（车辆工程专业论文）基于adams与matlab的汽车电动助力转向系统的联合仿真.pdf

武汉理= 人学硕十学位论文 摘要 汽车的电动助力转向系统( e s p ) 是近些年出现的一种先进的汽车助力转向 系统，该系统相比起传统的机械式转向系统和液压式助力转向系统有着节能、 环保、减轻自重、可移植性好、结构简单、布置灵活等诸多的优点，因此它已 经成为当今汽车转向助力系统广泛采用的技术之一。 计算机技术的发展和虚拟样机技术的出现为简化机械产品的设计开发过 程、缩短开发周期、减少产品开发费用和成本、优化和创新设计产品提供了新 的方式。因此本文借助于当今世界上最为广泛运用的a d a m s 多刚体动力学仿真 软件对汽车的转向系统和整车进行动力学的仿真与分析，利用强大的控制分析 软件m a t l a b s i m u l i n k 与a d a m s 动力学系统进行联合仿真，对于整车操纵稳定性 以及控制的优化做深入的分析与探讨，最后在现有的操纵稳定性问题研究的基 础上对于仿真的结果做出具体的评价与改进。 本文一共分为六章： 第一章介绍了汽车转向系统的发展过程，分别阐述各种形式转向系统的结 构形式与优缺点；重点介绍了电动助力转向系统的结构原理、组成、以及分类 和国内外的研究状况，说明了本论文研究的主要类容和出发点。 第二章重点分析介绍了本论文的研究方法，运用多体学的原理与分析软件 建立起虚拟样机机构；动力学仿真软件a d a m s 以及强大的系统控制分析软件 m a t l a b 的介绍。 第三章介绍本文建模的过程，即使用a d a m s c a r 模块分别建立起整车的各 个子系统( 在适当的简化和假设的前提之下) ，以及介绍整车的动力学模型的建 立。 第四章重点介绍汽车电动助力转向系统的建模过程以及利用a d a m s 的 c o n t r o l 模块与m a t l a b s i m u l i n k 的控制接口设置，在此基础之上介绍联合仿真的 实现方法；对转向助力曲线做的概念、分类以及确定本论文采用的助力曲线的 方法形式，在m a t l a b s i m u l i n k 下建立系统的模型，通过各种工况的仿真分析， 检验联合仿真的模型和e p s 系统的基本助力性能。 第五章介绍了e s p 系统的控制策略的研究与分析，目前e p s 系统主要采用 的控制策略以及特点；介绍操纵稳定性的评价与分析方法，分析控制对于整车 操纵稳定性的影响。 第六章对本文的工作做了总结，提出了不足与展望。 武汉理工人学硕士学位论文 关键词：电动助力转向助力曲线联合仿真操纵稳定性 a b s t r a c t t h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( e s p ) i sa l la d v a n c e da u t o m o t i v ep o w e r s t e e r i n gs y s t e mw h i c hc o m i n gr e c e n t l y c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a l h y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e ma n dp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，i t h a sal o to fa d v a n t a g es u c h a ss a v i n ge n e r g y ，p r o t e c t i n go u re n v i r o n m e n t ，r e d u c i n gw e i g h ta n de a s yt oe x p l a n t b e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r e ，f l e x i b l el a y o u ta n dm a n yo t h e ra d v a n t a g e s ，i th a s b e c o m eak i n do ft e c h n i ci np o w e rs t e e r i n gs y s t e mw h i c hi sw i d e l yu s e dn o w a d a y s t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h ec o m i n go fv i r t u a lm o d e l i n g t e c h n o l o g yp r o v i d ean e ww a yt o s h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，r e d u c ep r o d u c t d e v e l o p m e n tc o s t s ，a n do p t i m i z ep r o d u c td e s i g n s i n t h i sa r t i c l e ，w em a k et h e s i m u l a t i o no nt h es t e e r i n gs y s t e ma n dt h ew h o l ev e h i c l eb yu s i n gt h em u l t i - r i g i d - b o d y d y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r ew h i c hi sw i d e l yu s e di nt h ew o r l dn o w a d a y s w em a k e i n d e p t hs t u d y a n da n a l y s i so nt h ev e h i c l eh a n d i n gp e r f o r m a n c ea n dc o n t r o l - o p t i m i z a t i o n a n df i n a l l yw em a k ee v a l u a t i o na n di m p r o v e m e n to nt h er e s u l to ft h e s i m u l a t i o nb a s e do nt h es t u d yo ft h es i m u l a t i o n t h et h e s i si n c l u d e ss i xc h a p t e r s ： i nc h a p t e ro n e ，i tf i r s t l yi n t r o d u c et h eh i s t o r yo fp o w e rs t e e r i n gs y s t e m s ，a l s o i n c l u d i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s t r u c t u r e t h et h e s i sf o c u s e s m a i n l yo nt h es t r u c t u r eo ft h ep r i n c i p l e ，a sw e l la st h ea sw e l la st h ec l a s s i f i c a t i o na n d s t u d yo ft h es i t u a t i o nh o m ea n da b r o a d s ot h em a i nt y p e so fc a p a c i t ya n d t h es t a r t i n g p o i n tw e r ed e s c r i b e d i nc h a p t e rt w o ，i n t r o d u c e dt h er e s e a r c hm e t h o d s b yu s i n gm u l t i - b o d ys y s t e m d y n a m i c st h e o r yt ob u i l tt h ev i r t u a lm o d e l d y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dt h e s y s t e mc o n t r o ls i m u l a t i o ns o f t w a r ew e r ea l s oi n t r o d u c e d t h et h i r dc h a p t e ri sd e v o t e dt om o d e l i n gt h ep r o c e s so ft h i sa r t i c l e t h a ti s d e s c r i b e dt h es i m p l i f i c a t i o na n da s s u m p t i o n si nd e t a i l m o d e l i n gm e t h o d so fv a r i o u s s u b s y s t e m sa n d v e h i c l ea s s e m b l yw e r ei n t r o d u c e dt o o i nc h a p t e rf o u r ，w ef o c u s i n go nt h em o d e l i n gp r o c e s so fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e m ，a n dt h ec o n t r o li n t e r f a c es e t t i n gb yt h eu s eo ft h em o d e l i n gp r o c e s so f t h e i i 武汉理工人学硕士学位论文 关键词：电动助力转向助力曲线联合仿真操纵稳定性 a b s t r a c t t h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( e s p ) i sa l la d v a n c e da u t o m o t i v ep o w e r s t e e r i n gs y s t e mw h i c hc o m i n gr e c e n t l y c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a l h y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e ma n dp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，i t h a sal o to fa d v a n t a g es u c h a ss a v i n ge n e r g y ，p r o t e c t i n go u re n v i r o n m e n t ，r e d u c i n gw e i g h ta n de a s yt oe x p l a n t b e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r e ，f l e x i b l el a y o u ta n dm a n yo t h e ra d v a n t a g e s ，i th a s b e c o m eak i n do ft e c h n i ci np o w e rs t e e r i n gs y s t e mw h i c hi sw i d e l yu s e dn o w a d a y s t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h ec o m i n go fv i r t u a lm o d e l i n g t e c h n o l o g yp r o v i d ean e ww a yt o s h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，r e d u c ep r o d u c t d e v e l o p m e n tc o s t s ，a n do p t i m i z ep r o d u c td e s i g n s i n t h i sa r t i c l e ，w em a k et h e s i m u l a t i o no nt h es t e e r i n gs y s t e ma n dt h ew h o l ev e h i c l eb yu s i n gt h em u l t i - r i g i d - b o d y d y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r ew h i c hi sw i d e l yu s e di nt h ew o r l dn o w a d a y s w em a k e i n d e p t hs t u d y a n da n a l y s i so nt h ev e h i c l eh a n d i n gp e r f o r m a n c ea n dc o n t r o l - o p t i m i z a t i o n a n df i n a l l yw em a k ee v a l u a t i o na n di m p r o v e m e n to nt h er e s u l to ft h e s i m u l a t i o nb a s e do nt h es t u d yo ft h es i m u l a t i o n t h et h e s i si n c l u d e ss i xc h a p t e r s ： i nc h a p t e ro n e ，i tf i r s t l yi n t r o d u c et h eh i s t o r yo fp o w e rs t e e r i n gs y s t e m s ，a l s o i n c l u d i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s t r u c t u r e t h et h e s i sf o c u s e s m a i n l yo nt h es t r u c t u r eo ft h ep r i n c i p l e ，a sw e l la st h ea sw e l la st h ec l a s s i f i c a t i o na n d s t u d yo ft h es i t u a t i o nh o m ea n da b r o a d s ot h em a i nt y p e so fc a p a c i t ya n d t h es t a r t i n g p o i n tw e r ed e s c r i b e d i nc h a p t e rt w o ，i n t r o d u c e dt h er e s e a r c hm e t h o d s b yu s i n gm u l t i - b o d ys y s t e m d y n a m i c st h e o r yt ob u i l tt h ev i r t u a lm o d e l d y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dt h e s y s t e mc o n t r o ls i m u l a t i o ns o f t w a r ew e r ea l s oi n t r o d u c e d t h et h i r dc h a p t e ri sd e v o t e dt om o d e l i n gt h ep r o c e s so ft h i sa r t i c l e t h a ti s d e s c r i b e dt h es i m p l i f i c a t i o na n da s s u m p t i o n si nd e t a i l m o d e l i n gm e t h o d so fv a r i o u s s u b s y s t e m sa n d v e h i c l ea s s e m b l yw e r ei n t r o d u c e dt o o i nc h a p t e rf o u r ，w ef o c u s i n go nt h em o d e l i n gp r o c e s so fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e m ，a n dt h ec o n t r o li n t e r f a c es e t t i n gb yt h eu s eo ft h em o d e l i n gp r o c e s so f t h e i i 武汉理丁大学硕士学位论文 c o n t r o lm o d u l ei na d a m sa n dm a t l a b s i m u l i n k o nt h i sb a s i sw ei n t r o d u c et h e r e a l i z a t i o no fc o s i m u l a t i o nm e t h o d s i n t r o d u c et h ec o n c e p ta n dt h ec l a s s i f i c a t i o no f s t e e r i n gc u r v e t oa s c e r t a i nt h ep o w e r i n gc u r v ew eu s e di nt h i st h e s i s t h eb u i l d i n g p r o c e s so fc o n t r o l m o d e li nm a t l a b s i m u l i n k a s l os i m u l a t i o nw a se m p l o y e dt ov e r i f y t h ec o - s i m u l a t i o nm o d e la c h i e v e dt h eb a s i cf u n c t i o n so fp o w e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v e i nc h a p t e rf i v e ，i n t r o d u c e dt h es i m u l m i o na n dc o n c l u s i o no fr e s e a r c ho nt h e a f f e c t i o nt oh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo fe p sa n ds o m ep a r a m e t e r sw h e nt h ec a rr e a c h e s t h ea d h e s i o nl i m i t a n da tl a s tt h ei n f l u e n c ec a u s e db yt h ec o n t r o l - s t r a t e g yw e r e a n a l y z e d i nc h a p t e rs i x ，t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i sw a ss u m m e du p ，a n di n t r o d u c e dt h e s h o r t c o m i n g so f t h e s i sa n d t h ep r o s p e c t so f t h ef u t u r ew o r k k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，a s s i s tc h a r a c t e r i s t i c ，c o - s i m u l m i o n ， h a n d l i n ga n ds t a b i l i t y i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日期：掣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着汽车工业的发展与社会经济的进步，汽车已经成为人们日常生活必不 可少的交通工具。而伴随着人们对于汽车行驶安全以及操控要求的提高，人们 要求在汽车的频繁使用过程中能够减轻疲劳，操纵轻便灵活并且容易驾驶，这 也对汽车的平顺性和操纵稳定性提出了越来越高的要求。汽车转向机构对于操 纵稳定性也有着密切的联系，因此研究e p s 系统与汽车操纵稳定性的关系具有 十分积极的意义。 从助力转向技术运用于汽车设计中以后，转向系统的轻便性和灵活性就一 直困扰着汽车设计者。按照传统的汽车理论：合理的设计汽车车轮定位参数可 以使得汽车具有一定的回正能力，从而提高汽车的操纵稳定性，虽然回正力矩 能在很大程度上保证了汽车操纵稳定性，但却增加了驾驶员转向阻力，尤其是 重型车辆在低速转向时，由于驾驶员工作强度很高，容易产生疲劳，故不利于 驾驶时的舒适性。在问题出现的初期往往通过而增加转向系减速来解决这个问 题，但是这也带来一系列的问题如减速装置机构庞大不利于布置等等缺点，于 是出现了借助外力来作为转向助力装置的方法，因此出现了最早期的汽车助力 转向装置。 经过多年的研究和发展，转向装置经历了传统的机械助力转向、液压助力 转向、电控助力转向、电动助力转向和线控助力转向五个阶段。而汽车电动助 力转向系统( e p s ) 是近年来发展起来的一种新型转向系统，同传统的机械转向 和液压转向系统相比，电动助力转向具有节约燃料、减轻自重、提高主动安全 性、有利于环保等一系列优点，正逐步取代传统的液压动力转向，成为世界汽 车技术发展的研究热点之一【l 】。 因此本文借助虚拟样机技术与控制软件对爱丽舍轿车进行联合仿真，建立 起机械系统和电气控制系统的联合仿真平台，运用此平台可以快速、高效的进 行e p s 的开发以及与整车的匹配验证工作，如研究助力系统的控制特性、参数 匹配与优化工作，虚拟仿真实验等。对于汽车企业和科研机构加快产品开发、 v i i 武汉理上人学硕+ 学位论文 降低开发费用、进行汽车基础理论研究有着积极重要的意义。 1 2 汽车助力转向技术发展概述 汽车助力转向系统发展经历了4 个基本发展阶段【l 】：机械式的液压动力转向 系、电控式液压助力转向系统( e h p s ) ，电动式电子控制动力转向系统( e p s ) 和线 控助力转向系统( s t e e r - b y - w i r e ) 。 1 2 1 机械式的液压动力转向系统 机械式的液压动力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、v 型 传动皮带、储油罐等部件构成。无论车是否转向，系统总要处于工作状态，能 耗较高，而且在大转向车速较低时，需要液压泵输出更大的功率以获得比较大 的助力，又由于液压泵的压力很大，也比较容易损害助力系统，且不易安装和 维护【1 】【2 1 。少数大型车也有采用气压动力转向的，但这类动力转向系统的共同缺 点是结构复杂、消耗功率大，容易产生泄漏，转向力不易有效控制等。 1 2 2 电控式液压助力转向系统( e h p s ) 电控式液压助力转向系统( e h p s ) 是在传统的液压动力转向系统的基础上 增设电子控制装置而构成的。根据控制方式的不同，e h p s 又可分为流量控制式、 反力控制式和阀灵敏度控制式三种形式【2 】。其所有工作的状态都是由电子控制单 元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态，并控制电磁阀， 使转向动力放大实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求，但即使 是最新的e h p s 也无法根除液压助力系统在布置、安装、密封性、操控性、能量 消耗、磨损与噪音等固有缺憾。 1 2 3 电动助力式转向系统( e p s ) 电动助力式转向系统利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向，不 同车型的e p s 结构部件尽管不一样，但其基本原理是一致的。e p s 在结构上一 般是由转矩传感器、电子控制单元e c u 、电动机、电磁离合器以及减速机构构 成。它以电动机作为动力源，以电子控制单元为控制核心，通过受控的电动机 对转向的机械部分进行助力。当汽车处于直线行驶状态时，e p s 便处于s t a n d y 2 武汉理一r 人学硕十学位论文 状态，电动机停止工作时，只有在汽车进行转向时，系统才实现助力控制作用。 因而，e p s 系统可以很容易的实现在全速范围内的最佳助力控制，在低速行驶时 保证汽车的转向灵活轻便，同时兼具在高速行驶时保证汽车转向稳定可靠。与 传统的转向系统相比，e p s 系统结构简单，灵活性大，可以获得理想的转向操 纵稳定性，能动态地适应汽车行驶状况的变化，在操纵舒适性、安全性、节能 等方面也充分显示了其优越性。虽然目前应用还不很广泛，但具有非常广阔的 市场前景。据专家预测，e p s 的产量正以1 0 的速度增加，到2 0 1 0 年，全世 界3 0 的轿车将安装e p s 。与电控液压助力转向系统相比e p s 用电能取代液压 能，减少了发动机的能量消耗，符合汽车发展中的安全、环保、节能三大主题， 己成为世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一，具有广泛的应用前景。 1 2 4 电子转向系统或线控转向系统 早在2 0 世纪5 0 年代，t r w 等转向系统开发商就做了大胆的假设，将方向 盘与转向车轮之间用控制信号代替原有的机械连接。在2 0 0 1 年的第7 l 届日 内瓦国际汽车展览会上，意大利的b e r t o n e 汽车设计及开发公司展示了新型概 念车“f i l o ”。“f i l o ”采用了“d r i v e b y w i r e ”系统，所有的驾驶动作都通过信号 传递的。它使用操纵杆进行转向操作，并采用了最新的4 2 v 供电系统【l 】【4 1 。德 国奔驰公司在1 9 9 0 年开始了前轮线控转向的研究，并将它开发的线控转向系统 应用于概念车f 4 0 0 c a r v i n g 上。日本k o y o 也开发了线控转向系统，但为了保证 系统的安全，仍然保留了转向盘与转向轮之间的机械部分，即通过离合器连接， 当线控转向失效时通过离合器结合回复到机械转向。宝马汽车公司的概念车 b m wz 2 2 ，应用了s b w 技术，转向盘的转动范围减少到了1 6 0 0 ，极大的降低 了紧急转向时驾驶员的忙碌程度。意大利b e r t o n e 设计开发的概念车f i l o 、雪 铁龙越野车c c r o s s e r 、戴克概念车r 1 2 9 都采用了线控转向系统。2 0 0 3 年日本 本田公司在纽约国际车展上推出l e x u sh p x 概念车，也采用了线控转向系统， 在仪表盘上集成了各种控制功能，实现车辆的自动控制。由于线控转向装置取 消了方向盘和车轮的机械连接，可以任意设计传动比，对转向轮进行主动控制， 并对随车速变化的参数进行补偿，实现理想的转向特性，所以可以提高操纵稳 定性，并且可以便于底盘的布置。 武汉理下大学硕士学位论文 1 3 电动助力转向系统介绍 1 3 1 电动助力转向系统的结构 电动助力转向系统是在传统机械转向机构的基础上发展起来的。系统通常 由转矩传感器、车速传感器、电子控制器、电动机、电磁离合器和减速机构等 组成【7 1 ，其结构示意如图1 1 。 图1 1 电动助力转向系统结构简图 1 3 2 电动助力转向系统的工作原理 传感器与转向轴( 小齿轮轴) 连接在一起，当方向盘转动时，扭矩传感器可以 根据输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动角位移迅速测出转向阻力矩 的大小，把它转换成电信号传给e c u ，同时车速传感器测出的汽车车速也产生 一个电信号给e c u 。e c u 根据车速传感器和转矩传感器的信号，经过运算处 理后，向电机发出控制信号决定其旋转方向和助力。 在电流的作用下，使电机转动产生助力扭矩，该扭矩经减速机构降速增扭 后，施加在下转向轴上，从而完成实时控制助力转向。对助力的基本要求是， 随转向盘转矩的增加，助力应增加，以使转向轻便：随车速的提升，助力应减小， 4 武汉理丁大学硕士学位论文 以保持高速转向时的路感。另外，转向系统还应对来自路面的高频干扰有一定 的抑制作用，以改善转向盘的手感。 1 3 3e p s 系统分类 根据电动机驱动部位的不同，可以将e p s 转向系统分为三类：转向轴助力 式、转向器小齿轮助力式和齿条助力式。 转向轴助力式e p s 系统的转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构组 成一体，安装在转向柱上。其特点是结构紧凑、所测取的转矩信号与控制直流 电机助力的响应性较好。这种类型一般在轿车上使用。 小齿轮助力式转向系统的转矩传感器、电动机、离合器和转向助力机构仍 为体，只是整体安装在转向小齿轮处，直接给小齿轮助力，可获得较大的转 向力。该形式可使各部件布置更方便，但是当转向盘与转向器之间装有万向传 动装置时，由于转矩信号的取得与助力车轮部分不在同一直线上的原因，其助 力控制特性难以保证准确。 齿条助力式转向系统的转矩传感器单独布置在小齿轮处，电动机与转向助 力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，用以给齿条助力。 由于转向轴助力式e p s 系统具有结构简单紧凑，成本低、维修方便等优越 性，所以应用相对较广泛，本文将采用这一结构形式的e p s 系统建立模型。 1 4 电动助力转向系统的国内外研究现状 1 4 1 国外现状 由于e p s 系统具有上述一系列的优越性，因此一经出现就受到国际汽车工 业界的高度重视，现在已成为世界汽车技术发展的研究热点。国外汽车公司对 e p s 系统的研究已经有2 0 多年的历史，但是却一直没有取得大的进展，其主 要原因是e p s 系统的成本太高。近几年来随着电子技术的发展，大幅度降低成 本已成为可能，加上e p s 系统具有的优点，使得它越来越受到人们的青睐。电 动助力转向最先应用在日本的微型轿车上。1 9 8 8 年2 月日本铃木公司开发出 一种全新的电子控制式电动助力转向系统，将其装备在c e r v o 车上，随后还用 在了a l t o 车上。在此之后，电动助力转向技术如雨后春笋般得到了迅速的发展。 日本的大发汽车公司，三菱汽车公司，本田汽车公司，美国的d e l p h i 汽车系统 武汉理一i ：火学硕士学1 ：7 = 论文 公司、t r w 公司、德国的z f 公司等，都相继研制出各自的e p s 系统。大发 汽车公司在其m i r a 车上装备了e p s ，三菱汽车公司则在其m i n i c a 车上装备 了e p s ；本田汽车公司的a c c o r d 车目前已经选装e p s ；d e l p h i 汽车系统公司 已经为大众的p o l o ，欧宝的3 1 8 i 以及菲亚特的p u n t o 开发出e p s1 3 j 。t r w 从 1 9 9 8 年开始，加大投入致力于e p s 的开发。他们最初针对客车开发出转向轴 助力式e p s ，如今小齿轮助力式e p s 开发也已获成功。1 9 9 9 年3 月，他们的 e p s 已经装备在轿车上，如f o r df i e s t a 和m a z d a3 2 3 f 等。m e r c e d e s b e n z 和 s i e m e n sa u t o m o t i v e 两大公司共同投资了6 5 0 0 万英镑用于开发e p s ，他们的目 标是到2 0 0 2 年装车，年产3 0 0 力套，成为全球e p s 制造商。他们计划丌发 出适用于汽车前桥负荷超过1 2 0 0 k g 的e p s ，因此轻型轿车也将可能成为e p s 的装备目标。只本早期的e p s 仅仅在低速和停车时提供助力，高速时e p s 将 停止助力。新一代的e p s 则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时 提高汽车的操纵稳定性。如铃木公司装备在w a g o n r 车上的e p s 是一个负载 路面车速感应型助力转向系统。d e l p h i 为p u n t o 车开发的e p s 属全速助力型， 并且首次设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车 7 】。当 车速大于7 0 k m h 时，这两个开关设置的程序是一样的，以保证汽车在高速时 有合适的路感。这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发 生危险。市区型开关还与油门相关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向 更平滑。 1 4 2 国内现状 在中国，e p s 目前j 下处于技术开发和产业转化的初期，共有研究单位1 0 0 多家，e p s 产品基本上都能实现转向助力功能，但也存在一定问题，如转向盘 抖振、噪声大、左右转向不对称等。在产业化方面，整车企业在电控技术及e p s 的行业标准方面存在滞后性，e p s 研发单位与整车企业的全面合作尚不够深入， 因此其样机得不到全面的考核，涉及整车操纵稳定性能方面的研究较岁7 】。 电动助力转向系统研究已被我国列为高新科技产业项目之一，也已有部分 高校和企业联合，形成“产、学、研”为一体的研究和开发，但是真正的应用于实 车中还比较少，没有行成大规模的产业国内企业和高校对于e p s 的研究开始与 9 0 年代，主要集中在清华大学，吉林大学等等：在系统结构方案设计、系统建 模和动力分析等方面研究，取得了一系列的成果。其中大部分的研究工作集中 在对e p s 系统的建模助力特性的研究方向上。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章多刚体动力学理论基础介绍及相关软件 本章将介绍多缸体动力学的基础理论知识以及采用的研究方法，在此基础 之上将详细介绍多刚体分析软件a d a m s 已经联合仿真使用的m a t l a b 软件【9 1 。 2 1 多刚体动力学简介 多体系统是指由多个物体通过运动副连接的复杂机械系统。多体系统动力 学是研究多体系统( 一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成) 运动规律 的科学。它是在近3 0 年来在经典力学基础上发展起来的专门解决复杂机械系 统的运动学和动力学问题的新的学科分支，与车辆设计、航天器控制、机器人 学、机械动力学等领域密切相关，根本目的是应用计算机技术进行复杂机械系 统的动力学分析与仿真。它的发展经历了多刚体系统动力学和计算系统动力学 两个发展阶段，目前已趋于成熟。 2 2 多刚体系统动力学的分析方法 分析由多个刚体组成的机械系统，原则上可采用传统的经典力学方法 【1 0 】【1 l 】【1 2 】，即以牛顿欧拉方程为代表的矢量力学方法，但随着组成机械系统的刚 体数目的增多，刚体之间的联系状况和约束方式就会变得极其复杂，绞约束力 的出现会使未知变量的数目显著增加。采用以拉格朗日方程为代表的分析力学 方法可以避免出现不做功的理想约束反力，使未知变量的数目减少到最低程度； 但随着刚体数和自由度的增多，动能和势能函数的项数会急剧扩张，求导数的 计算工作量庞大，求导过程繁琐枯燥且容易出错，尤其是若采用传统的独立的 拉格朗日广义坐标，在建立系统的动力学方程时会变得非常困难【2 2 1 。1 9 6 6 年罗 伯森( r o b e r s o n ) 和维滕堡( w i t t e n b u r g ) 创造性地把图论引入多刚体系统动力 学，使这个学科分支跨入新阶段。另外，美国的凯恩和苏联的波波夫等人先后 提出了各自的方法来解决这些复杂系统的动力学问题。多刚体系统动力学中有 下述几种研究方法( 如图2 1 所示) ：图论方法；( 2 ) 凯恩方法；( 3 ) 旋量方法；( 4 ) 最大数量坐标法：( 5 ) 变分方法。方法虽各不相同，但它们的共同点是采用程式 化的方法，利用计算机解决复杂力学系统的分析与综合问题，这给多刚体系统 7 武汉理，r ：人学硕十学位论文 动力学理论带来了很多优点【2 2 】：适用对象广泛。由于多刚体系统动力学是由计 算机按程式化方法自动建模和分析，并且只要输入少量信息就可以对多种结构 及多种联接方式的系统进行计算，因此其通用性强，同一程序可对各类复杂系 统进行分析；可计算大位移运动。多刚体系统动力学的公式推导是建立在有限 位移基础上的，因此既可做力学系统微幅振动的分析，又可做系统大位移运动 分析，这更符合系统的实际运动状况，并且给研究非线性问题带来很大方便， 能够使计算结果更精确；模型精度高。多刚体系统动力学的数学模型可由计算 机自动生成，不必考虑推导公式的难易程度【s 】。所以不但适用于较简单的平面模 型，而且更适用于复杂的三维空间模型j 。 2 3 多体系统动力学在汽车动力学分析中的运用 多体动力学应用于汽车设计，并借以计算机仿真实现，是一项前沿技术。 随着其理论研究的逐步深入，计算方法的日渐成熟以及计算机技术的迅猛发展， 这门科学开始走向实用。 汽车本身是一个复杂的多体系统，外界载荷的作用更加复杂，加上人一车 一环境的相互作用，给汽车系统动力学研究带来了很大困难。过去的许多情况 下，不得不把模型简化( 如单自由度，双自由度模型) ，以便使用古典力学方法 人工求解，对于汽车振动系统中大多数非线性原件( 如轮胎，变刚度悬架，橡 胶衬套等) 也只能采用简易算法进行局部线性模拟，从而导致车辆的许多重要 特性无法得到较精确的定量分析。现在，理论方法与计算手段的突破，力学模 型由线性模型发展到非线性模型，模型的自由度由两自由度发展到数十个甚至 数百个自由度。模拟计算由稳态响应特性模拟发展到瞬态响应特性和转弯制动 模拟研究。由车辆环境构成的开环控制系统也被具有驾驶员神经网络模型的闭 环控制系统取代。研究分析的范围包括：运动分析、静态( 准静态) 分析、动 态分析、灵敏度分析等【2 4 】。总之对于复杂的汽车系统来说，多体动力学方法是 一种高效率，高精度的分析方法。 2 4 动力学仿真软件a d a m s 介绍 机械系统分析软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a l s y s t e m ) 是世界上应用最为权威的机械系统动力学仿真分析软件眦1 6 1 。软件是美 武汉理t 大学硕士学位论文 国m d i ( m e c h a n i c a l d y n a m i c si n c ) 公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，是 虚拟样机领域中非常优秀的软件，目前已经广泛地应用到汽车制造业、工程机 械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等领域，并取得了满意的效果。 a d a m s 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的 机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎同方程方 法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析， 输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。a d a m s 软件的仿真可用于预测机械 系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等， 如图2 1 所示。用户利用a d a m s 软件可以建立和测试虚拟样机，实现在计算机 上仿真分析复杂机械系统的运动性能。输出我们需要的数据曲线用来分析并改 进设计。并且该软件针对不同行业的需要提供了相应的专业模块以满足行业设 计人员的不同要求，使设计效率明显提耐5 1 。该软件的主要特点是通过它建立的 虚拟模型能很好地反映实际的物理模型，其仿真的结果也能很好地与实际物理 模型的结果相吻合。 銎城鬻| 差霎趵黉 伤巍l 嫒露溅蘩辩挽巍虢穗 势掰 l 邂 ，协鼹静撅 纺鬟缝臻l 翘坡谚糍绣凝 结耩l 绘嬲铴巍端壤窃统 簸涯馈黧l 辕入霞皱羧锘 鲐貌缝缀l 渗臻。蔹缎觳糍彩缓 勃凌耱绦臻7 缴? 、一一一一 轰 。一l 爆麓准黪身羧老疆耱磺黢 鬃鬻k 萎妻蘧渺鞠滋 馥鬟锯鬟l 设鬻弼受彩羧纛 纷坜l 忿必缓i 受麓 瓣篓k 蒌； 檄扩黼螨 图2 ia d a m s 的设计流程 9 武汉理j ：人学硕士学位论文 机械系统分析软件a d a m s 使用交互式图形环境和部件库、约束库、力库， 用堆积木式的方法建立三维机械系统参数化模型，并通过对其运动性能的仿真 分析和比较来研究“虚拟样机”可供选择的设计方案。a d a m s 仿真可用于估计机 械系统性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的载荷输入。 a d a m s 软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5 类模 块组成。用户不仅可以采用通用模块对一