（车辆工程专业论文）基于虚拟样机的eps助力特性对汽车操纵稳定性影响研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 汽车转向系统作为专门用来控制汽车行驶方向的系统，是与汽车的操纵稳定 性关系最为密切的。它的性能直接关系到汽车的安全性和舒适性。因此对转向系 统的研究就成为操纵稳定性研究的热点之一。随着转向系统的不断发展，越来越 多的汽车开始应用集环保、节能、安全、舒适为一体的电动助力转向系统。计算 机技术的迅速发展，机械系统多体动力学软件a d a m s 的开发，为电动助力转向 系统的研究提供的更为方便有效的平台。 本文借助浙江省重点区域攻关项目“汽车电动助力转向器开发及关键技术研 究”，在对e p s 深入研究的基础上，以a d a m s 作为主要的仿真平台，引入我国 操纵稳定性评价标准，对电动助力转向的直线型、折线型、曲线型三种助力特性 对汽车操纵稳定性的影响，及如何选择三种助力特性曲线进行了深入的研究。 本文的主要研究内容包括以下几个方面： 1 、在阅读大量文献的基础上，对电动助力转向系统及其助力特性的主要类 型，发展过程，研究现状进行研究。并针对目前对助力特性的研究所存 在的一些问题，确定本文主要研究方向。 2 、对我国对汽车操纵稳定性的评价标准及实验方法进行学习研究，另外学 习分析国外对转向盘力特性的测定及评价标准。 3 、利用多体动力学理论，应用a d a m s 软件建立了整车模型，包括前、后 悬架系统模型，转向系统模型、轮胎模型和传动与制动系统模型，针对 转向系统应用新的加载助力的方法，进行相关文件的编写。通过对建立 整车模型进行仿真与实车实验的对比，确定模型的正确性。 4 、针对所确定的仿真试验进行了驾驶员控制文件的编写。提出了曲线型助 力特性方程。引入均匀设计的实验方法和国家标准的操纵稳定性评价评 分系统，分别应用直线型、折线型、曲线型三种助力特性进行操纵稳定 性的转向回正性能和轻便性仿真分析，应用回归分析的方法得到转向回 正效果及轻便性效果较优的助力特性曲线参数。为不同助力特性下的参 数选择提供指导。 本文的主要工作特色在于：以虚拟样机技术为核心，建立了整车模型，应用 新的增加助力的方法，引入了操纵稳定性评价系统和均匀设计的实验方法，对电 动助力转向系统的不同助力特性进行了研究，提出了曲线助力特性的方程，并且 分别给出了三种助力特性下操纵稳定性较好的助力特性参数。研究方法和结论对 电动助力转向产品的开发有定指导作用和参考价值。 关键词：电动助力转向操纵稳定性助力特性a d a m s 评价 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t e e r i n gs y s t e mi su s e dt oc o n t r o lt h ed i r e c t i o no f t h ev e h i c l er u n n i n g , a n di ti s a l s ot h em a i nf a c t o rf o rt h eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo fv e h i c l e s i t sp e r f o r m a n c ew i l l a f f e c tt h es a f e t ya n dc o m f o r to f v e h i c l e s s ot h er e s e a r c ho f t h es t e e r i n gs y s t e mi st h e i m p o r t a n to n eo f t h eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yr e s e a r c h e s b e c a u s et h ed e v e l o p i n go f t h e s t e e r i n gs y s t e m , t h ee l e c t r i cp o w e r - a s s i s t e ds t e e r i n g p s ) i sg o o df o re n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n , e c o n o m i c a lf u e l ，s a f e t ya n dc o m f o r t m o r ea n dm o r ee p sa r eu s e dt o i n s t a l li nt h ev e h i c l e s n ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p m e rt e c h n o l o g ya n dt h e a p p l i c a t i o no f t h es o f t w a r ea d a m sh e l pu sd om o r er e s e 卿h e sa b o u tt h ee p sb e t t e r 伯et h e s i si sb a s e do nt h em o s ti m p o r t a n tp r o j e do fz h e j i a n gp r o v i n c ei n2 0 0 4 b a s eo nt h ea n a l y s i so f e p s ，u s i n gt h ea d a m ss o i b , v a r e ，a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a l e v a l u a t i o ns t a n d a r d0 1 1t h ev e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y , t h i st h e s i sr e s e a r c ht h ee f f e c t t ot h eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yw h e nt h ee p su s et h r e ek i n d so fa s s i s t e dc h a r a c t e r i s t i c l i n e s , t h es t r a i g h tl i n e ，t h eb r o k e nl i n ea n dt h ec u r v el i n e 1 1 1 et h e s i sa l s or e s e a r c h e s h o wt 0c h o o s et h ea s s i s t e dc h a r a c t e r i s t i cl i n e s t h ep r i n c i p a lc o n t e n t ss t u d i e di nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 r e a d i n gl o t so fl i t e r a t u r e sa n dd a t a , r e s e a r c h i n gt h em a i nt y p e s ，t h ed e v e l o p p r o c e s sa n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fe p sa n di t sa s s i s tc h a r a c t e r i s t i c d e c i d e t h er e s e a r c hd i r e c t i o nt os o l v es o m ep r o b l e m so f e p s 2 s t u d i e do nt h en a t i o n a le v a l u a t i o ns t a n d a r do fv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y a n dt h ef o r e i g ne v a l u a t i o ns t a n d a r do f t h e s t e e r i n gw h e e lf o r c e 3 b a s e d0 1 1t h em u l t i b o d yd y n a m i c s , u s i n gt h ea d a m ss o f t w a r e ，b u i l tt h e v e h i c l em o d e li n c l u d i n gt h ef r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o ns y s t e m ，t h es t e e r i n g s y s t e m ，t i r e ss y s t e ma n dp o w e rt r a i na n db r a k es y s t e m a p p l i e dan e ww a yt o a d dt h ea s s i s tp o w e ro nt h es t e e r i n gs y s t e ma n dc o m p i l e dt h ef i l e sw h i c ha r e u s e di nt h es i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a l s t a n d a r d , t h ev i r t u a l e x p e r i m e n t s ( t h es t e e r i n ge f f o r t st e s ta n dd o u b l el a n dc h a n g et e s t ) w e r ec a r r i e d o u t c o m p a r e dw i t l lt h er e a le x p e r i m e n tr e s u l t s t h em o d e li sp r o v e dt ob e r e a s o n a b l ea n da p p l i c a b l e 4 a c c o r d i n gt ot h ev i r t u a le x p e r i m e n t sc o m p i l e dt h ed r i v e rc o n t r o lf i l e sa n d d r i v e rc o n t r o ld a t af i l e s r a i s e dt h ea s s i s t c h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o n o ft h ec u l n e l i n eu s e dt h eu n i f o r md e s i g nm e t h o da n dt h en a t i o n a le v a l u a t i o nm e t h o do f v e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y , s i m u l a t e da n da n a l y z e dt h er e t t l r na b i l i t ya n d s t e e r i n ge f f o r tw h e nt h ee p su s et h r e ed i f f e r e n ta s s i s tc h a r a c t e r i s t i c s u s i n g 浙江大学硕十学位论文 t h er e g r e s s i o na n a l y s i sm e t h o dt of i n dt h eb e t t e rp a r a m e t e r so ft h ea s s i s t c h a r a e t e r i s t i cl i n e s p r o v i d e dt h er e f e r e n c ea n dd i r e c t i o nf o rt h ep a r a m e t e r c h o i c e 1 1 1 em a i ni n n o v a t i o i l si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： b a s e do nt h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , b u i l tt h ev e h i c l em o d e l a p p l i e dan e w w a yt oa d dt h ea s s i s tp o w e rf o r c eo nt h es t e e r i n gs y s t e m a p p l i e dt h en a t i o n a le v a l u a t i o n s y s t e ma n du n i f o r md e s i g nm e t h o do i lt h er e s e a r c ho fa s s i s tc l l a r a e t e r i s t i co f e p si nt h ef i r s tt i m e r a i s e dt h ea s s i s t - c h a m c t e r i s t i ce q u a t i o n o ft h ec u r v e l i n e g a i n e dt h eb e t t e rp a r a m e t e r so f t h ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o n s ，u s i n g k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e r - a s s i s t e ds t e e r i n g ，h a n d l i n ga n ds t a b i l i t y , a s s i s tc h a r a c t e r i s t i c ，a d a m s ，e v a l u a t i o n i 学号2 0 4 0 8 1 6 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据 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，也不包含为获得迸望盘茔或其他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谢意。 一繇哿弘一期：加广f 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堑 姿盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 e r i 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一虢凇衙、 签字日期：沙p 5 年，月日 学位论文作者毕、眦后去向 工作单位： 通讯地址： 跏张州枷揪 签字日期：训年6 月 6 日 例臼p 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着汽车工业的发展和社会经济的进步，越来越多的人开始购买和使用汽 车。而人们对汽车的操纵性及稳定性的要求也就随之提高。人们要求在汽车的频 繁使用中能够减轻疲劳，操纵轻便灵活，容易驾驶。由此，汽车助力转向技术便 发展出来，成为各汽车制造厂商研究的重要内容之一。 在汽车的转向研究过程中，转向的轻便性和灵活性的平衡一直是困扰着设计 者的重大而又难以解决的问题。回正力矩保证了汽车操纵稳定性，但增加了驾驶 员的转向阻力，尤其是大型车辆的低速转向，驾驶员的工作强度较高，不利于驾 驶舒适性。而增大转向系减速比的方法并不能很好的解决这个问题。为使驾驶员 操纵轻便并提高车辆的机动性，人们想到的最有效的方法就是借助外力i 【2 】，在 汽车转向系中加装转向助力装置。由此，在2 0 世纪5 0 年代初，出现了助力转向装 置。 经过多年的研究和发展，转向装置经历了传统机械转向装置、液压助力转向 装置、电控液压助力转向装置及目前的电动助力转向装置四个发展过程。 目前研究的电子控制式电动助力转向( 简称e p s ，e l e c t r i cp o w e r - a s s i s t e d s t e e r i n g ) 集环保、节能、安全、舒适为一体，随着控制元件成本大幅度降低，人 们对于环保问题关注程度的不断上升，e p s 系统将成为主流的转向助力装置。 目前，e p s 正在快速发展。电动转向系统的研究领域涉及传感器，微电子控 制、非线性控制理论、人工智能理论、电动传动控制技术及机械设计等，它真正 体现了未来汽车的机电一体化设计思想。据专家预测，e p s 的产量正以每年l o 的速度递增，2 0 0 7 年预计将达到1 1 4 0 万套，按此速度发展，e p s 不久将占领 全部轿车市场，并向微型车、轻型车和中型车扩展。美国a b i 调查公司预测， 随着汽车平台的共享，以及制造商对于燃油经济性的追求，e p s 将在全世界范围 内进一步普及，尤其是在美国和中国。到2 0 1 0 年电子转向( e p s 、e h p s 、以及 r e a r - w h e e lb yw i r es t e e r i n gs y s t e m s ) 的市场价值将超过8 0 亿美元，而目前还不到 3 0 亿美元。 国内的相关研究开展比较晚，与国外相比，我国的电动转向研究还不深入， 还没有已经批量生产的自主产品。自2 0 0 0 年昌河北斗星车装备e p s 之后，掀开 了国内汽车转向器历史上新的一页，带动了国内电动转向系统研发的热潮。目前 国内已经有数十家大专院校和国营、民营企业开发该产品，并取得了一定的进展。 但由于国外对该项技术的技术封锁且对e p s 与转向速度、横向加速度等技术关 联控制方面的问题尚需解决与改善，国内对e p s 的研究主要是通过对国外e p s 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 样件的试验摸索进行仿制与确认，虽然各方面对电动转向的研究有大量投入。且 已有部分产品已经开始装车调试，但由于对该项技术的控制理论与控制原理并未 完全摸透，e p s 的研制工作尚需迸行试验确认，e p s 的批量国产化工作还有一个 摸索的过程。 1 2 动力转向技术 采用动力转向系统的汽车转向所需的能量，在正常情况下，只有小部分是驾 驶员提供的体能，而大部分是发动机驱动的油泵提供的液压能，或者电机直接驱 动利用的电能。将发动机或电机输出的部分机械能转化为压力能，并在驾驶员控 制下，对转向传动装置或转向器中某一传动件作用力，以助驾驶员施力不足的一 系列零部件，总称为动力转向器。下面介绍动力转向器的类型及工作原理。 1 2 1 传统液压助力转向装置 传统液压助力转向装置是借助于汽车发动机的动力驱动油泵、空气压缩机和 发电机等，以液力增大驾驶员操纵前轮转向的力矩。使驾驶员可以轻便灵活地操 纵汽车转向，减轻了劳动强度，提高了行驶安全性。液压动力转向系统除了传统 的机械转向器以外，尚需增加控制阀、动力缸、油泵、油罐和管路等。 传统的液压转向器有很多不足之处，如： 1 ) 选定参数完成设计之后，助力特性就确定了，不能再进行调节与控制。因 此协调轻便性与路感的关系困难。设计为低速转向力小时，高速行驶时转向力往 往过轻、“路感”差，甚至感觉汽车发“飘”，从而影响操纵稳定性；而按高速 性能要求设计转向系统时，低速时转向力往往过大。 2 1 不转向时，油泵也一直运转，增加了能量消耗。 3 ) 存在渗油与维护问题，提高了保修成本，泄漏的液压油会对环境造成污染。 随着用户对汽车的操纵稳定性，环境保护，安全性等要求的不断提高，传统 液压助力转向装置已经不能满足用户的要求。 1 2 2 电控液压助力转向装置 为了克服液压动力转向系统的不足，人们在液压动力转向系统中增加电子控 制和执行元件，将车速( 也有采用车速和转向盘转速) 引入到系统中，实现车速 感应型助力特性液压动力转向。这类系统称为电控液压动力转向系统。现代电控 液压动力转向系统主要通过车速传感器将车速传递给电子元件，或微型计算机系 统，控制电液转换装置改变动力转向的助力特性，使驾驶员的转向手力根据车速 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 和行驶条件变化而改变，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转向手力迸行操 作，在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使操纵性和稳定性达到最 合适的平衡状态。 电控液压助力转向装置虽然比传统液压助力转向装置有所改进，存在着一定的优 点，但液压装置的存在，使得该系统仍有难以克服的缺点，如； 1 ) 存在渗油问题。 2 ) 零件增加，管路复杂，不便于安装维修及检测等。 3 1 虽引入车速，实现车速感应型变助力特性，但是在原有液压系统的基础上 又增加了电子系统，使系统越加复杂，成本增加。 1 2 3 电动助力转向装置( e p s ) e p s ( e l e c t r i cp o w e r - a s s i s t e ds t e e r i n g ) 是一种直接利用电动机产生的动力提 供辅助转矩来帮助驾驶员进行转向的新型助力转向系统。相对于传统的转向系 统，具有以下优势 3 1 d 1 5 】【6 】： ( 1 ) e p s 能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的对转 向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高 汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。并且可通过设置不 同的转向手力特性来满足不同使用对象的需要。 ( 2 ) e p s 仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量，该能量可以来自蓄电 池。而且，e p s 系统能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关。当转向盘不 转向时，电机不工作；需要转向时，电机在控制模块的作用下开始工作，输出相 应大小及方向的转矩以产生助动转向力矩。燃油消耗降低了3 一5 。 ( 3 ) 由于电动机由蓄电池供电，能否助力与发动机是否启动无关，即使是发 动机熄火或者出现故障的时候也能助力。 ( 4 ) e p s 取消了油泵，皮带、皮带轮、液压软管、控制阀、油罐、液压油及 密封件等，只需增加电动机、减速机构、离合器、传感器及电子控制单元等，零 件减少，质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易。因此结构相对 简单，能够减少噪声。 ( 5 ) 汽车揉纵稳定性的影响因素很多，转向系统是其重要影响因素之一。由 于e p s 由电机提供助力，助力大小由电控单元e c u 实时调节与控制，可以提高 操纵稳定性。 ( 6 ) e p s 不存在渗油问题，可大大降低保修成本，由于它没有液压油，没有 软管、油泵和密封件，可对构成材料进行再加工，避免了污染。 随着微电子技术的发展及其在汽车领域的广泛应用，电动助力转向系统越来 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 越成为世界汽车技术研究的重点及热点。现代社会对汽车的节能性和环保性要求 日益提高，e p s 由于具有使汽车的经济性、动力性和机动性均大大提高的诸多优 势，紧扣着当今世界节能和环保两大主题，适应了现代汽车的要求，受到国内外 各汽车生产企业的广泛重视，并越来越受到消费者的青睐。 1 3 电动助力转向系统 1 3 1e p s 结构及工作原理 电动助力转向系统是利用电动机产生的动力提供辅助转矩来帮助驾驶员进 行转向，从而达到转向轻便的目的。其系统结构如图1 1 所示。e p s 系统主要由 三大部分构成，信号传感装置( 包括扭矩传感器、转角传感器和车速传感器) ， 转向助力机构( 电机、离合器、减速传动机构) 及电子控制装置。 菌祀哲番硎嗣 图1 - 1e p s 系统基本结构图 e p s 的工作原理为【7 】【8 l ：扭矩传感器检测驾驶员打方向盘的扭矩，然后根据 这个扭矩相应给控制单元一个信号。同时控制单元也会收到来自方向盘位置传感 器的信号，这个传感器一股是和扭矩传感器装在一起的( 有些传感器已经将这两 个功能集成为一体) 。扭矩和方向盘位置信息经过控制单元处理，连同传入控制 单元的车速信号，根据预先设计好的程序，产生助力指令。这个指令传到电机， 由它产生扭矩传到助力机构上去，这里的齿轮机构则起到增大扭矩的作用。这样， 助力扭矩就传到了转向柱，并最终形成了助力转向。 1 3 2 e p s 系统分类 根据助力电机分配位置的不同，电动助力转向器分为转向柱助力式 ( c o l u m n - a s s i s tt y p ee p s ) 、齿轮助力式( p i n i o n - a s s i s tt y p ee p s ) 、齿条助力式 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( r a c k - a s s i s t 哆p ee p s ) ，直接助力式( d i r e c t - d r i v et y p ee p s ) 四种叫4 】【5 】【7 l 【8 l 【9 】f 1 0 1 。 目1 - 2 转向柱助力式 转向柱助力式( c - e p s ) 电动机固定在转向柱一侧，通过减速机构与转向柱相连，直接驱动转向轴助 力转向，此种为转向柱助力式( c e p s ) 如图1 2 所示。这种形式的电动助力转向系 统结构简单紧凑、易于安装在车上。但由于助力电机安装在驾驶舱内，受到空间 布置和噪音的限制，电机的体积较小，输出扭矩不大，一般只用在小型及紧凑型 车辆上。 图l - 3 齿轮助力式 齿轮助力式( p e p s ) 如图1 3 ，齿轮助力式e p s 的主要特点是，电动机和减速机构与小齿轮相连， 直接驱动齿轮助力转向。辅助电机不是安装在汽车乘客舱内，不用考虑电机转动 惯量产生的噪音对驾驶员及乘客的影响，因此可以使用较大的电机以获得较高的 助力扭矩。因此可以提供较大的助力值，适合应用在中型车辆上。 鏊： 图l _ 4 齿条助力式 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 齿条助力式( r - e p s ) 如图1 - 4 ，齿条助力式e p s 的电动机和减速机构直接驱动齿条提供助力。由于 在齿条上的安装位置比较自由，所以方便了在汽车的底盘布置。 图1 - 5 直接助力式 直接助力式电动助力转向器( d e p s ) 助力电机和减速增扭机构同转向齿轮形成了一个独立的单元的助力方式为 直接助力式助力转向器。如图1 5 所示。它与r - e p s 有相似之处，但区别在于扭 矩传感器的安装位置有所不同。通过优化电控单元( e c u ) 内部的算法，让电机 向齿条直接提供转向助力可以获得良好的转向路感。 总的来说，电动助力转向系统中，助力作用位置从转向柱向下直到转向齿条， 越向下其助力效果越明显，转向越敏感越有效【1 1 】。由于本项目所设计的电动助力 转向器主要应用于小型车，考虑到转向助力要求和机械布置等多方面的因素，选 取转向柱式助力方式进行研究设计。 1 = 好助力特性的分类 助力特性是指助力随汽车运动状况和受力状况( 车速和转向盘手力) 变化而 变化的规律。理想的助力特性应能充分协调好转向轻便性与路感的关系，并提供 给驾驶员与手动转向尽可能一致的、可控的转向特性。 目前汽车所使用的动力转向系大多为液压助力转向，这种助力转向的特点 是：助力与液压油压力成正比，故一般用液压油压力与转向盘力矩及车速的变化 关系曲线来表示助力特性。新型的电动助力转向系虽然目前还未得到非常广泛的 使用，但是它的优势已经明显的显现出来了。这种助力转向器的特点是：助力与 电动机电流或电压成比例，故采用电动机电流或电压与转向盘力矩、车速的变化 关系曲线来表示助力特性。 由于电动助力转向的助力是通过电机控制的，而不是如传统的液压助力一样 一旦安装就无法改变，电动助力转向的助力由软件设置，因此可以设计为车速感 应型，即在不同的车速下使用不同的助力特性，形成一个助力曲线簇。这样可以 满足汽车低速时要求助力较大，保证轻便性，高速时提供助力但又要保证一定的 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 路感的要求。 电动助力转向的助力特性有三种典型的形式，直线型、折线型和曲线型。在 不同的车速下对应不同的助力曲线。 下面简单介绍一下不同的助力特性： 1 、直线型助力特性 一 1 续剽 v = o 矿= p ，一 ，；o j 一 石i n m 图1 6 直线型助力特性 直线型助力特性的特点是，提供的助力与方向盘力矩成线性关系，助力随着 方向盘力矩的增加而成比例增大，并在方向盘力矩达到一定数值时保持不变。它 的数学表达式为： j 00 - 乃 乃o = k ( v ) ( t d 一乃o )乃。 乃 乃。 【瓦一 乃2 乃。 其中为助力力矩，乃为转向盘输入力矩，乃。为转向盘开始输入时的力矩，乃。为 助力最大时转向盘输入力矩，。为电机能够提供的最大助力，k ( v ) 为助力特性曲线的梯 度。随车速的增加而减小。根据方程 足( 力= i 二2 9 2 【- 可以计算不同车速下的助力梯 d ud o 度。 2 、折线型助力特性 _ 弋 l 一 么 | 、l 巡 l 。l 一 瓦| * m 图l - 7 折线型助力特性 折线型助力特性的特点是，在助力区域范围内，方向盘力矩和助力力矩成分 段线性关系。方向盘力矩到达一定数值时助力矩不再增大。它的数学表达式为： 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 j 屑 图l - 8 曲线型助力特性 曲线型助力特性的特点是：助力与方向盘力矩成非线性关系。调整曲线型助 力特性较为复杂，但其曲线变化形状满足理想的助力特性要求。它的数学方程式 为： i o 0 乃 乃o t = k ( v ) ，( 乃)乃。乃 乃。 【乃乃。 其中f ( t a ) 为助力变化方程。 比较而言，直线型助力特性主要需要确定的参数为助力斜率，较为简单，容 易控制，曲线型需要确定八乃) ，较为复杂，目前国内还没有得到比较理想的曲 线型助力方程，而且曲线型对于控制方法要求较高，较难设计开发。折线型位于 两者之间。 助力特性对于汽车的转向轻便性，转向回正性、转向瞬态响应等均有重要 的影响，因此，对于安装了e p s 的汽车来说，设定什么样的助力特性便成为了 汽车是否能够有良好的操纵稳定性的关键问题【1 2 1 。 本文项目设计的理想e p s 助力特性要求如下： 1 、转向盘力矩小于i n m 时，助力几乎不起作用，助力矩为零； 2 、在转向盘输入力矩较小时，助力矩也要较小； 3 、在转向盘输入力矩较大时，助力作用应该明显，以起到转向轻便的作用； 4 、根据实际项目设计，转向盘最大力矩为7 n m ，并且为了保护电机，在 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 达到最大力矩时的一段时间后，助力电流自动减小，助力矩自动降低； 5 、随着车速的增加，助力作用应该减小，实现车速感应型助力特性。 1 4e p s 国内外研究现状 1 4 1e p s 技术国内外研究与应用现状 国外汽车公司对e p s 的研究已经有2 0 多年的历史，电动转向系统是2 0 世纪8 0 年代初期提出来的。1 9 8 8 年2 月日本铃木公司首次在其c e r v o 车上装备e p s ，随后 还用在了其a l t o 车上。在此之后，e p s 技术得到迅速发展。日本的大发汽车公司、 三菱汽车公司、本田汽车公司、光洋公司，英国的c h e r w l l 公司、卢卡斯公司， 美国的d e l p h i 汽车系统公司、t r w 公司、德国的西门子公司、z f 公司，都相继研 制出自己的e p s 。比如，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 e a 车上装备了e p s ，本田汽车公司的a c c o r d 车目前已经选装了e p s ， $ 2 0 0 0 轿车的动力转向系统也将倾向于选择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 s 。t r w 从1 9 9 8 年开始，便投 入了大量的人力、物力和财力用于e p s 。经过2 0 几年的发展，特别是现代电子技 术的发展，e p s 技术已日趋完善。已经从实验室走向市场。其应用范围已经从最 初的微型轿车向更大型轿车和商用客车方向发展。 国内e p s 研究始于上世纪9 0 年代，主要是一些高校，如清华大学、吉林大 学、江苏大学等。其中清华大学汽车工程系的季学武对汽车助力转向的控制技术 进行了研究1 1 3 1 ，并进行了相关的实验，得到了较好的效果。华中科技大学的杨家 军等人建立了电动助力转向的数学模型1 1 4 1 。吉林大学的林逸，施国标等也对e p s 的控制策略i l ”，仪器匹配等做了深入的探讨，其他很多高校也对助力控制策略等 进行了研究。虽然国内很多高校都对e p s 进行了研究，但仍主要停留在初级阶 段。 1 4 2e p s 助力特性的国内外研究现状 对于e p s 系统来说，助力特性的好坏直接影响至f j e p s 的助力效果。因此，国 内外都对助力特性进行了深入的研究。国外的汽车公司研究较早，日本的n s k 公司，美国的d e l p h i ，t r w 等公司，都设计了很好的曲线型助力特性，考虑了汽 车的转向的回正性、轻便性及路感问题，效果比直线型，折线型助力特性出色。 大多数美国轿车转向比较轻便，而路感不太好；而欧洲轿车在侧向加速度小，即 转向角度小时，路感相对较好。但对于解决轻便性和路感之间的矛盾，如何设计 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 助力特性仍然没有一个较好的结论。目前各大汽车公司仍在不断的努力和改进 中，其研究手段还是以实验为主。 t a k a y u k ik i f u k u , s h u n ! c h iw a d a 对电动助力转向助力特性进行了分类介绍， 给出了图形，但没有给出具体的计算公式1 3 1 。 r a k a ncc h a b a a n , l ey iw a n g 应用h 方法来提高助力特性控制的鲁棒性，介 绍了助力特性并给出了助力特性图但也没有给出具体的计算公式【1 6 1 。 z a r o n b a a ，d a v i s 针对e p s 系统的稳定性进行了动力学分析，并指出稳定 性是由助力特性曲线的方程的参数决定的，并根据路感等给出了助力特性的定性 描述【1 7 1 1 8 l 。 国内对助力特性的研究较晚，相对还不成熟，还没有很好的应用到实际产品 的设计中去。 吉林大学的林逸，施国标等人对助力特性进行了研究i 嘲，定性分析了各种助 力特性的特征形式对路感等的影响，讨论了确定助力特性的一般过程，并设计了 其控制策略，研究了的e p s 控制方法等。但对于助力特性没有定量分析。 天津大学的王豪等人以装在中型轿车上的齿轮轴式电动助力转向系统为研 究对象，分析了影响转向助力特性的变量 2 0 1 。提出了简化的转向阻力计算公式等 关系。研究了非线性的助力特性图。主要研究系统的设计与控制方法，并提出了 路感系数的方程。 华中科技大学的唐新蓬，杨树对电动助力转向系统对转向盘力特性的影响进 行了研究和分析【2 “。提出并验证了将e p s 系统比例控制系数设计成随车速和侧向 加速度递减的函数来改善转向盘力特性的方法。 这些研究都对助力特性的选取和设计有着一定的贡献。对我国的电动助力转 向系统的开发有着重要的促进作用。目前我国对系统的控制策略研究较多，而对 助力特性研究却较少，而且基本停留在定性分析的阶段，缺少其对整车操纵稳定 性方面影响的研究。我国的主要研究手段也以实验为主，但由于实验条件的影响， 研究主要还是局限在实验台上进行，对助力特性的研究主要还是集中在转向轻便 性和路感。另外也主要对直线型和折线型进行研究，也局限于定性分析上，对于 阻尼和回正性方面的研究还很少。良好的助力特性对产品的开发有着重要意义， 对汽车操纵稳定性也有着很重要的影响。因此，助力特性的研究便是e p s 研究的 重点之一。 目前对助力特性的研究的主要思想是得到一种良好并易于实现控制的助力 特性，能够充分协调好转向轻便性，路感，转向回正性等方面的关系，并提供给 驾驶员与手动转向尽可能一致的、可控的转向特性，使汽车的操纵稳定性更好。 0 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 本文主要研究的内容及目的 1 5 1 课题来源及研究意义 本课题来源于2 0 0 4 年浙江省重大科技攻关项目“汽车电动助力转向器开发 及关键技术研究”的一个子课题，由浙江大学车辆工程研究所与浙江万达汽车零 部件有限公司合作完成。 助力特性是电动助力转向系统的重要核心之一，有良好的助力特性才能够设 计出有着良好助力效果的电动助力转向产品。随着我国e p s 技术的不断发展， 经过了多年的理论研究和实践之后，我国的e p s 已经有了产品化的趋势。转向 系统作为与汽车安全性关系最为密切的系统，安装了e p s 系统的汽车的不同助 力特性对汽车操纵稳定性的影响也就成为了目前国内e p s 技术的主要研究课题 之一。因此，本课题对这方面进行了深入探讨和研究，得出各种助力特性下操纵 稳定性效果较好的助力特性参数。对助力特性的选择和设计有一定的指导意义。 1 5 2 论文主要研究内容及技术路线 本文对汽车电动助力转向系统的各种助力特性进行仿真分析，分析其不同参 数变化对汽车操纵稳定性的影响，从而为设计e p s 的助力特性时参数的选择提 供一定的理论依据，实现对e p s 产品开发设计的指导作用。本文主要研究内容 如下： l 、研究国内外e p s 的研究和发展现状，对e p s 系统及其助力特性进行对 比分析，并阐述电动助力转向系统的优势和在国内外的发展趋势。根据 国家标准g bt 6 3 2 3 9 4 ，引入整车操纵稳定性的评价指标，并根据该指 标设计操纵稳定性仿真试验。 2 、对整车多体动力学理论进行研究。通过对整车系统的分析、简化，应用 多体动力学仿真软件a d a m s 建立汽车的整车模型，其中包括前悬架模 型，后悬架模型，转向系模型，轮胎模型及路面谱模型。应用新的助力 加载方式，编写相关的文件，使仿真更加真实，仿真结果更加可靠。将 仿真结果与实车实验进行对比，确定模型建立的正确性。为以后的仿真 分析结果的正确性建立基础。 3 、编写驾驶员控制文件和驾驶员数据文件，提出曲线型助力特性方程，应 用所建立的整车虚拟样机模型，引入均匀设计的试验设计方法，在直线 型、折线型和曲线型助力特性下，进行整车操纵稳定性试验中的转向回 正试验、双扭线试验和蛇行试验，并记录仿真数据进行处理和分析。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 4 、在转向柱式助力方式下，提出引入操纵稳定性评价国家标准，分别对直 线型、折线型、曲线型助力特性的不同参数下汽车操纵稳定性的转向回 正性能，转向轻便性等指标进行评价。由于影响的参数较多，本文提出 引入回归分析的方法对评价结果进行分析计算，得出效果较好的助力特 性曲线参数。所应用的研究方法和所得到的结论对助力特性的设计有着 指导意义。 1 6 本章小结 本章介绍动力转向技术的发展过程和电动助力转向技术的优势；介绍助力特 性的分类及各自的特点；简要概述国内外在电动助力转向及助力特性方面的研究 现状；最后阐述本文的研究目的，确定本文的主要研究内容及技术路线。 浙江大学硕士学位论文第二章多体动力学理论摹础及软件应用 第二章多体动力学理论基础及软件应用 2 1 多体动力学研究现状 多体系统动力学是在由欧拉、拉格朗日等人奠基的经典刚体动力学基础上， 经历了多刚体动力学1 5 9 1 和计算多体动力学两个发展阶段，发展起来的一个新的 力学分支，目前已经趋于成熟。它包括多刚体系统动力学和多柔性体系统动力学， 是研究由若干个刚体及柔性体相连接所组成的多体系统运动规律的科学。它的出 现一方面是由于现代科学和工程技术提出了许多复杂系统的动力学问题，各种车 辆、机械、机器人、水下工作机、航天器等的研制都需要在制造样机以前对系统 进行运动学和动力学分析、机构参数的综合优化和全数字仿真。另一方面，随着 计算机技术的飞速发展，使得对复杂系统进行大量数值计算成为可能。多体系统 动力学就是在这种情况下，适应工程要求和计算机发展而产生的。 自从上世纪6 0 年代出现了最早的多刚体系统研究文章到现在，很多研究方法 都获得了很大发展并日趋成熟，诸如拉格朗日方法、罗伯森维堡方法、凯恩 方法、旋量方法、变分方法和变换算子法等等。其中拉格朗日方法广泛应用于多 刚体系统动力学。 目前，多体系统动力学已广泛应用于车辆设计、航天航空器控制、机器人学、 运动生物力学、通用机械和造船业等研究领域，在现代科学技术中有着重要地位。 2 1 1 多体动力学建模与数值计算过程 多体系统动力学的研究包括建模方法和数值算法两个方面【2 引。两者的研究 既相互独立又相互联系。建模是指根据实际工程问题的需要，将问题抽象成多刚 体、多柔性体或刚一柔祸合多体系统，对系统中有关的物理量进行分析和描述， 然后利用相关的数学、力学理论和方法推导出多体系统动力学方程。多体系统( 多 刚体、多柔性体或刚一柔耦合多体系统) 的动力学方程，一般是非线性常微分方程 ( o d e ) 或微分一代数方程( d a e ) ，通常是通过计算机数值仿真得到方程的数值解， 然后通过对数值的分析了解多体系统的动力学特性。建模方法和数值算法是多体 系统动力学分析的核心，要迅速而正确地建立系统运动方程，尤其是建立便于计 算机进行数值求解的通用性较强的运动方程是极其艰巨和困难的。 浙江大学硕士学位论文第二章多体动力学理论摹础及软件戍用 一田曰_ 图2 - 1 计算多体系统动力学建模与求解殷过程 本课题在进行建模时采用的是m d i 公司的m s c a d a m s 软件，因此本节将 主要基于a d a m s 软件给出多体系统的运动学和动力学数学模型。 2 1 2 多体动力学在汽车中的应用现状 在汽车的设计及研究过程中，对于整车及其零部件的建模、分析与求解一直 是一个关键性的问题。汽车作为一个由多零件组