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原文传递汽车电动助力转向系统助力机构的疲劳耐久性能研究

论文题名：	汽车电动助力转向系统助力机构的疲劳耐久性能研究
关键词：	汽车转向系统;电动助力;尼龙蜗轮;动力学性能;疲劳耐久性
摘要：	随着汽车技术的飞速发展，人们对车辆的操作稳定性、安全性、可靠性以及灵敏性提出了更高的要求。汽车电动助力转向系统通过转向助力机构的减速增扭作用来辅助驾驶员对汽车转向的操控，使汽车在低速时转向更加轻便，高速时更加沉稳，这样能减轻驾驶员的行车疲劳，又能保证驾驶过程中的操控稳定性。因此转向助力机构输出转矩的稳定性和可靠性就显得格外重要，而蜗轮蜗杆作为转向助力机构的传动机构，其中的尼龙蜗轮的动力学性能和疲劳耐久性能是转向助力机构功能实现乃至整个汽车转向系统安全可靠运行的关键。因此，本文建立汽车转向系统助力机构的多体动力学模型，研究在多工况动态加载条件下的转向助力机构的动力学性能和尼龙蜗轮的疲劳耐久性能，同时对转向助力机构进行了疲劳试验，具体内容如下：　　（1）运用多刚体动力学理论和参数化建模方法，建立了整个转向助力机构的多刚体动力学模型，包括蜗轮蜗杆、轴承、弹性元件等，并利用多体动力学软件RecurDyn进行动力学仿真与验证。通过蜗杆驱动转矩、蜗轮转速的试验验证以及蜗轮受力的理论验证，对比表明仿真结果误差均小于5%，验证了多刚体动力学仿真模型的建模精度较高，为尼龙蜗轮齿根应力的分析和疲劳耐久性能的研究奠定理论基础。　　（2）将尼龙蜗轮进行柔性化处理，并对蜗轮蜗杆进行刚柔耦合接触分析，建立了转向助力机构的刚柔耦合动力学仿真模型。利用加速度测试试验数据与仿真结果的曲线对比，发现仿真模型的动态特性与转向助力机构实际工作状态较为吻合。通过动力学仿真，得到了蜗轮齿根应力的动态仿真结果，再进行静力学仿真和齿根应力理论计算，将动力学仿真结果和静力学仿真结果、理论计算值进行对比，误差分别为3.52%和4.08%，表明：在一定建模精度下，通过刚柔耦合建模仿真可得到准确的蜗轮齿根动态应力结果。　　（3）搭建了转向助力机构的疲劳试验台架，按照三种载荷谱加载方案对其进行疲劳耐久试验。通过对数正态分布、二参数威布尔分布以及三参数威布尔分布对不同载荷谱下的疲劳寿命数据进行统计处理，发现三参数威布尔分布的相关系数均优于其他分布类型，通过检验拟合度，发现在5%的显著度要求下，三参数威布尔分布能被接受，确定其为疲劳寿命分布类型。最后，得到了不同载荷谱加载方案下的疲劳寿命分布函数，通过分布函数得到不同失效概率下的蜗轮弯曲疲劳寿命。　　（4）将转向助力机构疲劳试验的载荷谱加载方案转换为动力学仿真边界条件，得到了不同载荷谱加载方案下的尼龙蜗轮齿根应力动态仿真结果。再结合疲劳损伤影响因子和MM修正法则对蜗轮材料尼龙66的S-N曲线进行修正，利用修正的S-N曲线和齿根应力动态仿真结果，得到了与疲劳试验相同的三种载荷谱加载方案下的尼龙蜗轮疲劳寿命以及寿命云图。最后，利用柯式检验法检验仿真疲劳寿命，表明疲劳寿命仿真结果满足置信度为95%的检验统计量标准，验证了本文搭建的转向助力机构疲劳寿命仿真模型代替疲劳试验的可行性和准确性。　　基于转向助力机构的刚柔耦合动力学仿真分析和尼龙蜗轮的疲劳耐久性能研究，揭示了影响转向助力机构疲劳耐久性能的主要因素及其规律，丰富了转向助力机构的设计理论，为汽车电动助力转向系统助力机构的研究和应用提供了重要参考依据。
作者：	陈剑飞
专业：	机械工程
导师：	王树林
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文