学仿真分析提供理论基础。

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