汽车动力转向器是汽车转向系统的核心部分，它是完成由旋转运动到直线运动（或近似直线运动）的一组齿轮机构，同时也是转向系统中的减速传动装置。它的功用是增大驾驶员作用在转向盘上的力并改变力的传递方向。按传动副的结构形式分类，目前在汽车上广泛采用的动力转向器类型有齿轮齿条式、循环球－齿条齿扇式、循环球－曲柄指销式和蜗杆曲柄指销式等几种结构形式［１］。循环球式转向器由于正传动效率很高（可达９０％～９５％），操纵轻便，使用寿命长，工作平稳、可靠，因而广泛应用于各类各级汽车，如解放ＣＡ１０４０系列轻型载货汽车、北京ＢＪ１０４１型、北京ＢＪ２０２３型、解放ＣＡ１０９１型和黄河ＪＮ１１８１Ｃ１３型等汽车都采用这种转向器［２］。
汽车转向器在工作过程中，对汽车行驶过程中的急转弯工况以及路面状态的变化极其敏感。在极端情况下，甚至会使汽车动力转向器发出全部扭矩并受到冲击作用。因此，在汽车动力转向器设计阶段，必须充分考虑到在汽车行驶的各个工况中，汽车动力转向器都能满足可靠性要求。然而，传统的设计方法大都是建立在经验的基础上，不但难以保证可靠性要求，而且结构笨拙。为了改善以经验为基础进行设计的盲目性，工程师开始通过重物下落敲击齿扇的方法来模拟汽车动力转向器受到的冲击作用，以便对汽车动力转向器特性进行改进。但是这种方法耗时长，效率低，而且浪费材料。随着数字制造技术的发展，基于ＣＡＤ／ＣＡＥ技术建立汽车动力转向器的仿真模型并进行可靠性分析，可以避免传统分析试验方法中耗资巨大的制造原型的步骤，并能够准确模拟出汽车动力转向器工作时的应力水平，使汽车动力转向器研发时间缩短、研制费用减少［３］；同时可以以高油压和轻质量作为目标进行多方案的优化设计，实现汽车动力转向器各零部件的结构优化设计。
１汽车动力转向器结构及工作原理
循环球—齿条齿扇式转向器中一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级一般采用齿条齿扇传动副。为了减少转向螺杆和转向螺母之间的摩擦，两者之间的螺纹以沿螺旋槽滚动的许多钢球代之，使滑动摩擦变为滚动摩擦。
图１是某汽车动力转向器有限公司生产的循环球—齿条齿扇式动力转向器。转向器壳体１１，同时也是转向动力缸的缸体；转向螺母９也是动力缸的活塞，其上加工有齿条并与臂轴上的齿扇相啮合。转向螺母的前端用密封圈１２将动力缸分成左、右两腔。转向螺杆８的前端用销１０与扭杆１连接，后端
基于ＣＡＤ／ＣＡＥ的汽车动力转向器可靠性分析
王小立，周瑞平
（武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉４３００６３）
摘要：基于ＣＡＤ／ＣＡＥ技术建立了汽车动力转向器的仿真模型，并对汽车动力转向器在最大输出扭矩工况下工作时进行了可靠性分析，比较准确地模拟出了汽车动力转向器在极端工况下工作时的应力水平，具有重要的经济意义。
关键词：汽车；动力转向器；ＣＡＤ／ＣＡＥ；可靠性分析
中图分类号：Ｕ４６３．４４＋４文献标识码：Ａ文章编号：１００５－２５５０（２００８）０４－００２３－０４
ＶｅｈｉｃｌｅＤｙｎａｍｉｃＲｅｄｉｒｅｃｔｏｒＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙＡｎａｌｙｓｉｓＢａｓｅｄｏｎＣＡＤ／ＣＡＥ
ＷＡＮＧＸｉａｏ－ｌｉ，ＺＨＯＵＲｕｉ－ｐｉｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００６３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｄｙｎａｍｉｃｒｅｄｉｒｅｃｔｏｒａｎｄｈａｓａｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｄｙｎａｍｉｃｒｅｄｉｒｅｃｔｏｒｗｈｅｎｉｔｗｏｒｋｓａｔｔｈｅｍｏｓｔｏｕｔｐｕｔｔｏｒｓｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＣＡＤ／ＣＡＥ，ｗｈｉｃｈｓｉｍｕｌａｔｅｓｔｈｅｓｔｒｅｓｓｌｅｖｅｒｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｄｙｎａｍｉｃｒｅｄｉｒｅｃｔｏｒｗｈｅｎｉｔｗｏｒｋｓａｔｔｈｅｅｘｔｒｅｍｉｔｙｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｃｃｕｒａｔｅｌｙａｎｄｈａｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｃｏｎｏｍｉｃｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ；ｄｙｎａｍｉｃｒｅｄｉｒｅｃｔｏｒ；ＣＡＤ／ＣＡＥ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ
收稿日期：２００７－１１－０１
２３
汽车结构图··
制成圆筒形，其内圆面上加工有油道，并用轴承１４支承在转向器后端盖４上。扭杆的后端用销３与转阀阀心２连接。阀心２与转阀阀体５用销７连接成一体。阀心２用花键与转向轴连接。
图１汽车动力转向器结构图
当扭杆１受到来自方向盘顺时针方向的扭转作用力时，阀心２、转向阀体５、螺杆８将同时顺时针转动。由于受到转向节臂传来的路面转向阻力，臂轴、动力缸活塞（转向螺母９）暂时不能运动，使得螺杆相对转向螺母向左移动一段距离。这样，动力缸活塞右端容积变小，从而使动力缸右腔成为高压的进油腔，左腔则成为低压的回油腔。作用在动力缸活塞上向左的液压作用力，帮助转向螺母迫使转臂轴逆时针转动，从而驱动车轮转向。一旦方向盘停止转动，动力缸就立刻停止工作，螺母位置保持不变，臂轴不转动，则车轮转角也就保持一定。若方向盘继续转动时，转向动力缸又继续工作。若方向盘逆时针
转动时，扭杆、阀心、转向阀体、螺杆的转动方向以及动力缸活塞移动的方向均与前述相反，则车轮转向也相反。
２主要零部件受力计算
汽车动力转向器在工作的过程中是依靠螺母齿条对臂轴齿扇的作用力来驱动车轮转向的。根据机械设计的有关理论，螺母齿条对臂轴齿扇的作用力Ｆｎ（法向力），可分解为Ｆｒ（径向力）和Ｆｔ（切向力）。
根据受力平衡可知，如果忽略螺母和壳体之间的摩擦力，则Ｆ
ｔ
等于油压作用在活塞水平力Ｆ乘以工作效率，即
Ｆｔ＝Ｆη（１）式中，η为汽车动力转向器工作效率。
Ｆ可表示为：
Ｆ＝!Ｄ２
Ｐ
４（
２）式中，Ｄ为缸径；Ｐ为油压。
而Ｆ
ｎ
与Ｆ
ｒ
和Ｆ
ｔ
有如下关系式：
Ｆｎ＝
Ｆｔ
ｓｉｎ"（
３）
Ｆｒ＝Ｆｔｔａｎ"（４）式中，"为压力角，一般取为２０°。
汽车动力转向器在最大输出扭矩工况下油压为１５ＭＰａ，效率为１００％，通过计算可得汽车动力转向
器在最大输出扭矩工况时螺母和臂轴之间的啮合力（Ｆｎ）为１．０５２２３×１０５Ｎ，方向为垂直接触面；螺母和
壳体之间的作用力Ｆ
ｒ
为４．２５９×１０４Ｎ，沿径向方向。３主要零部件仿真模型的建立
图２是基于ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ建立的汽车动力转向器主要零部件的三维实体模型。也可以看出，汽
车动力转向器各零部件形状较为复杂，在臂轴输出端上分布有螺纹和花键等结构，螺母上有螺纹、小油孔和小倒角等结构，壳体上有螺纹、凸台、小油孔和小倒角等结构。建立有限元模型时，不可能将这些复杂的结构全部考虑进去，否则模型过于复杂，甚至会达到无法计算的地步，因此必须根据有限元分析的需要对它们进行必要的简化。根据Ｓａｉｎｔ－Ｖｅｎａｎｔ原理［４］，可以通过抑制或忽略对计算精度影响很小的局部特征，如直径较小的螺钉孔、油孔和较小的倒（圆）角以及一些凸台和凹槽等，得到适合有限元网格划分的实体模型。因此，在Ｐｒｏ／Ｅ里通过忽略螺纹、花键、小油孔一些较小的倒角后，将简化后的三维实体模型导入ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ软件，采用４节点四面体划分网格，建立了如图３所示的有限元模型。
图２汽车动力转向器主要零部件三维实体模型
图３有限元模型
１２１１１０９８７６５Ｐ４
３２１
１５
１４
Ｏ
１５
１．扭杆；２．阀心；３、７、１０．销；４．转向器后端盖；５．转阀阀体；
６．转阀隔套；８．转向螺杆；９．转向螺母；１１．转向器壳体；
１２．密封圈；１３．臂轴；１４、１５．轴承；Ｐ为转阀进油道；Ｏ为转阀回油道
（ａ）臂轴（ｂ）螺母（ｃ）壳体２４
··
４主要零部件极端工况可靠性分析
汽车动力转向器在工作时的工况是在不断变化着的，为了保证各种工况下汽车动力转向器都能够持续可靠的运行，本文将对汽车动力转向器在最大输出扭矩工况下工作时进行可靠性分析。在ＭＳＣ．
ＰＡＴＲＡＮ里分别定义臂轴、转向螺母和壳体的材料属性、单元属性、载荷和边界条件，然后提交到ＭＳＣ．ＮＡＳＴＲＡＮ进行有限元分析计算。由于汽车动力转向器各零部件是塑性材料，通常以屈服
的形式失效，因此在结构分析中通常采用ＶｏｎＭｉｓｅｓ等效应力方法。
汽车动力转向器在工作时，摇臂轴和螺母的接触面是在不断变化的，因此要想准确计算出它们之间的应力水平是很困难的。为了模拟出摇臂轴和螺母之间的接触面对他们受力的影响，作者按照一定的规律，在摇臂轴和螺母的齿面上分别选取齿底部、齿中部和齿顶部表面作为接触面并进行有限元计算，来归纳摇臂轴和螺母在相互作用时各自的应力变化规律。从有限元计算结果来看，当摇臂轴在侧齿中部和螺母啮合时，摇臂轴受到的应力最大，此时其有限元计算结果如图４所示；而螺母在最底端齿顶部和摇臂轴啮合时，螺母受到的应力最大，此时其有限元计算结果如图５所示；壳体最大受力情况下的有限元计算结果如图６和７所示（为了便于观察壳体内部的应力情况，笔者特意将壳体分割成壳体上部和壳体下部两个部分）。
图４臂轴应力云图
图５螺母应力云图
图６壳体上部应力云图
图７壳体下部应力云图
５计算结果及分析
由图４～图７的应力云图上可以看出，汽车动力转向器在最大输出扭矩工况下工作时，臂轴最大应力出现在中间齿靠近输出端下侧截面过渡处；螺母最大应力出现在最底端齿根部截面过渡处；壳体最大应力发生在壳体下部高压油管道出口处。从该汽车动力转向器有限公司提供的故障报告以及多年来的实践经验来看，本文对臂轴、转向螺母以及壳体的应力计算结果和实际情况是比较接近的，说明本文利用ＣＡＤ／ＣＡＥ技术建立汽车动力转向器的仿真模型以及对其进行的可靠性分析是比较准确的，具有一定的参考价值。在实际生产过程中，基于ＣＡＥ的汽车动力转向器应力计算结果，可以通过优化局部结构来改善汽车动力转向器工作时的应力水平。对于臂轴，可以通过在出现最大应力截面过渡处采用较大的圆角或卸载机构来减小此处的应力水平；对于螺母，同理也可以在出现最大应力截面过渡处采用较大的圆角或卸载机构来减小此处的应力水平；对于壳体，可以通过改进壳体下部结构，将平底壳体底部设计成球形壳体底部来改善壳体底部的应力水平。
从应力云图上也可以看出，当汽车动力转向器在最大输出扭矩工况下运行时，臂轴，螺母，壳体的最大应力值分别是６８９ＭＰａ、６６９ＭＰａ、２６２ＭＰａ。表１为汽车动力转向器主要零部件材料各自的屈服强度，由表１可以看出，汽车动力转向器主要零部件在工作时的最大应力值均在各自的强度允许范围之内，因此都满足可靠性要求。
表１汽车动力转向器主要零部件最大应力值
构件
最大应力
值／ＭＰａ
材料
材料屈服
强度／ＭＰａ臂轴６８９２０ＣｒＭｎＴｉ８３５
螺母６６９２０ＣｒＭｎＴｉ８３５
壳体２６２ＱＴ４５０－１０３１０
２５
··
６结论
本文基于ＣＡＤ／ＣＡＥ技术建立了汽车动力转
向器的仿真模型并对其进行了可靠性分析，准确模拟出了汽车动力转向器主要零部件在极端工况下工作时的应力水平，对优化局部结构、指导汽车动力转向器的设计和分析，都具有很强的参考价值和实际应用价值。在今后的相关研究中，还可以利用ＭＳＣ．Ｆａｔｉｇｕｅ模块对汽车动力转向器主要零部件（臂轴，螺母，壳体）进行疲劳寿命的预测和分
析。参考文献：
［１］陈勇，朱敬德，徐解民．汽车转向器油缸和壳体的压铆装
置设计［Ｊ］．机械制造与自动化，２００６，（５）：５０￣５２．［２］臧杰，阎岩．汽车构造［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００５．［３］皇甫世汇．基于ＣＡＥ技术的汽车转向器柱碰撞分析［Ｊ］．机
电工程，２００７，（２）：２３￣２５．
［４］程昌钧，朱媛媛．弹性力学［Ｍ］．上海：上海大学出版社，
２００５．
收稿日期：２００７－０９－１９；修回日期：２００８－０６－１０
汽车ＮＶＨ指噪声（Ｎｏｉｓｅ）、振动（Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）和声振粗糙度（Ｈａｒｓｈｎｅｓｓ）。噪声和振动通常联系在一起。声振粗糙度指噪声和振动的品质，是描述人体对振动和噪声的主观感觉［１］。
对动力总成悬置进行优化，主要是控制动力总成的固有频率并减小振动耦合。常用解耦方法有：使动力总成刚度矩阵的非对角元素为零，以消除刚度耦合；优化各自由度上的能量分布，减小主要振动方向上的振动耦合［２］。
本文主要研究汽车动力总成的ＮＶＨ性能。目
前很多对动力总成的研究与整车隔离起来。实际上，动力总成与悬架等子系统有相互作用。因此，首先建立动力总成和底盘的耦合振动模型。在对振动的研究基础上，利用能量解耦法对悬置系统进行优化，以提高动力总成的振动解耦程度，减小振动耦合。
１
汽车动力总成建模
１．１
建立动力总成的运动方程
发动机与离合器、变速器等连在一起，组成动力
总成，通过悬置系统与车架／车身连接。
王景蓉，陈无畏
（合肥工业大学，合肥２３０００９）
摘要：主要对动力总成的ＮＶＨ性能进行研究，特别是动力总成的振动。首先建立ＮＶＨ的数学模型，进行性能的理论分析和仿真。在此基础上，利用能量解耦法的原理对其悬置系统进行优化，以改进动力总成的ＮＶＨ性能。仿真结果表明，优化后的系统结构参数极大地降低了整车振动，提高了乘坐舒适性。关键词：动力总成；ＮＶＨ；能量解耦；建模；仿真；优化中图分类号：Ｕ４６１．４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００５－２５５０（２００８）０４－００２６－０５
ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
ＮＶＨｏｎＶｅｈｉｃｌｅＰｏｗｅｒｔｒａｉｎ
ＷＡＮＧＪｉｎｇ－ｒｏｎｇ，ＣＨＥＮＷｕ－ｗｅｉ
（ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｉｓｏｎＮＶＨｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ，ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｏｎｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｍａｔｈｅ－ｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆＮＶＨｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｒｅｍａｄｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｔｒａｉｎｍｏｕｎｔｓｓｙｓｔｅｍｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅＮＶＨｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｖｅｈｉｃｌｅｉｓｒｅｄｕｃｅｄｇｒｅａｔｌｙ，ａｎｄｔｈｅａｍｅｎｉｔｙｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ；ＮＶＨ；ｅｎｅｒｇｙｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
２６··