（车辆工程专业论文）轮胎附着极限工况下eps参数对整车操纵稳定性影响的仿真研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 伴随着汽车技术的发展，人们对汽车的舒适性、操纵稳定性等提出了越来越 高的要求。电动助力转向系统具有众多传统液压助力转向系统所无法比拟的优势， 从而在汽车上的使用越来越多。但是加装了电动助力转向系统以及其部分参数对 车辆的操纵稳定性，特别是对轮胎附着极限工况下车辆操纵稳定性的影响方面， 研究还很少，而这种工况下车辆的操纵稳定性对汽车的主动安全有直接的影响。 本文在总结前人所做工作的基础上，利用a d a m s c a r 软件建立整车模型，并用 这个整车模型的测试数据确定助力特性曲线，在m a t l a b ，s i m u 肌k 中建立电动助 力转向系统模型，使用a d a m s c o n t r o l 将电动助力转向系统模型与整车模型联 合，进行机电一体化仿真，来研究电动助力转向系统及其部分参数在轮胎附着极 限工况下对操纵稳定性的影响。 全文总共六章： 第一章总结了动力转向系统发展历程，介绍了各种动力转向系统的特点，电 动助力转向系统的结构、原理、分类，e p s 系统及动力学仿真国内外研究现状并 说明了本文主要的研究内容、意义。 第二章介绍了本文使用的研究方法一多体系统动力学原理以及控制系统软 件，对目前在工业界得到广泛应用的多体动力学软件a d a m s 的理论基础以及优 秀的控制系统分析软件m a 丁l a b 进行了介绍。 第三章介绍了a d a m s c a r 进行建模的流程以及利用a d a m s c a r 建立本文 所用模型的过程，详细说明了所作的简化和假设，各子系统以及组装成整车的建 模方法。 第四章介绍了电动助力转向系统建模以及a d a m s m a t l a b 联合仿真的实 现，详细说明了助力特性曲线的概念、分类、设计准则，以及本文所确定的一种 直线型助力特性曲线的建立方法，在m a t l a b ，s l m u n k 中建立e p s 系统模型后， 详细介绍了联合仿真的实现方法，最后通过双移线工况进行仿真，验证联合仿真 模型实现了电动助力转向的基本功能。 第五章介绍了轮胎附着极限工况e p s 系统参数列蓥车操纵稳定性的影响的仿 真及结论，详细说明了轮胎附着极限工况及研究这种工况下操纵稳定性的意义， 介绍了所要研究的e p s 参数及范围，所选仿真工况说明以及仿真的结果。 第六章对全文进行了总结，说明了所作的主要工作，同时也提出了不足和展 望。 关键词：电动助力转向 联合仿真操纵稳定性助力特性 i l l 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fv e h i c l et e c h n o l o g y , t h ep e o p l e sd e m a n d so nr i d e ， h a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo fa u t o m o t i v en e es or a i s e dh i g h e ra n dh i g h e r e p si sm u c h s u p e r i o rt oh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，m o r ea n dm o r ec a r sh a v ee q u i p p e dw i t h e p s b u tp e o p l ek n o wv e r yl i t t e ra b o u tt h ea f f e c t i o nt oh a n d l i n ga n ds t a b i l 时o fe p s a n ds o m ep a r a m e t e r s ，e s p e e i a l l yw h e nt h ea d h e s i o nb e t w e e nt h et i r e sa n dt h er o a dr e a c h t h ep h y s i c a ll i m i t i nt h i ss i t u a t i o n , t h eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t ym a yd i r e c t l ya f f e c tt h e a c t i v es a f e t yo ft h ee a r s i nt h i st h e s i s ，v e h i c l em o d e lw a sb u i l ti na d a m s c a r ，a n d e p sm o d e lw a sb u i l ti nm a t l a b s i m u l i n k a d a m s c o n t r o lw a se m p l o y e dt o c o n n e c tt h ev e h i c l em o d e la n dt h ee p sm o d e l v e h i c l em o d e li na d a m s c a ra l s ob e e n e m p l o y e d t ot a k es o m ee x p e r i m e n t sf o rb u i l d i n ga s s i s tc h a r a c t e r i s t i c s t h e c o s i m u l a t i o nm o d e lw a su s e dt or e s e a r c ht h ea 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 f e p s a 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 st h ea d h e s i o nl i m i t 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 ，t 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 ，t h ef e a t u r e so ft h e mw e r e i n t r o d u c e d n es t r u c t u r e p r i n c i p l ea n dc l a s s i f i c a t i o no fe p sw e r ep r e s e n t e d n e d e v e l o p m e n to fv e h i c l ed y n a m i c ss i m u l a t i o na n de p s ，t h et e c h n i c a lr o u t ew e r ea l s o i n t r o d u c e di nt h i sc h a p t e r 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 m u l t i - b o d ys y s t e md y n a m i c s t h e o r ya n dt h ec o n t r o ls y s t e ms o f t w a r e t h et h e o r e t i c a lb a s i so fa d a m s a n de x c e l l e n t c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r em a t l a bw e r ei n t r o d u c e d ， i nc h a p t e rt h r e e ，i n t r o d u c e dt h em o d e l i n gp r o c e s so fa d a m s c a ra n dd e s c r i b e d t 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 ss u b s y s t e m s a n dv e h i c l ea s s e m b l y i n t r o d u c e dt o o i nc h a p t e rf o l i t , i n t r o d u c e de p sm o d e l i n ga n dd e s c r i b e dt h ei m p l e m e n t a t i o no f e o - s ；_ , n 啦a f i ；o n n ：oc o n c e p t o 1 l a o d ：i 。l l 。一, a t t 。l u 一| la j l dd i g uv r i t e r i ao fp o w e rc h a r a c t e r i s t i c c u r v ew e r ed e s c r i b e di nd e t a i l d o u b l el a n ec h a n g es 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 e t i o u so f p 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 u o d u c e dt h es i m u l a t 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 t h ew o r k i n gc o n d i t i o n so ft i r ea d h e s i o nl i m i ta n dt h eh a n d l i n ga n d s t a b i l i t yi nt h i ss i t u a t i o nw g l ed e s c r i b e di nd e t a i l 武汉理工大学硕士学位论文 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 ft h e s i sa n dt h ep r o s p e c t so ft 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 , c o s i m u l a t i o n , h a n d l i n ga n ds t a b i l i t y , a s s i s t c h a r a c t e f i s t i c v 武汉理工大学硕士学位论文 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：工丝日期：盟! ! 乡7 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，酃学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阒；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：钾。，生7 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着社会经济的进步，越来越多的人开始购买和使用汽车。伴随着汽车技术 的发展，人们对汽车的舒适性、操纵稳定性等提出了越来越高的要求。人们希望 汽车在日常的使用中能够减轻疲劳，操纵轻便灵活，舒适，容易驾驶。这对汽车 转向技术提出了更高的要求。 在汽车转向技术的研究过程中，转向的轻便性和灵活性一直是困扰着设计者 的一个难以解决的问题。车轮定位参数的设计使得汽车具有一定的回正能力，这 对提高操纵稳定性很有利。但是这也增加了驾驶者转向的负担，尤其是大型车辆 原地或低速转向的时候，驾驶员的工作强度高。而增大转向系传动比会降低转向 灵敏性，也不能很好的解决这个问题。最初为解决转向的轻便性和灵敏性之间的 矛盾采用变传动比的机械转向系统或常规液压动力转向系统。采用变传动比的机 械转向系统从有效地减小转向力来看无法同后者相比，而且变传动比的机械转向 系统加工较复杂且机械效率比定传动比低，故大多数商用汽车及5 0 的轿车都采 用动力转向系统。从2 0 世纪5 0 年代以来动力转向系统经过了常规液压动力转向系 统、电子控制液压动力转向系统、电动助力转向系统三个发展阶段并有继续向电 子化和智能化发展的趋势“1 。 目前研究的电动助力转向系统( e l e c t r i c p o w e r s t e e r i n g ，e p s ) 具有节能、环 保、便于安装、易于维护等特点，国外的电动助力转向技术有逐步取代传统液压 助力转向的趋势。目前国外众多主机厂和一级供应商都在开发e p s 系统，已完成批 量生产的技术储备。国内也有众多企业和科研院所在进行e p s 系统的开发和批量生 产的准备。未来十年e p s 有可能完全取代现有的转向助力装置。据有关技术专家预 测，n 2 m o 年，全球e p s 系统有望达至, j 2 5 0 0 万套，e p s 系统具有非常广阔的应用前 景。 但是，目前_ - p s 开发方法有很多不足，特别是耗对长、投资大，这列予产品 的市场竞争和盈利极为不利。另外，一种电动助力转向系统应该能够匹配多种车 型，能够快速地与整车匹配，也是一个一级系统供应商很重要的一个竞争利器。 安全性是现今汽车技术发展的三个关键词之一，其中操纵稳定性作为主动安 全性能之一越来越受到重视。已有各大厂商开发的众多底盘电控系统显著的改善 了整车的操纵稳定性能。电动助力转向系统能够提高高速阶段的操纵稳定性，但 轮胎附着极限工况下，电动助力转向系统及相关参数对整车操纵稳定性的影响方 武汉理工大学硕士学位论文 面还没有看到类似的研究。在雨雪天气，紧急避险，特别是在一些运动车型上， 轮胎附着极限工况常会出现，这对主动安全性非常重要。 因此，结合本次展开的j ：。：? ，0 。燃料电池轿车电动助力转向与整车匹配研究， 借助虚拟样机技术，与控制系统软件进行联合仿真，展开机械系统与电气控制系 统联合分析，建立电动助力转向系统快速开发平台。基于该平台可以快速，。高效 地进行电动助力转向系统各部分的开发以及与整车的匹配。如快速开发助力特性， 验证控制方法，进行相关参数优化等。这对企业提高市场竞争力，降低产品开发 费用，提高服务质量具有十分积极的意义，同时研究装备有e p s 系统的转向系是 否有改善轮胎附着极限工况汽车操纵稳定性的可能。也有利于提高我国轿车主动 安全性，也是底盘电控系统开发方法上的有益尝试。在该平台的基础上，进行一 定的改进后，也可用于主动前轮转向，线控转向系统的开发。 1 2 动力转向技术发展概述 1 2 1 常规液压助力转向系统 这类动力转向系统中的转向助力是由方向盘转动时带动扭杆直接改变液压系 统油路的通道面积来提供可变的助力，助力的大小与车速的高低没有关系，只与 转向角度有关。转向盘转过的角度越大，液压系统提供的助力也越大。国内生产 的奥迪和桑塔纳轿车采用这类转向系统。下文把这种常规液压动力转向系统简称 为h p s ( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 叫”。 h p s 一般由转向油罐、转向油泵、液压管路、机械转向系统组成，有分离式、 组合式和整体式三种结构。其中分离式装置在结构紧凑、位置狭窄的轻型载货汽 车和轿车上有所采用，组合式主要用于安装位置较宽松的大型货车和公共汽车上， 整体式在高级轿车上应用广泛。 h p s 有待改进的方面：( 1 ) h p s 因其固有的转向噪声使得转向舒适性大大 下降，可通过对油泵和高压油管进行改进设计来减小液压噪声。( 2 ) 转向油泵由 发动机持续驱动，即使没有转向动作也消耗能量，可采用电动机驱动方式和中位 闭式转阀来降低能耗，并尽可能提高各部件的效率。( 3 ) i - i p s 最大的缺陷是转 向助力特性不可调，高速和低速时助力特性相同，解决的方法就是下面将提到的 电控液压助力转向系统。 1 2 2 电控液压助力转向系统 为了克服常规液压助力转向系统的不足，人们在常规液压助力转向系统中增 武汉理工大学硕士学位论文 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助力转向，这种系统称之为电控液压助力转向系统 ( e l e c t r o n i ch y d r a u l i cp o w e rs t r i n g , e h p s ) 1 】口】。 e h p s 一般由机械装置和电气装置两部分组成，机械装置包括转向机( 包括控 制阀压力腔及助力缸) 、油泵及管路。电气部分则由车速传感器、电子控制单元 e c u 及电磁阀组成。它通过传感器把汽车运行中的各种非电量信号如车速转变为 电信号，由e c u 判别汽车的运行状态，以此来控制电磁阀线圈的电流，进而控制动 力转向系统中压力油的流量，再由压力油控制执行机构进行转向助力动作。 电控液压助力转向系统虽然比常规液压助力转向系统有所改进，有一些优点 但由于仍然采用液压装置，仍然有待改进。( 1 ) 渗油。( 2 ) 噪声大。( 3 ) 能量 消耗大。 ( 4 ) 零件增加，管路复杂，不便于安装、检测和维修。( 5 ) 由于在原 有系统基础上，增加了电子部分，系统更加复杂，成本增加。 1 2 3 电动助力转向系统 如上文所述，液压助力转向都有渗油、噪声大、能量消耗大、系统复杂且占 用空间大等不足，入们考虑使用其它动力来代替液压动力。基于这一想法，近年 来各大公司都推出了自己的电动助力转向系统。相对于液压助力转向系统，具有 很多无法比拟的优势n n ”： ( 1 ) 节能环保，由于e p s 系统中电动机只在需要时才启动，即使是在助力电 机工作时，也比h p s 节能，据有关资料报导，e p s 的燃料消耗率仅为h p s 的1 6 2 0 ， 节油效果非常明显，同时也可减少尾气排放。此外e p s 系统不需要油泵、动力缸等 液压部件，因此也不会有液压油泄漏及由此产生的污染问题。 ( 2 ) 助力特性调节方便，当e p s 系统的电动机、传感器和减速机构等硬件设 计完成之后，我们仅需通过修改存储在微处理器中的助力特性曲线和控制算法等 软件，就可以获得新的性能。例如可设计多种控制模式，存储在芯片里，通过选 择不同的控制模式，可获得适合不同驾驶员需要的路感。对于h p s 系统来说，若 要改变其性能，几乎需要重新设计或选用整个液压系统，包括油泵控制阀和动力 钉等? 并旦只能获得箨神性能互相折衷的一条曲线耗时耗力而获得的性能改 善效果有限。 ( 3 ) 结构简单、重量轻，电动机和减速机构安装在转向柱或装在转向系统内， 所占空间小且重量相比液压转向系统大大降低，这也易于包装，装配和检修。 ( 4 ) 高性能化，由于采用阻尼控制和回正辅助控制，有助于减少振动、噪声 和提高回正能力。 ( 5 ) 可与其它汽车电子控制系统集成使用，随着底盘控制系统的发展，e p s 3 武汉理工大学硕士学位论文 系统可以与主动悬架、防抱制动a b s 及车轮驱动力控制等系统结合，共享其它电 子装置的功能以及进行协同工作。在德国大陆集团的底盘集成控制系统中将e p s 和 e s p 进行了有机的结合，进一步提高车辆的性能。 ( 6 ) 高可靠性，e p s 的部件包括传感器、控制器和电机中的电磁部分，均采 用了无故障设计和失效保护设计措施，当这些部件发生故障时，系统可自动转换 为全手动转向，确保系统安全可靠。 ( 7 ) 能更好的适应环境，即使在一4 0 。的低温下，e p s 系统也可以正常工作， 而h p s 系统需要预热后才能正常工作。 由于e p s 系统具有以上突出的性能特点以及它可安装于各类车型，从超小型汽 车到高级轿车，采用汽油机和柴油机的各种轻型商用汽车和电动汽车，受到各大 公司的重视，而且随着电子技术的发展，大幅度降低成本已经成为可能，使得该 系统的装车量快速增加。国外公司在这方面的技术已经比较成熟，但e p s 在国内的 发展还比较滞后，有市场的原因，也有技术的原因，我们迫切需要对e p s 系统的开 发、生产展开系统的研究。 1 。2 4 电子转向系统或线控转向系统 线控转向系统( s t e e rb yw i r e ，s b w ) 是目前国外转向系统研究的热点9 “。 和上述的液压和电动助力转向系统不同，s b w 系统取消在方向盘和车轮之间的机械 连接，路面不平导致的冲击不会直接传到手上，而且转向系统的布置、安装会更 加便利。但是这种转向系统需要增加很多传感器，对控制器的运行速度和软件系 统提出了更高的要求，成本增加了很多，目前可靠性也是待解决的问题。 从上面分析可知，电动助力转向系统处于承上启下的地位，因此，对这种动 力转向系统进行研究和开发是十分必要的。 1 3 电动助力转向系统介绍 1 3 1 结构及工作原理 目前的e p s 系统通常由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元e c u 、电动机 减速机构等组成，见图1 - 1 。当方向盘转动时，由扭矩传感器得到方向盘转矩信 号，同时从车速传感器或者从c a n 总线与其它底盘电控系统共享得到车速信号， 这两个信号传往电子控制单元e c u ，经处理后输出一定的控制电流信号，由脉宽 调制单元根据控制电流调整控制电压以产生一定的转矩，该转矩经过减速机构施 加在转向机构上，得到一个与相应工况相适应的助力。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 。3 2e p s 系统分类 图1 - 1 e p s 系统结构图 根据助力位置的不同，电动助力转向系统主要可分为转向柱助力式 、 ( c o l u m n - a s s i s tt y p e ，c - e p s ) ，小齿轮助力式( p i n i o n a s s i s tt y p e ，p - e p s ) ， 齿条助力式( r a c k a s s i s tt y p e ，r - e p s ) 伽。这三种形式的电动助力转向系统 图1 2 c - e p s图l - 3p - e p s 图1 4 r - e p s 图分别见图卜2 ，图卜3 和图卜4 。 其中，转向柱助力式e p s 系统中，电动机通过减速机构直接与转向柱连接。这 种形式的e p s 系统结构紧凑，易于安装在车上。但是由于电动枫安装于驾驶舱内， 受到空间布置和噪声、振动等方面的限制，电机尺寸比较小，输出扭矩不大，常 用于中小型及紧凑型车上 小齿轮助力式e p s 系统中，电动机通过减速机构与小齿轮连接。电动机不是安 装于驾驶舱内，受到空间布置和嗓声、振动等方面的限制要比转向柱助力式e p s d x 得多，所以可以使用更大一些的电机，提供更大的助力，常用于中型车中。 齿条助力式e p s 系统中，电动机通过减速机构与齿条直接连接，安装位置比较 自由，方便布置。 由于目前装车的e p s 系统中，转向柱助力式e p s 系统比较常见，比较典型，本 5 武汉理工大学硕士学位论文 文建模将采用这种形式的电动助力转向系统，其他形式的e p s 系统可采用类似的方 法建模。 1 4e p s 及动力学仿真国内外研究现状 1 4 1 国外研究及应用现状 国外汽车公司对e p s 的研究已有2 0 多年的历史，电动助力转向技术是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 ， 随后还用在其a l t o 车上。在此之后，e p s 技术得到快速发展。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、n s k 公司、英国的c h e r w l l 公司、 卢卡斯伟利达公司、美国i 拘d e l p h i s a g i n 洲汽车系统公司、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 系统。例如，大发汽车公司在其m i r a 车上装备了e p s ，三菱汽车公司在其m i n i c a 车上装备e p s ，本田汽车公司的 a c c o r d 、f i t 等车上装备了e p s ，d e l p h i 公司为大众公司的p o l o 、菲亚特的p u n t o 开发出e p s 。经过二十几年的发展，特别是现代电子技术的发展，e p s 技术已日 臻完善。已经从实验室走向大规模产业化，其应用范围也从最初的微型车向更大 型轿车和中小商用车方向发展。e p s 的助力型式也从低速范围助力型向全速范围 助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。 在动力学分析仿真方砸，有关车辆转向的动力学思想始于二十世纪初期，以 人们对汽车转向时轮胎侧向力及产生侧向力的侧偏角的认识为标志。通常认为是 法国工程师g e o r g e sb r o u l h i e t 在1 9 2 5 年发现了轮胎侧偏现象。在随后的几年里， 汽车操纵稳定性理论的一些重要概念，如不足转向、过度转向、临界车速等已为 汽车工程师所熟悉。在三十年代后期，比较有效地描述汽车稳态转向的数学模型 得到实际应用。随后，人们的注意力开始转向汽车的动态特性。大约经过三十年 的时间，在汽车瞬态响应的分析方面j 取得显著的成绩。 六十年代前的研究主要是操纵稳定性的开环研究，取得了许多研究成果，详 细讨论了汽车的不足转向与过多转向的特性；分析了保持汽车行驶方向稳定的条 件是临赛车速必须大于汽车最高车速等。其应用的基础是经典控制理论，依据汽 车的稳态和瞬态分析，使用不足过多转向特性和转向输入的阶跃响应特性， 来对汽车的操纵稳定性进行评价“1 。但是上述开环方法很难在实际中应用，因为 设计人员还不能评价稳态转向和瞬态转向特性。 七十年代初期，e v s 计划开始实施，促使人们去研究使用的操纵稳定性设计 方法。由于当时驾驶员模型还处于提高闭环跟踪相应仿真精度的水平，各国研究 人员主要采用系统工程学的方法去探索操纵稳定性的评价方法。依据大量的试验 6 武汉理工大学硕士学位论文 与理论分析，首先指出了稳态响应特性、瞬态响应特性、回正特性和侧向滑移特 性的安全容许极限，对操纵稳定性进行客观评价“1 。七十年代中后期以后，开始 利用驾驶员对汽车直线行驶性能、转弯行驶性能和转向轻便性等特性的感觉，进 行主观评价。主观评价方法虽然没经过理论推导，但考虑了驾驶员因素和道路环 境的特点，在一定程度上体现了闭环设计的思想 八十年代以来，人们从理论和实验两方面着手，开始深入研究驾驶员汽车 道路闭环系统。在理论方面充分考虑到人的学习性和适应性，建立了许多确定性 驾驶员方向控制模型，有效地仿真了驾驶员一汽车一道路闭环系统对给定路径的跟 随过程”。在实验方面，考虑到驾驶员模型的进展程度不能满足主动安全性闭环 设计的要求，以及安全试验设计方法只能在样车试制后采用，且受自然条件限制， 可重复性差等缺陷，各国研制了各种驾驶模拟器”。这些驾驶模拟器将真实的驾 驶员与模型化的汽车相结合，通过室内计算机仿真来代替场地试验，缓和了驾驶 员模型发展程度与汽车主动安全性闭环设计的要求之间的矛盾。在仿真评价方面， 一些学者提出了一些综合性能指标o ”。 汽车本身是一个复杂的多体系统集合，外界载荷也是复杂多变的，人一车一环境 相互作用给汽车动力学研究带来很大的困难。在二十世纪七十年代以前，由于理 论方法和计算手段的限制，无法有效地处理复杂受力下的多自由度分析模型的分 析求解。于是不得不将模型进行简化处理，虽然许多汽车的重要特性不能得到精 确的定量分析，但各国的学者和工程师还是得出很多有益的结论。人们用只有几 个自由度的模型得出一些重要结论，如不足转向、过多转向等概念，同时也得出 一系列汽车稳定性和操纵性的结论。随着对轮胎的了解的加深，建立相对精确的 轮胎模型成为可能，车辆模型也越来越精确，越来越多的车辆特性得到研究。二 十世纪七十年代后，随着计算机技术的发展“，车辆动力学仿真模型变得更加复 杂和真实，由初期的只能进行线性问题的求解，发展到可以建立包含非线性因素 的仿真模型。自由度数从几个发展到十几个，更多的车辆特性得到仿真研究，和 实验验证。 二十世纪八十年代初期，汽车动力学建模过程发生改变，由于对汽车模型的 精确度要求越来越高，而且大型多体系统动力学方程推导十分困难，因而通用的 多体仿真代码逐渐被应用。之后出现多种多体仿真代码，主要有a d a m s 。d a d s s i m p a ck ，a u t o s i m ，m e d y n a , n e w e u l 等，并且得到广泛应用，如使用 a u t o s i m 建立的模型可用于实时仿真驾驶模拟器，用a d a m s 建立的模型的仿 真结果和试验结果十分接近。 国外的动力学研究经历了由试验研究到理论研究，由开环研究到闭环研究的 7 武汉理工大学硕士学位论文 发展过程。力学模型逐渐由线性模型发展到非线性多体模型：模型的自由度有两 个发展到数十个。模拟计算也由稳态响应特性的模拟发展到瞬态特性的模拟和转 弯制动特性的模拟。不仅有通用软件来对汽车系统进行分析，也由针对某一类问 题的专用分析软件。研究的范围涉及到汽车动力学的方方面面。 动力学仿真分析正向着以下三个趋势发展“4 ： 1 由多刚体系统动力学仿真向刚柔耦合的方向发展； 2 由运动学动力学分析向n v h 方向发展： 3 由传统的机械系统、控制系统分开分析向机械系统与控制系统联合分析甚 至更多学科领域联合分析方向发展。 1 4 2 国内研究及应用现状 国内e p s 始于上世纪九十年代，主要是一些高校，如清华大学、吉林大学、江 苏大学等。市场上装车的e p s 基本上是进口产品，目前有多家国内企业开发出e p s ， 有的也开始装车试验，但还没有形成规模，产品的可靠性等也有待提高。 国内在汽车动力学研究中，采用多刚体系统动力学进行分析和计算的工作起 步比较晚。七十年代初，吉林大学、清华大学、长春汽车研究所都系统地展开了 这方面的研究工作。研究工作集中在平顺性、操纵稳定性能指标的评价方法、试 验方法、及操纵稳定性模型的建立，模型的计算方法，性能的预测方法和优化设 计等。力学模型从七十年代研究汽车侧偏和横摆的二自由度线性模型，发展到包 括侧倾和转向系在内的三至五自由度乃至十三自由度的非线性模型。其功能也从 对汽车操纵稳定性的稳态响应和瞬态响应分析，发展到汽车转向制动性能的分析。 目前国内多家汽车厂家、高校在其产品开发和研究工作中使用大型多体动力 学分析软件。如泛亚、奇瑞、北汽福田、上海汇众、天津中国汽车技术中心等。 关于e p s 系统的设计和控制对汽车操纵稳定性影响的各方面进行考察的 文献，目前还很少见。已有的文献表明，国内关于汽车操纵稳定性的仿真研究 大都只是针对整车的机械系统，但现在汽车上装备的电控系统越来越多，有必 要将机械系统和电气控制系统进行协同仿真分析。 1 5 本文主要研究内容及意义 本文将在总结前人所做工作的基础上，利用a d a m s ，c a r 软件建立整车模型， 并用这个整车模型的测试数据确定助力特性曲线，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立电 动助力转向系统模型，使用a d a m s c o n t r o l 将电动助力转向系统模型与整车模 型联合，进行机电一体化仿真，来研究电动助力转向系统及其部分参数在轮胎附 武汉理工大学硕士学位论文 着极限工况下对操纵稳定性的影响。 主要内容如下： ( 1 ) 学习总结动力转向系统发展历程，各种动力转向系统的特点，电动助 力转向系统的结构、原理、分类，e p s 系统及动力学仿真国内外研究现状。 ( 2 ) 在学习多体动力学等理论基础上，研究学习a d a m s c a r 进行建模的流 程以及利用a d a m s c a r 建立本文所用整车模型的过程，详细说明了所作的简化 和假设，各子系统以及组装成整车的建模方法。 ( 3 ) 研究电动助力转向系统的建模以及a d a m s m a t l a b 联合仿真的实现， 助力特性曲线的概念、分类、设计准则，本文所确定的一种直线型助力特性曲线 的建立方法，通过动力学仿真的方法来获得较为精确的助力曲线。在 m a t l a b s i m u l i n k 中建立e p s 系统模型后，研究了联合仿真的实现方法，最后 通过双移线工况进行仿真，验证联合仿真模型实现了电动助力转向的基本功能。 ( 4 ) 探讨了轮胎附着极限工况及研究这种工况下操纵稳定性的意义，所要 研究的电动助力转向系统的参数及它们的设定，通过机电一体化联合仿真，得到 轮胎附着极限工况e p s 系统参数对整车操纵稳定性的影响的一些初步结论。 通过上述所做工作，本文建立了枫电一体化联合仿真模型，该模型可以实现 高自由度、高精度的整车动力学模型与比较复杂的e p s 电气、控制系统模型的联 合仿真，在此平台上可以进行e p s 参数设计研究、控制策略研究等，经过一定的 改进可以作为主动前轮转向、线控转向等系统研究的仿真平台，是底盘电控系统 研究方法的新尝试。有助于加快开发、减少标定的时间，对于e p s 系统的理论研 究和实际开发都有一定的参考意义。另外本文通过仿真方法，定性研究探讨的轮 胎附着极限工况e p s 系统参数对整车操纵稳定性的影响的过程和结果，对于e p s 系统的设计、标定等也有一定的参考意义。另外本文所探讨的轮胎附着极限工况 时操纵稳定性对主动安全的影响也有一定的参考意义。 1 6 本章小结 本章对动力转向系统的由来作了基本的介绍后，分别说明了常规液压助力转 向系统，电控液压助力转向系统，电动助力转向系统，线控转向系统的特点以及 不足。之后介绍了电动助力转向系统的结构、原理和分类以及电动助力转向和汽 车动力学仿真分析的国内外发展状况。最后说明了本文主要研究内容以及研究意 义。 9 第二章多刚体动力学理论基础及软件介绍 在上一章里提到，本文将利用多体动力学软件a d a m s 进行整车建模，以及使 用控制系统分析软件m a t l a b 建立电动助力转向系统模型，并利用a d a m s c o n t r 0 1 实现联合仿真在进行整车建模和电动助力转向系统建模之前，本章将陈述多体 动力学的理论基础，a d a m s 软件介绍和控制系统分析软件m a t l a b 的介绍。 2 1 多刚体动力学基础理论 2 1 1 系统动力学方程的建立 采用拉格朗日乘子法( 拉格朗日第一类方程) 建立系统运动方程m | 】【，”。 丢7 一7 岫坳咖o ，( q , t ) - 0 g ( g ，口，t ) 一0 式中，r 系统能量， ，( q ，f ) to 完整 ( 2 - 1 ) g ( q ，香，t j - o 非完整约束方程 仁一广义坐标列阵 卜广义力列阵 口一对应于完整约束的拉氏乘子列阵 s 对应于非完整约束的拉氏乘子列阵 脚l _ 广义质量列阵 。 y 广义速度列阵 ，广义转动惯量列阵 w 广义角速度列阵 重新改写公式2 - 1 为： f f ( q 鸬口，a ，t ) 一0 g ( v ，尊) 一“一香( 2 2 ) i 妒【g ，t 卜0 式中，口广义坐标列阵 蟊v 广义速度列阵 1 0 +yym 1 2 程卜舫约 武汉理工大学硕士学位论文 a 约束反力及作用力列阵 f 系统动力学微分方程及用户定义的微分方程 描述完整约束的代数方程列阵 g 描述非完整约束的方程列阵 2 。1 2 运动学分析 若系统进行运动学分析，则研究的是零自由度系统位置、速度、加速度和约 束反力，因此只需求解系统的约束方程： 爹( 譬，f ) 一0 ( 2 - 3 ) 用吉尔( g e a r ) 预估校正运算可以有效地求解上式。根据当前时刻的系 统状态矢量值，用t a y l o r 级数预估下一个时刻系统的状态矢量值。 哦+ 警 畦争肌 悟t ， 式中，时间步长 - t - t n 这种预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值通常不准确，公式2 - 4 的右边 项不等于零，可由g e a r 法k + l 阶积分进行校正。 n + 1 一- h p o ) , + l + d 一j + 1 ( 2 5 ) 式中，y l , + l 是y ( t ) r f f - t - f 。时的近似值；卢。，q 为g e a r 积分系数值；式2 - 5 酗骈。死，一扑r 扣。，】 。， 九一一者卜一酗“一l 6 ) 则系统约束方程2 - 4 在tt f 。时刻展开，得： 妒( 口。，t 。+ ，) - 0 ( i 一7 ) 任意时刻f 。位置的确定，可由约束方程的n e w t o n r a p h s o n 迭代方法求褥： 剖匀，却) ( 2 - 8 ) 叫b 式中，幻，一g 川一日，表示第j 次迭代； t 。时刻速度、加速度的确定，可由约束方程求一阶、二阶时间导数得到： f 蚴4 。一丝 i 帕厂 o t 1 1 ( 2 - 9 ) 武汉理工大学硕士学位论文 ( 等) t 一一臀+ 砉妻玺t 砬+ 昙( 警+ 言( 詈) 辱) ( 2 - 1 0 ) t 。时刻约束反力的确定，可由带乘子的拉格朗日第一类方程求解得到： 2 1 3 动力学分析 ( 鼍) r a - 一言( 鼍) + ( 酱) 7 + q ( 2 - 1 1 ) 利用a d a m s 软件建立的多体动力学模型，其动力学方程一般为隐式、非线性 的微分代数混合方程，用吉尔( g e a r ) 预估校正算法可以有效地求解此类方 程。通过求解该类方程，可以得到动力学模型中所有构件的边界条件，即力，速 度、加速度。其求解过程的方法和数据流程如图2 1 所示。 图2 1a d a h i s 的求解过程的方法和数据流程图 微分一代数方程组求解时，其步骤如下： 1 高斯消元。在进行高斯消元时，需要判断矩阵的主元，以防止求解失败。 2 l u 分解。完成高斯消元的方程组，通过l u 分解法求得方程组的解。 在进行动力学分析时，对动力学微分方程，根据机械系统特性，可选择不同 的积分算法：对刚性系统，采用变系数的b d f ( b a c k w a r d sd i f f e r e n t i a t i o n f o r m u l a t i o n ) 刚性积分程序，它是自动变阶、变步长的预估校正法，在积分的每 一步采用了修正的n e w t o n r a p h s o n 迭代算法；对于高频系统，采用坐标分隔法 ( c o o r d i n a t e p a r t i t i o n e de q u a t i o n ) 和a b a m ( a d a m s b a s h f o r t ha n d a d a m s - m o u l t o n ) 方法。与之相对应。a d a m s s o l v e r 的积分器就可以分为两种： 刚性和非刚性的积分器。常用的b d f 刚性的积分器是g s t i f f ( g e a r ) 积分器、 d s t i f f ( d a s s a l ) 积分器和w s t i f f ( w i e l e n g a s t i f f ) 积分器。非刚性积分器是a b a m 积分器。以下就求解算法进行描述： 1 微分一代数方程的求解算法 根据当前时刻的系统状态矢量值，用t a y l o r 级数预估下一个时刻系统的状态 武汉理工大学硕士学位论文 矢量值。将公式2 - 1 2 在t - t “时刻展开，得： f ( g ，“。，t 。，九+ ，f 。) - 0 饥棚一) - u r n t - 。m + j mu m ! - - ( 去) ( ，一扣一+ - ) ( 2 - 1 2 ) ，( q s + l r 。) - 0 若预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值满足方程( 2 1 2 ) ，则可不必进行 校正。 a d a m s 使用修整的n e w t o n r a p h s o n 程序求解上面的非线性方程，程序求解非 线性方程组妒伍) - o 时，其中共有力个方程，即： 一妒( 嚷虫丸) ( 2 1 3 ) 变量x 阵为力阶列阵。n e w t o n - r a p h s o n 算法的关键是如何选取适当的初值， 如果矩阵为非奇异，则解是唯一的。 n e w t o n r a p h s o n 算法求解上述非线性方程，其迭代校正公式为： f | + 鼍蛔| + 鼍缸，+ 等战