汽车EPS减速机构改进设计及试验分析

汽车EPS减速机构改进设计及试验分析邵阳学院 李宏斌，彭芳桂（邵阳学院机械与能源工程系10级机械电子工程，湖南邵阳422004）指导教师：陈志刚（教授）摘 要：本文介绍了EPS减速机构目前存在的问题，通过参数优化和结构改进消除了间隙带来的异响；改进后的EPS减速机构的强度增加，变形减轻，蜗杆轴向窜动量减小，并通过试验进行了验证。关键词：EPS；系统组成；减速机构；试验一、EPS概述汽车EPS(electric power steering)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元(ECU)等组成。EPS系统具有很多优点：仅在需要转向时才启动电机产生助力,能减少发动机燃油消耗，根据车型的不同，使用电动助力转向系统能够降低燃油费用5%-10%；能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平对转向系的扰动，改善汽车的转向特性,提高汽车的主动安全性；没有液压回路,调整和检测更容易,装配自动化程度更高,且可通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配,缩短生产和开发周期；不存在漏油问题,减小对环境的污染。EPS系统是未来动力转向系统的发展趋势1。基于国产EPS由于产品结构参数及相关控制技术的落后导致产品整体稳定性和可靠性跟国外产品有较大差距、电机的噪音及与蜗杆匹配间隙会造成换向异响等情况，运用机械强度学、摩擦学、最优化设计等理论和采用计算机辅助分析手段为核心的现代设计方法和技术，对EPS减速机构进行了理论计算、参数及结构优化及试验研究等方面的研究和应用。二、EPS减速机构改进设计目前国内生产的汽车电动助力转向器的电机减速装置大多数采用的是蜗轮蜗杆机构。由于制造和安装误差，蜗轮蜗杆在啮合时将会产生齿侧间隙。当蜗杆的转动方向发生改变时，由于齿侧间隙的存在，会导致反向间隙产生，使得蜗杆的反向转动不能立即传递给蜗轮，这样造成了机械传动的误差，同时会使蜗轮蜗杆产生冲击带来异响。为了提高机械传动的精度并消除异响，必须消除这种间隙2-3。专利号为200620051107.X公开了这样一种装置：其中蜗杆预紧机构由压紧螺堵，螺母，前后轴承组成，压紧螺堵，螺母固定在蜗杆轴的前端，压紧螺堵与前轴承端面相接，后轴承刚性连接在蜗杆轴后端。通过旋紧压紧螺堵，可以实现一个方向的预紧。如图1所示。然而此种方法，当蜗杆反复正反交替运转时，蜗杆与蜗轮齿面将会磨损，使得蜗轮蜗杆又会出现齿侧间隙，并且间隙随着磨损的增加而增大。另一方面，蜗杆轴与前后支撑轴承直接接触，在施加预压时，为允许蜗杆轴相对支撑轴承的内圈或外圈倾斜，通常蜗杆轴与支撑轴承内圈彼此接触并有一个微小的间隙，如果由来自路面的输入等所致的轻负荷被施加到蜗杆轴上，则会产生一径向负荷而使蜗杆轴移动使得蜗杆轴与支撑轴承内圈直接接触而产生异常响声，同时严重影响轴承的使用寿命。因此希望改进一种结构能方便调整并能保证蜗杆轴向压紧力，使蜗杆无轴向窜动，同时在蜗轮蜗杆使用过程中能自动调整齿侧间隙，并且蜗杆轴可相对于支撑轴承的内圈倾斜，能可靠防止由蜗杆轴和轴承的内圈在他们之间的微小间隙中引起的金属撞击出现异常响声现象的汽车电动助力转向器蜗杆预紧装置。改进后的结构如图2所示4-5。图1 EPS减速结构1-电机，2-花键轴，3-挡圈，4-前轴承，5-蜗杆轴，6-后轴承，7-压盖，8-调节螺钉，9-壳体，10-蜗轮图2 改进后EPS减速结构 1-蜗轮，2-缓冲件，3-电机，4-电机转子轴，5-软凸爪，6-弹性材料垫片，7-软凸爪，8-锁紧螺套，9-左端支撑轴承，10-蜗杆，11-壳体，12-轴承保持件，13-右端支撑轴承，14-轴承衬套，15-弹簧改进后的减速结构包含有电机和壳体，壳体内包含有蜗轮、蜗杆、蜗杆轴向压紧装置；电机转子轴与蜗杆前端由一对牙嵌结构形式凸爪镶嵌连接；而蜗杆轴向压紧装置由锁紧螺套、左、右端支撑轴承、缓冲件、轴承保持件、轴承衬套、弹簧组成；蜗杆与左端支撑轴承的内圈之间形成有一微小间隙，以使蜗杆能相对于所述左端支撑轴承的内圈倾斜；右端支撑轴承通过一轴承保持件与弹簧固定安装在外壳上，在右端支撑轴承内圈上设置一轴承衬套，轴承衬套的内表面与蜗杆之间存在一间隙；左端支撑轴承右端面与蜗杆左端轴肩的左端面接触；锁紧螺套与壳体是螺纹连接，且锁紧螺套的右端面与左端支撑轴承的左端面接触；右端支撑轴承的左端面与蜗杆右端轴肩的右端面接触6。改进后结构与改进前相比有如下优点：（1）设置于蜗杆轴与左端支撑轴承内圈之间的周向沟里的缓冲件为一弹性元件，装配后，弹性元件被压缩，沿蜗杆的径向方向产生一个反作用力，当没有负荷作用时，蜗杆轴相对于左端支撑轴承内圈有一微小间隙彼此不会接触，能防止二者因碰撞产生异常响声；若由来自路面的输入等所致的轻负荷施加到蜗杆上，则会产生一径向负荷使蜗杆产生径向移动，此径向力可以被弹性元件所吸收，从而也可以可靠防止二者因碰撞产生异常响声，并可以增加轴承的使用寿命。（2）右端支撑轴承通过一保持件安装在外壳上，在右端支撑轴承内圈上设置一轴承衬套，衬套内表面与蜗杆之间存在一定间隙，当来自路面的输入等所致的负荷施加到蜗杆上时，可以防止蜗杆与右端支撑轴承内圈，右端支撑轴承外圈与壳体之间直接接触发生碰撞而产生异常响声，能消除来自路面的振动，保证传替的平稳性，并可以增加轴承的使用寿命。（3）轴承保持件右端面与壳体之间联接一弹簧，当调整锁紧螺套时可以给弹簧一个初始压缩量，可以消除蜗轮蜗杆初始齿隙，当齿面发生磨损后，在弹簧力作用下可以自动消除反向间隙7-8。三、减速机构试验分析1减速机构强度试验首先对结构改进后的电动助力转向器进行减速机构强度试验，方法是固定蜗杆，在输出轴上施加190Nm的力矩时，输出轴是否无损坏及变形并符合性能标准要求，同时在输出轴上施加230Nm力矩时，输出轴无损坏及变形。试验数据如表1所示。试验结果表明，在输出轴上施加230N。m力矩后，蜗轮蜗杆无损坏及变形，结论为合格，说明改进结构满足强度要求。2减速机构蜗杆轴向和径向窜动量试验通过对蜗杆进行轴向和径向加载，加载范围为正负50N，分别记录位移值，若轴向窜动量小于等于0.05mm，同时径向窜动量小于等于0.015mm则为合格。通过对改进前和改进后进行测试对比，测试数据如表2，表3所示表1总成性能名称试验前试验后启动力矩N.m1.31.37转动力矩N.in1.11.16转动力矩波动N.m0.710.77输入轴轴向间隙0.040.05输入轴径向间隙0.0140.015最大助力（左）N.m23.5823.23最大助力（右）N.m22.6322.56蜗轮蜗杆间隙57输入力矩波动N.m0.490.56输出为5N.m时的滞后1.331.31表2改进前蜗杆窜动量样本1样本2样本3轴向窜动量0.040.040.03径向窜动量0.0150.0150.01表3改进后蜗杆窜动量样本1样本2样本3轴向窜动量0.040.040.03径向窜动量0.0150.0150.01通过对比可知，改进后的结构明显减小了轴向和径向动量。四、结论通过对EPS减速机构的参数优化和结构改进，增加了减速机构的强度，减轻了蜗轮蜗杆的变形，减小了蜗杆轴向和径向窜动量。EPS代表未来汽车动力转向技术的发展方向之一，将作为标配件装备到汽车上，并将在动力转向领域占据主导地位。EPS具有非常广阔的应用前景，有必要加大投入进行研究开发。参考文献：1左建令. 汽车电动助力系统的分类及应用特点J.上海汽车，2009，12:25-27.2胡春花. 汽车电动助力系统的设计J.常州工学院学报，2009，22（4）:53-56.3范心明，程小华. 汽车EPS系统用电动机综述J.防爆电机，2006，41（33）:1-5.4刘照. 汽车电动助力转向系统动力学分析与控制方法研究用D.武汉:华中科技大学，2004.5周廷明，刘志辉等. 电动助力转向系统及其关键技术J.机床与液压，2012，40（7）：176-179.6陈志刚，刘志辉等. 电动助力转向器蜗杆预紧装置P.中国专利：201120211558.6，2012-03-11.7晋兵营，宁广庆等. 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）:1-5.8陈志刚，李梦奇等. 零件设计过程多学科协同优化J.中南大学学报（自然科学版），2012，43：947-952.