學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 江蘇大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所、國(guó)家圖書(shū)館、中國(guó)學(xué)術(shù)期刊( 光盤(pán)版) 電子雜志社有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、 縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致， 允許論文被查閱和借閱，同時(shí)授權(quán)中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所將本論文編入中國(guó) 學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)并向社會(huì)提供查詢(xún)，授權(quán)中國(guó)學(xué)術(shù)期刊( 光盤(pán)版) 電子雜 志社將本論文編入中國(guó)優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)并向社會(huì)提供查詢(xún)。 論文的公布( 包括刊登) 授權(quán)江蘇大學(xué)研究生處辦理。 本學(xué)位論文屬于不保密口。 學(xué)位論文作者簽名：京州主 2 d f l 年6 月l 弓日 二v i 咩d 月i ) 口 指導(dǎo)溯簽名：黝哪 2 0 1 1 年苫月3 一 基于熱一結(jié)構(gòu)耦合的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 r e s e a r c ho ns t r u c t u r a li n t e n s i t ya n a l y s i so fe l e c t r o n i c p o w e r s t e e r i n gb a s e d o nt h e r m a l - - s t r u c t u r e 姓 2 0 1 1 年4 月 l 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器( e p s ) 在車(chē)輛行駛過(guò)程中要承受外界復(fù)雜載荷的作用，機(jī)械結(jié) 構(gòu)的好壞，將直接影響到車(chē)輛行駛的安全性。為此，本文以c a t i a 、h y p e r m c s h 和 a n s y s 軟件為平臺(tái)，建立了某電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器有限元的力學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行了 剛度、強(qiáng)度方面的分析計(jì)算，重點(diǎn)考察了溫度對(duì)轉(zhuǎn)向器內(nèi)部各零部件剛度的影響， 為轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了參考依據(jù)，主要內(nèi)容如下： ( 1 ) 論述了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元分析方法，并針對(duì)本文進(jìn)行分析的具體情況，介 紹了接觸分析有限元理論，并給出了各參數(shù)的設(shè)置依據(jù)，為后續(xù)有限元分析提供 理論依據(jù)； ( 2 ) 運(yùn)用h y p e r m e s h 對(duì)轉(zhuǎn)向器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并根據(jù)實(shí)際加載和約束情況 施加相應(yīng)的邊界條件，構(gòu)建正確的有限元模型，并將其導(dǎo)入到a n s y s 軟件中進(jìn)行 靜力求解，得到各零部件的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖，分析結(jié)果顯示該轉(zhuǎn)向器的剛度和 強(qiáng)度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求； ( 3 ) 由于運(yùn)作過(guò)程中轉(zhuǎn)向器內(nèi)部溫度的升高，文中利用a n s y s 熱耦合功能對(duì) 轉(zhuǎn)向器進(jìn)行了熱應(yīng)力分析計(jì)算，著重考察了溫度對(duì)各零部件變形的影響，并對(duì)各 零部件溫度變化前后的變形情況進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示雖然溫度對(duì)轉(zhuǎn)向器各零部 件產(chǎn)生了影響，引起了一定的變形，但整體而言變化量不大，均在設(shè)計(jì)要求允許 的范圍內(nèi)，不會(huì)影響到轉(zhuǎn)向器的整體性能及正常運(yùn)轉(zhuǎn)； h ) 根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器進(jìn)行了臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，得出 相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果顯示該轉(zhuǎn)向器性能均能達(dá)到各項(xiàng)試驗(yàn)要求的評(píng)價(jià)指 標(biāo)，即該轉(zhuǎn)向器滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品使用性能可靠。 本文通過(guò)建立正確的有限元力學(xué)模型，得到了滿(mǎn)足工程需要的分析結(jié)果，為 e p s 設(shè)計(jì)人員提供了簡(jiǎn)單、快捷、可靠的設(shè)計(jì)和分析手段，有利于提高e p s 的設(shè) 計(jì)質(zhì)量和效率，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意 義及應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器，a n s y s ，熱應(yīng)力，有限元法，結(jié)構(gòu)分析 基于熱一結(jié)構(gòu)耦合的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 a b s t r a c t t h ee p se n d u r e s c o m p l i c a t e de x t e r n a l l o a d s d u r i n g t h e d r i v i n g ，a n d t h e p e r f o r m a n c eo fm e c h a n i c a ls t r u c t u r ew i l ld i r e c t l ya f f e c tt h es a f e t yo fv e h i c l e s i no r d e r t oi m p r o v et h ed e s i g nq u a l i t y , w ea n a l y z et h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t ho ft h ee p ss t r u c t u r e b a s e do nc a t i a ，h y p e r m e s ha n da n s y s t h e n ，w ep a yo u ra t t e n t i o nt ot h ei n f l u e n c e s o ft e m p e r a t u r eo nt h es t i f f n e s so fe v e r yc o m p o n e n t i tp r o v i d e sr e f e r e n c ef o rs t r u c t u r e d e s i g no fs t e e r i n g t h em a i nc o n t e n t sa n d a c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) o fs t r u c t u r a l s t a t i cm e c h a n i ca n dc o n t a c t a n a l y s i sm e t h o db a s e do nf e m a r es t a t e d ，t h eb a s i sf o rs e t t i n gt h ep a r a m e t e r so ft h e c o n t a c ta n a l y s i si sg i v e n ，a n da l lt h e s eg i v eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h el a t t e r f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ； ( 2 ) u s i n gh y p e r m e s h t om e s ht h ee p sm o d e l ，a p p l y i n gb o u n d a r yc o n s t r a i n tt ot h e m o d e la c c o r d i n gt ot h er e a ll o a d sa n dd o f ss i t u a t i o n ，w ec o n s t r u c tt h ep r o p e rf i n i t e e l e m e n tm o d e l a f t e rt h a t , t h em o d e li si m p u t e di n t oa n s y sa n ds t a t i cs o l u t i o ni s p e r f o r m e d t h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o ni m a g e so fe v e r yc o m p o n e n ta l ea t t a i n e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t ho ft h es t e e r i n gc a nm e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s ； ( 3 ) i nw o r k i n g ，t h e r ei sat e m p e r a t u r er i s ei n s i d et h ee p s ，s ow eu s et h e r m a l c o u p l i n ga n a l y s i so fa n s y s t oc a l c u l a t et h e r m a l s t r e s so fs t e e r i n gc o m p o n e n t s ，a n dp a y h i g ha t t e n t i o nt ot h ed e f o r m a t i o no w i n gt ot h et e m p e r a t u r ec h a n g e s t h er e s u l t ss h o w t h a tt h et e m p e r a t u r ec a u s e sac e r t a i na m o u n to fd e f o r m a t i o n ，b u ti ti si na l l o w e dr a n g e o ft h ed e s i g nr e q u i r e m e n t si ng e n e r a l ，s oi td o e s n ta f f e c tt h ee p sp e r f o r m a n c e ； ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h er e l e v a n tt e s ts t a n d a r d s ，t h eb e n c he x p e r i m e n to fe p si s c a r d e do u t ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l ea t t a i n e d b yc o m p a r i n gt h er e s u l t sw i t h f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t s ，w ec a l lv e r i f yt h er e l i a b i l i t yo ft h em o d e la n dt h e f e a s i b i l i t yo ft h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r yi np e r f o r m a n c es t u d yo fs t e e r i n g ； b yb u i l d i n gt h er i g h tf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，w eo b t a i nt h ea n a l y s i sr e s u l t sw h i c h c a nm e e te n g i n e e r i n gn e e d s i tp r o v i d e sd e s i g n e r sac o n v e n i e n t ，q u i c ka n dr e l i a b l e m e t h o di nd e s i g na n da n a l y s i s i tw i l li m p r o v et h eq u a l i 哆a n de f f i c i e n c yi ne p s d e s i g n ， a n ds h o r t e nt h ec y c l ei nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et o a c a d e m i ca n da p p l i c a t i o nv a l u ei ne p sr e s e a r c h k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，a n s y s ，t h e r m a l - s t r e s s ，f i n i t e e l e m e n t , s t r u c t u r a la n a l y s i s 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第三章 3 1 3 2 3 3 第四章 4 1 4 2 目錄 緒論。1 j g i 言1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀1 課題研究的意義3 本文研究的主要內(nèi)容4 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)一5 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的特點(diǎn)。5 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的類(lèi)型6 轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)7 減速機(jī)構(gòu)模型的轉(zhuǎn)化7 2 4 1 蝸輪蝸桿傳動(dòng)坐標(biāo)系的建立8 2 4 2 蝸桿螺旋面方程式。8 2 4 3 蝸桿斜齒輪嚙合方程9 2 4 4 蝸輪蝸桿參數(shù)1 1 本章小結(jié)1 2 有限元技術(shù)基本理論。1 3 有限元方法分析流程1 3 有限元分析方法1 3 3 2 1 有限元法基本步驟1 4 3 2 2 接觸分析有限元法理論1 6 本章小結(jié)。1 8 轉(zhuǎn)向器有限元模型的建立及分析。1 9 有限元模型的建立1 9 4 1 1 網(wǎng)格劃分2 0 4 1 2 單元選擇2 1 4 1 3 材料參數(shù)2 2 4 1 4 施加載荷及約束條件2 3 蝸輪蝸桿靜力分析2 4 4 2 1 傳統(tǒng)靜力計(jì)算方法2 4 4 2 2 有限元靜力分析2 5 l i t 基于熱一結(jié)構(gòu)耦合的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 4 3 4 4 4 5 第五章 5 1 5 2 5 3 第六章 6 1 6 2 參考文獻(xiàn) 致謝 附錄a 蝸輪軸與花鍵軸靜力分析2 9 4 3 1 蝸輪軸與花鍵軸剛度分析2 9 4 3 2 蝸輪軸與花鍵軸強(qiáng)度分析3 0 轉(zhuǎn)向器的熱一力耦合分析3 2 4 4 1 熱一力耦合有限元理論3 2 4 4 2a n s y s 熱應(yīng)力耦合。3 4 4 4 3 溫度3 3 。c 工況轉(zhuǎn)向器熱耦合分析3 5 4 4 4 溫度3 9 工況轉(zhuǎn)向器熱耦合分析。4 0 本章小結(jié)4 5 轉(zhuǎn)向器靜態(tài)試驗(yàn)研究。4 7 性能試驗(yàn)4 7 5 1 - 1 試驗(yàn)對(duì)象4 7 5 1 2 一般要求4 7 5 1 3 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)條件4 7 5 1 4 轉(zhuǎn)向器的試驗(yàn)項(xiàng)目4 9 試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果對(duì)比5 2 本章小結(jié)5 4 總結(jié)與展望5 5 結(jié)論。5 5 展望。5 6 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文 i v 5 7 砷 6 l 6 4 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1引言 第一章緒論 汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用于改變或保持汽車(chē)行駛方向的專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)。在行駛過(guò)程中， 駕駛員可以通過(guò)方向盤(pán)來(lái)操縱和控制汽車(chē)的行駛，從而實(shí)現(xiàn)其改變行駛方向的意 圖，并且在受到路面?zhèn)鱽?lái)的偶爾沖擊及汽車(chē)意外地偏轉(zhuǎn)而改變行駛方向時(shí)，能與 行駛系統(tǒng)配合共同保持汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性和行駛安全性1 1 1 。轉(zhuǎn)向器作為直接關(guān)系到 車(chē)輛性能的關(guān)鍵部件，不僅對(duì)汽車(chē)的行駛安全性、穩(wěn)定性、平順性等有著重要的 作用，而且還對(duì)能源的消耗，駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度也有較大的影響。 汽車(chē)助力轉(zhuǎn)向控制器在車(chē)輛低速行駛及停車(chē)時(shí)提供助力，高速行駛時(shí)則會(huì)抑 制方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)操作的輪胎主銷(xiāo)傾角，提高操縱穩(wěn)定性及安全性，它的質(zhì)量直接反 映著車(chē)輛的質(zhì)量。e p s 助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)一方面要考慮工藝先進(jìn)可行性，注重整 車(chē)的合理配合，結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單、緊湊，保證低速時(shí)轉(zhuǎn)向操縱力小，正向傳動(dòng)效率 高，逆向傳動(dòng)效率適當(dāng)；另一方面要降低減速齒輪和電動(dòng)機(jī)等內(nèi)部摩擦及阻力， 保證轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和間隙盡可能小，提高e p s 性能，改善操縱手感和回正特性【2 】。 如何設(shè)計(jì)出更好的汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性，將始終是各大汽車(chē)公司和科研機(jī)構(gòu)研究 的重要課題【3 1 。 1 2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀 自汽車(chē)發(fā)明1 0 0 多年來(lái)，轉(zhuǎn)向器發(fā)展經(jīng)歷了從最初的機(jī)械式轉(zhuǎn)向器逐步發(fā)展 到液壓助力式轉(zhuǎn)向器、電控液壓助力式轉(zhuǎn)向器、電動(dòng)助力式轉(zhuǎn)向器這三個(gè)階段， 目前轉(zhuǎn)向器總趨勢(shì)正處在液壓助力轉(zhuǎn)向器向電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器發(fā)展的過(guò)渡階段。隨 著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)诒ＷC容易地操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的同時(shí)，更追求安全、輕便、 舒適、環(huán)保的駕駛環(huán)境，其中電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，簡(jiǎn)稱(chēng)e p s ) 以簡(jiǎn)單、輕便、節(jié)能、環(huán)保、可控轉(zhuǎn)向感覺(jué)等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且適應(yīng)新一代電動(dòng)汽 車(chē)和智能汽車(chē)電子化、智能化要求，倍受人們青睞，成為世界汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的研 究熱點(diǎn)【4 】。 電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置( 方向盤(pán)、轉(zhuǎn)向柱等) 、轉(zhuǎn)矩傳 感器、轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)( 助力電機(jī)、離合器、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)) 及電子控制單元；轉(zhuǎn)向 基于熱一結(jié)構(gòu)耦合的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 助力機(jī)構(gòu)作為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件，它的性能決定著整個(gè)轉(zhuǎn)向器的性能， 所以e p s 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。 汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為當(dāng)今世界汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)，同 時(shí)也代表了c a d 和c a e 技術(shù)在汽車(chē)零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用水平。在國(guó)外，e p s 已進(jìn)入 批量生產(chǎn)階段，查閱國(guó)外e p s 相關(guān)資料，對(duì)e p s 的研究論文大多集中在e p s 控制 理論的研究 5 - 9 1 ，結(jié)構(gòu)方面的研究也有很多公司在做進(jìn)一步研究，多家公司已經(jīng)推 出了自己的e p s 產(chǎn)品，如歐美的d e l p h i 、t r w ，日本的n s k 、y o k o 等，其中，以d e l p h i 公司和n s k 公司為主要代表；由于考慮到開(kāi)發(fā)的難易程度、整個(gè)轉(zhuǎn)向系的布置、 價(jià)格、大批量生產(chǎn)的可能性等因素，許多公司在轉(zhuǎn)向柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向研發(fā)上投 入了大量的精力。從目前的研究和實(shí)際產(chǎn)品來(lái)看，d e l p h i 公司的e p s 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 對(duì)于工藝的要求相對(duì)較低，更易于實(shí)際的生產(chǎn)加工。 與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)e p s 研究起步較晚，但很快也已成為研究的熱點(diǎn)。近幾年 許多企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)都在對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究，其中以各大高校的研究為代表：文 獻(xiàn) 1 0 1 鄭蘭霞、胡修池等人對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的二級(jí)行星齒輪減速裝置進(jìn)行了研究， 并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了減速機(jī)構(gòu)的體積，使減速裝置結(jié)構(gòu)更為緊湊， 同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了較大的傳動(dòng)比，滿(mǎn)足了減速比的設(shè)計(jì)要求，為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)品 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；文獻(xiàn) 1 1 1 楊芬、周春國(guó)等人針對(duì)軸助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)減速傳動(dòng)方案出發(fā)，分析了可行的兩種方案各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)，最終選擇了蝸輪蝸桿一 刊g w 差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)，建立了三維模型，并運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行了仿真分析，為后 續(xù)機(jī)構(gòu)特性研究奠定了基礎(chǔ)；文獻(xiàn)【1 2 】楊樹(shù)軍、陳俊杰等人推導(dǎo)了扭桿有效長(zhǎng)度、 剛度、可靠性的計(jì)算公式，并對(duì)所設(shè)計(jì)扭桿的剛度、可靠性進(jìn)行了分析計(jì)算，為扭 桿在實(shí)際應(yīng)用中的剛度、可靠性問(wèn)題提出了理論依據(jù)，為扭桿的設(shè)計(jì)提供了參考； 文獻(xiàn) 1 3 1 9 yjj l 大學(xué)的程凱針對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以u(píng) g 為基礎(chǔ)使用g r i p 語(yǔ)言，完成了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器三維建模的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了e p s 零部件的參數(shù)化 建模、裝配，并以a n s y s 軟件為平臺(tái)，對(duì)e p s 部分零部件的結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)分析 和疲勞計(jì)算等各種靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，利用a n s y s 的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言a p d l ，進(jìn)行 了e p s 建模和c a e 分析過(guò)程的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了有限元分析的參數(shù)化和易用性， 為汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)的建立打下了基礎(chǔ)；文獻(xiàn) 1 4 1 武漢理工大學(xué)楊 溢應(yīng)用m a t l a b 軟件的優(yōu)化工具箱函數(shù)f m i n i m a x ，對(duì)e p s 減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu) 2 一 _rf 。 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 化設(shè)計(jì)，并根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的最優(yōu)解，應(yīng)用p r o e 軟件進(jìn)行e p s 減速機(jī)構(gòu)三 維模型建立，并通過(guò)對(duì)e p s 結(jié)構(gòu)的分析比較，建立齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的三維模型， 完成了e p s 總體模型裝配設(shè)計(jì)。同時(shí)還應(yīng)用a n s y s 軟件對(duì)e p s 結(jié)構(gòu)中齒輪軸及行 星架組件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，為e p s 新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供依據(jù)；文獻(xiàn) 1 5 1 四川大 學(xué)楊建宇利用u g 平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，研究了適用e p s 的參數(shù)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 三維實(shí)體參數(shù)化建模與裝配，并以a n s y s 軟件作為c a e 分析平臺(tái)，對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn) 向器結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析和強(qiáng)度剛度分析，同時(shí)還進(jìn)行了u g 和a n s y s 的二次開(kāi) 發(fā)研究和c a d c a e 集成技術(shù)的研究。 綜合國(guó)內(nèi)外的研究來(lái)看，雖然對(duì)e p s 的研究取得了很大的成果，研究的重點(diǎn) 主要側(cè)重于電子控制系統(tǒng)及控制策略，操穩(wěn)性方面的模擬仿真與優(yōu)化，針對(duì)轉(zhuǎn)向器 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的進(jìn)一步研究還不是很多。而電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器在實(shí)際工作過(guò)程中也 會(huì)承受一定的轉(zhuǎn)矩，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)向器的強(qiáng)度能否滿(mǎn)足工作要求，轉(zhuǎn)向器內(nèi)部 各零部件是否會(huì)產(chǎn)生變形，這些變形是否會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向器內(nèi)部配合部件的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影 響，以及轉(zhuǎn)向器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，內(nèi)部各部件間相互摩擦，產(chǎn)生大量的熱而引起轉(zhuǎn)向 器零部件產(chǎn)生的變形又是否會(huì)影響轉(zhuǎn)向器的性能，這些都是本文考慮的問(wèn)題。 1 3 課題研究的意義 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種直接依靠電動(dòng)機(jī)提供輔助轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它 采用電動(dòng)助力裝置，使駕駛員操縱更加輕松自如，并增加汽車(chē)行駛的安全性，同 時(shí)又具有節(jié)約燃料、有利于環(huán)保、可控轉(zhuǎn)向感覺(jué)等諸多優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的被應(yīng)用 到微型及高級(jí)轎車(chē)上。在車(chē)輛行駛過(guò)程中，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向組件及系統(tǒng)常常工作在 高速度，大扭矩或惡劣條件下，因此對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)向器性能測(cè)試顯得尤其重要。 隨著有限元技術(shù)的不斷成熟與完善，以及通用有限元軟件的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn) 了一種以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)( c a d ) 和有限元分析( f e m ) 為基礎(chǔ)的分析計(jì)算方法， 正廣泛應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題的分析研究，幾乎所有的彈塑性結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題 都可以用它進(jìn)行分析，進(jìn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)修改和優(yōu)化【9 】。本文將采用該方法對(duì)電動(dòng)助力 轉(zhuǎn)向器進(jìn)行仿真分析，這樣不僅可以較直觀地看出轉(zhuǎn)向器內(nèi)部各零件的配合狀態(tài)、 應(yīng)力應(yīng)變情況，還可以模擬一些臺(tái)架試驗(yàn)不易模擬的實(shí)際工況( 如內(nèi)部零部件在 高溫下的變形情況) ，從而迅速的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的所在。同時(shí)，該方法替代了實(shí)物試 3 基于熱一結(jié)構(gòu)耦合的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 驗(yàn)的數(shù)值化“虛擬試驗(yàn)”，大大縮短了設(shè)計(jì)和研發(fā)周期，大幅度地降低了開(kāi)發(fā)成 本。因此，對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器零部件結(jié)構(gòu)的模擬仿真，為e p s 研究人員提供可靠 的數(shù)學(xué)模型和分析，將對(duì)e p s 產(chǎn)品的生產(chǎn)具有更重要的指導(dǎo)意義。 1 4 本文研究的主要內(nèi)容 本文對(duì)e p s 的機(jī)械減速機(jī)構(gòu)部分，利用c a t i a 、h y p e r m e s h 和a n s y s 軟件對(duì)其 各零部件進(jìn)行了數(shù)字化建模以及有限元分析，本文主要研究工作如下： ( 1 ) 依據(jù)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器各零部件的結(jié)構(gòu)尺寸及設(shè)計(jì)要求，以c a t i a 三維軟件 為設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過(guò)自由曲線(xiàn)和公式定義技術(shù)，實(shí)現(xiàn)蝸輪齒廓漸開(kāi)線(xiàn)的參數(shù)化生成， 建立轉(zhuǎn)向器幾何模型； ( 2 ) 簡(jiǎn)單闡述了有限元理論在結(jié)構(gòu)分析上的應(yīng)用及分析方法；針對(duì)助力轉(zhuǎn)向 器的結(jié)構(gòu)分析，建立完整的等效有限元模型，并考慮各接觸關(guān)系對(duì)分析結(jié)構(gòu)的影 響，然后在a n s y s 軟件中進(jìn)行剛度、強(qiáng)度分析，得出其應(yīng)力應(yīng)變分布云圖；驗(yàn)證 轉(zhuǎn)向器各零部件是否滿(mǎn)足剛度、強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，零部件的變形是否影響轉(zhuǎn)向器性 能參數(shù)等； ( 3 ) 由于運(yùn)作過(guò)程中各部件間相互摩擦引起溫度升高，進(jìn)而引起零部件變形， 利用a n s y s 熱耦合功能進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)比各零部件溫度變化前后的變形情況， 分析該變化是否影響轉(zhuǎn)向器的性能，并對(duì)轉(zhuǎn)向器初期設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)； ( 4 ) 參考相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié) 果，驗(yàn)證模型的可靠性及有限元理論的可行性，轉(zhuǎn)向器各項(xiàng)性能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要 求，指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)。 4 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu) 縱觀轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展史，轉(zhuǎn)向器發(fā)展經(jīng)歷了從最初的機(jī)械式轉(zhuǎn)向器逐步發(fā)展 到液壓助力式轉(zhuǎn)向器、電控液壓助力式轉(zhuǎn)向器、電動(dòng)助力式轉(zhuǎn)向器、線(xiàn)控電動(dòng)轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)這四個(gè)階段。隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，電子技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)上， 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于其自身在簡(jiǎn)單、輕便、節(jié)能、環(huán)保、可控轉(zhuǎn)向感覺(jué)等諸多 方面的優(yōu)勢(shì)，正在成為汽車(chē)發(fā)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)展的方向，并逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械式和液 壓助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，成為未來(lái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的新領(lǐng)域。 2 1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的特點(diǎn) 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，與液 壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)【1 0 3 ： ( 1 ) 結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，布置容易，易于維護(hù)保養(yǎng)；電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消 了液壓轉(zhuǎn)向油泵、油缸、液壓管路、油罐等部件，而且電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)可以和轉(zhuǎn) 向柱、轉(zhuǎn)向器做成一個(gè)整體，具有良好的模塊化設(shè)計(jì)，所以整體外形尺寸比液壓 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要小，重量要輕，在生產(chǎn)線(xiàn)上的裝配性好，節(jié)省裝配時(shí)間，易于維 護(hù)保養(yǎng)； ( 2 ) 節(jié)約燃料，有利于環(huán)保；傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油 泵，不管轉(zhuǎn)向或者不轉(zhuǎn)向都要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)部分動(dòng)力。而電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)只是在 轉(zhuǎn)向時(shí)才由電機(jī)提供助力，不轉(zhuǎn)向時(shí)不消耗能量。對(duì)比試驗(yàn)表明：在不轉(zhuǎn)向時(shí)， 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向可以降低燃油消耗2 5 ；在轉(zhuǎn)向時(shí)，可以降低5 5 。同時(shí)省去了液 壓系統(tǒng)，不存在液態(tài)油的泄露問(wèn)題，有利于環(huán)保； ( 3 ) 可以十分靈活地修正轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)向角和車(chē)輛速度信號(hào)的軟件控制程序，并 能自由設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)助力特性。傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，要想獲得不同的助力特性，必須 增加額外的控制器及其它硬件設(shè)備，費(fèi)用增加；較容易與目前國(guó)外發(fā)展的車(chē)輛穩(wěn) 定性控制系統(tǒng)和四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成和匹配，大大改善整車(chē)綜合性能； ( 4 ) 制造成本低，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)；由于電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械部分與機(jī)械轉(zhuǎn)向 器相同，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件數(shù)目相對(duì)較少，制造工藝與液壓零件制造工藝也較 為簡(jiǎn)便，設(shè)備投資少，制造成本低； 5 基于熱一結(jié)構(gòu)耦合的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 ( 5 ) 符合機(jī)電一體化發(fā)展方向；電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是與將來(lái)可能使用4 2 v 電 源系統(tǒng)相匹配的； 由于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有上述多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)獲得了越來(lái)越廣泛的 應(yīng)用。 2 2電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的類(lèi)型 根據(jù)電動(dòng)機(jī)布置位置不同，e p s 可以分為：齒輪助力式( p i n i o n - a s s i s tt y p ee p s ) 、 齒條助力式( r a c k - a s s i s tt y p ee p s ) 、轉(zhuǎn)向柱助力式( c o l u m n a s s i s tt y p ee p s ) 三種 1 7 1 ，如圖2 1 所示： 一k - ) 齒輪助力式b ) 齒豢助力式0 ) 轉(zhuǎn)向往助力式 圖2 1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的布置方案 f i g 2 1l a y o u ts c h e m eo fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gm e c h a n i s m ( 1 ) 齒輪助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器伊一e p s ) p - e p s 的助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)與小齒輪相連，直接驅(qū)動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向 ( 圖2 卜a ) 。由于助力電機(jī)不是安裝在乘客艙內(nèi)，因此可以使用較大的電機(jī)以獲得 較高的助力扭矩，而不必?fù)?dān)心電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太大產(chǎn)生的噪音?？捎糜谥行蛙?chē)輛， 以提供較大的助力。 ( 2 ) 齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器( r e p s ) r - e p s 助力電機(jī)和減速增扭機(jī)構(gòu)則直接驅(qū)動(dòng)齒條提供助力( 圖2 卜b ) 。由于助 力電機(jī)安裝于齒條上的位置比較自由，因此在汽車(chē)的底盤(pán)布置時(shí)非常方便。同時(shí)， 同c e p s 和p e p s 相比，可以提供更大的助力值，所以一般用于比較大的車(chē)輛上。 ( 3 ) 轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器( c e p s ) 本文中研究的轉(zhuǎn)向器為轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器( 如圖2 卜c ) ，其特點(diǎn) 為：助力電機(jī)固定在轉(zhuǎn)向柱的一側(cè)，并通過(guò)蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸相連，直 接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸助力轉(zhuǎn)向。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、易于安裝，現(xiàn)在多數(shù)e p s 均采用 6 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 這種形式。此外，c - e p s 助力裝置還可設(shè)計(jì)成適用于各種轉(zhuǎn)向柱的形式。由于助 力電機(jī)安裝在駕駛艙內(nèi)，受到空間和噪聲的限制，電機(jī)功率一般較小，通常只用 在小型及緊湊型車(chē)輛上。 2 3 轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器是在原機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一套伺 服控制裝置而構(gòu)成，主要有以下的幾部分組成( 圖2 2 ) 。 l 一轉(zhuǎn)向軸總成 2 一轉(zhuǎn)向霄柱總成 3 方向盤(pán)扭矩位置傳感器 4 一蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)5 助力電機(jī) 圖2 2 轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)原理圖 f i g 2 2s t r u c t u r ed r a w i n go fc o l u n m a s s i s te p s 常采用的減速機(jī)構(gòu)有兩種：蝸輪蝸桿和行星齒輪機(jī)構(gòu)；它們的工作原理不同， 前者是通過(guò)提供轉(zhuǎn)向助力，來(lái)減少轉(zhuǎn)向作用力降低轉(zhuǎn)向力；后者是通過(guò)提供一個(gè) 輔助的轉(zhuǎn)向，并經(jīng)過(guò)行星輪系的運(yùn)動(dòng)合成，來(lái)減少轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的角度，最終達(dá)到降 低轉(zhuǎn)向力【1 8 】的目的。 兩種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案各有利弊，由于蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)方案具有助力大小可調(diào)整， 適合前軸負(fù)荷大轉(zhuǎn)向沉重，且對(duì)高速操縱性能要求不高的載貨汽車(chē)上，故本文中 選取的蝸輪蝸桿式減速機(jī)構(gòu)。 2 4 減速機(jī)構(gòu)模型的轉(zhuǎn)化 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都具有電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)，減速機(jī)構(gòu)與電動(dòng)機(jī)相連( 一般還 配有離合器，裝在減速機(jī)構(gòu)一側(cè)，其主要作用是降速增扭，減速比越大，助力轉(zhuǎn)矩也 7 基于熱一結(jié)構(gòu)耦合的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 越大，但這是有條件的，而且會(huì)使得在同一轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加；同時(shí)， 它也對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及整車(chē)性能產(chǎn)生很大影響。因此，設(shè)計(jì)合理的減速機(jī)構(gòu)， 使得其與電動(dòng)機(jī)相匹配以達(dá)到滿(mǎn)足轉(zhuǎn)向要求尤為重要。目前常用的減速機(jī)構(gòu)有多 種結(jié)構(gòu)形式，主要分為：蝸輪蝸桿式、行星齒輪式、循環(huán)球螺母式等三種，本文 選用的是蝸輪蝸桿式。由于蝸輪與蝸桿傳動(dòng)的實(shí)質(zhì)相當(dāng)于用一個(gè)漸開(kāi)線(xiàn)圓柱斜齒 輪來(lái)代替蝸輪傳動(dòng)，因此，將斜齒輪來(lái)代替蝸輪來(lái)進(jìn)行分析計(jì)掣1 9 1 。 2 4 1蝸輪蝸桿傳動(dòng)坐標(biāo)系的建立 為研究蝸輪蝸桿的嚙合過(guò)程，采用兩個(gè)個(gè)坐標(biāo)系，與車(chē)刀相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系 。= 【瓦，云，無(wú)，藝】，與蝸桿相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系。= 【磊，云，z ，】，兩個(gè)坐標(biāo)系之間的 關(guān)系，如圖2 3 所示；坐標(biāo)系。相對(duì)于1 的運(yùn)動(dòng)是：當(dāng)搿繞虧軸回轉(zhuǎn)過(guò)包角時(shí)， 其坐標(biāo)原點(diǎn)吼沿k 。軸方向移動(dòng)一個(gè)距離為p 眈( p 為螺旋運(yùn)動(dòng)參數(shù)) 。 圖2 3 車(chē)削蝸桿時(shí)的坐標(biāo)圖 f i g 2 3c o o r d i n a t es y s t e mi nt u r n i n gt h ew o r m 2 4 2 蝸桿螺旋面方程式 漸開(kāi)線(xiàn)圓柱蝸桿的螺旋面可以用車(chē)刀車(chē)削出來(lái)，該車(chē)刀的切削刃是一段直線(xiàn)， 車(chē)刀的切削刃所在平面，安裝在與蝸桿基圓( 半徑為7 0 1 ) 相切的平面內(nèi)。車(chē)削蟲(chóng)f 桿 時(shí)，假設(shè)蝸桿不動(dòng)，讓車(chē)刀繞蝸桿軸線(xiàn)做螺旋運(yùn)動(dòng)，這樣所得到的軌跡曲面就是 漸開(kāi)線(xiàn)螺旋面，其端面齒廓為漸開(kāi)線(xiàn)【刎。圖2 4 為加工漸丌線(xiàn)蝸桿示意圖 8 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 一 l 一 島 0 0 弓 乏 ，t q 屹1 ， j l 卜一一 車(chē)刀直線(xiàn)刃口在。中的位置，圖2 5 是在與蝸桿軸面相距一個(gè)，距離的平面 內(nèi)。由此可知車(chē)刀刃口直線(xiàn)上任意p 點(diǎn)在圖中的z 一，r , ) 的方程式為： 氣) = 吒毛+ 乩z + 乞屯 ( 2 1 ) 妊x u ：= ：t 0 1 寶 2 ， 式中：磊車(chē)刀傾角等于蝸桿基圓柱的螺旋升角 在1 中的徑矢乍) 方程式： 氣1 ) = _ + y 1 工+ z 1 f 1 ( 2 3 ) 9 基于熱一結(jié)構(gòu)耦合的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 f 五= r 0 1 c o s 包+ u c o s 8 1 s i n g m = r 0 1 s i n 皖一u c o s 8 1 s i n 0 ( 2 4 ) l -乙= 一u s i n8 1 + p 皖 這就是所求蝸桿螺旋面方程式。 由圖2 5 可知，蝸桿齒廓上任意點(diǎn)p 處的切矢口在中的表達(dá)式為 劣( “) = 一c o s 4 z s i n 鹵吒 ( 2 5 ) 得留在1 中的表達(dá)式： 氣1 ) = e o s 4s i n 包一c o s 4c o s o a s i n g ；：l k l ( 2 6 ) 車(chē)削蝸桿時(shí)車(chē)刀與蝸桿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度矢礦( h 1 ) 為： y 似1 ) = p w 似+ 礦似) x 2 m ( 2 - 7 ) 在中，礦( “) - w ( u ) i f u 因此 ，( ”1 ) = p w ( h 屯+ w ( “屯x r ( ) = w 似) ( u c o s 8 1 i + r o l l + p 屯) ( 2 - 8 ) 利用矢量坐標(biāo)變換矩陣可求y 1 ) 在1 中的表達(dá)式： v ( “1 ) = 1 ) + ，l 口1 ) 矗+ y z l ( u 1 ) k l ( 2 9 ) 其中， i d = w ) ( u c o s s , c o s o 一t 0 1 s i n o ) ，y l d = w ( u c o s 4 s i n o + t 0 1 c o s o ) ( 2 1 0 ) k 。d = 擴(kuò)) p 由( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 式，可確定蝸桿齒面上任意點(diǎn)處法矢刀在1 中的表達(dá)式： 口x v ( 口1 ) 肛f 習(xí) 1d l 毛 l 口 ，( “1 ) ：彬0 0 i c o s 4 出色 一c o s 磊c o s 吼一s i n 磊i ( 2 1 2 ) l l c 磊c o s 見(jiàn)一，o ls i n 見(jiàn)u c o s 磊s i n 吃 l r o lc o s 見(jiàn)pl lx v ( u d - w 扛2c o s 2 嘎+ ( p c o s s l - r o l s i n8 1 ) 2 ( 2 - 1 3 ) 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 經(jīng)化簡(jiǎn)后得： 1 uc o s 2 區(qū)+ 仞c o s 磊一r 0 1s i n 4 ) 2 ( 2 1 4 ) f , m4 ( h c o s 4 s i na + t 0 1c o s o ) 一p c o s s lc o s 眈k 1 1 一瞄c o s 磊s i n # + s i n 4 ( u c o s 4c o s o 一r o ls i n 吃) ：k + “c o s 2 磊tj 由p = r 0 1t a n 4 ，代k ( 2 1 4 ) 可得： 刀= s i n s , s i n 牟, 1 , 一s i n 萬(wàn)】印s 純工+ e o s s l k l ( 2 1 5 ) 應(yīng)該指出，在式( 2 1 5 ) 中不應(yīng)該包括u = 0 的點(diǎn)，因?yàn)樵擖c(diǎn)為奇異點(diǎn)。為求得 嚙合方程，還應(yīng)求出1 和2 之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度k ：，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得： 茳囂2 = s i n 葛刪c + o s ( 0 2 一y 2 s i n 緲2 一a ) k 防 b 2 ( z 2c o s 仍一y 2傷) + 礦0 1 少一q ( z 2 一一 坤7 根據(jù)嚙合的基本原理，斜齒輪齒面與蝸桿齒面相互嚙合，也必須要滿(mǎn)足嚙合 條件，即：。 v 1 2 n = o ( 2 1 7 ) 將( 2 15 ) 式和( 2 1 6 ) 式代入( 2 17 ) 式可得嚙合方程【2 1 1 ： ( s i n s l s i n 純毛一s i n 8 i c o sc , 。j l + c o s 8 1 k 1 ) 征_ 吃 ：s i n 弘, 2 + ) ，：c o s e c ) + 劬z ：】f + k ：e o s 伊2 一y ：s i i l 仍) + y 。1 1 ，一q ：c o s 仍一y ：s i n 緲2 一口涉) = o ( 2 1 8 ) 2 4 4 蝸輪蝸桿參數(shù) 由于蝸輪與蝸桿傳動(dòng)的實(shí)質(zhì)相當(dāng)于用一個(gè)漸開(kāi)線(xiàn)圓柱斜齒輪來(lái)代替蝸輪，因 此，將斜齒輪來(lái)代替蝸輪來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算。精確的漸開(kāi)線(xiàn)齒輪三維造型是有限元 仿真分析的前提，因此用漸開(kāi)線(xiàn)方程來(lái)控制輪齒的齒廓曲面形狀，建立精確的齒 輪三維實(shí)體模型。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法的迅速發(fā)展，三維參數(shù) 化設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。c a t i a 強(qiáng)大的三維特征建模功能，提供了大量常用 參數(shù)化特征體，用戶(hù)可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求，很方便的完成一些復(fù)雜三維零件特征造 型和參數(shù)化建模工作，因此，被廣泛應(yīng)用于航天、汽車(chē)、造船和電子設(shè)備等行業(yè)。 1 1 基于熱一結(jié)構(gòu)耦合的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 表2 1 齒輪的基本參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸 本文基于c a t i a 軟件的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，依據(jù)齒輪的基本參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸 ( 見(jiàn)表2 1 ) ，生成精確的漸開(kāi)線(xiàn)圓柱蝸輪蝸桿三維實(shí)體模型( 見(jiàn)附錄a ) ，為后續(xù)的 有限元分析提供有限元幾何模型。 2 。5 本章小結(jié) 本章首先介紹了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、分類(lèi)及工作原理；然后針對(duì)研 究的轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行了介紹，并對(duì)比了兩種減速機(jī)構(gòu)： 蝸輪蝸桿與行星齒輪機(jī)構(gòu)，說(shuō)明了選取蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)越性。然后介紹了齒輪 嚙合原理、坐標(biāo)變化原理和漸開(kāi)線(xiàn)齒廓數(shù)學(xué)方程，并給出了漸開(kāi)線(xiàn)通用畫(huà)法；最 后給出了蝸輪蝸桿的尺寸參數(shù)，并選取c a t i a 為三維實(shí)體建模軟件，為后續(xù)轉(zhuǎn)向器 有限元模型的建立提供幾何模型。 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章有限元技術(shù)基本理論 3 1 有限元方法分析流程 有限元建模過(guò)程在整個(gè)結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，模型建立的好 壞直接影響到計(jì)算的速度和精度。有限元建模方法通常有兩種：一種是直接在c a e 軟件中建立c a d 模型，再對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分；一種是先使用三維c a d 軟件建立實(shí)體 模型，然后導(dǎo)入有限元軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格的劃分【2 2 1 。由于后者建模均在專(zhuān)業(yè)軟件 中進(jìn)行，操作相對(duì)方便容易，故本文選取后者。其主要流程為：建立幾何模型、 選擇分析程序、建立分析模型、仿真分析、結(jié)果分析；也可以把這一流程分為： 前處理、分析計(jì)算和后處理三個(gè)過(guò)程，流程圖如3 1 所示： l ；芒：ec a t i a 中建立結(jié)構(gòu)三維c a d 模型 土 i 將c a d 模型導(dǎo)入到h y p e r m e s h 進(jìn)行等前期處理 上土 l 將有限元模型導(dǎo)入a n s y s 中進(jìn)行分析計(jì)算 ，7 i 對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理 圖3 1 有限元建模流程圖 f i g 3 1t h ef l o wc h a r to ff e am o d e l i n g 3 2 有限元分析方法 有限元方法 2 3 1 是一種解決各類(lèi)工程問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算方法?，F(xiàn)代有限元方法可 以追溯到2 0 世紀(jì)初期，由于該方法人工計(jì)算量大，需要耗費(fèi)大量的人力，當(dāng)時(shí)并 未得到廣泛的推廣。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，使得 有限元理論和計(jì)算機(jī)軟件有機(jī)地結(jié)合在了一起，經(jīng)過(guò)研究人員多年的不斷努力， 基于熱一結(jié)構(gòu)耦合的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 有限元理論和算法的同趨完善，現(xiàn)已成為工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析中的一種重要手段， 由于它的通用性和有效性，受到航空航天、船舶、土木建筑、機(jī)械及車(chē)輛工程等 領(lǐng)域的高度重視。 3 2 1有限元法基本步驟 有限元法的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的實(shí)際結(jié)構(gòu)，利用c a d 軟件建立三維幾何 模型，將三維實(shí)體模型離散化，并