（车辆工程专业论文）基于adams的电动助力转向系统仿真研究.pdf

摘要 汽车转向系统是影响汽车操纵稳定性、行驶安全性和驾驶舒适性的关键部 件。在追求高效节能、高舒适性和高安全性的今天，电动助力转向系统( e p s ) 作 为一种全新的汽车动力转向系统，以其节能、环保、更佳的操纵特性和转向路感， 成为动力转向技术研究的焦点。 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。本文基于a d a m s 软件， 对装备e p s 系统的整车多体动力学虚拟样机模型进行了仿真控制分析。 首先对e p s 的结构、工作原理、关键部件、分类、特点、发展及现状等进 行了阐述：简要介绍了多体动力学的理论基础，对大型对体系统动力学仿真软件 a d a m s 进行了详细的介绍。 利用多体动力学理论，应用a d a m s c a r 模块建立了装备e p s 系统的整车 多体动力学模型，包括前垢悬架模型、转向系统模型、前后车轮模型、传动与 制动系统模型、路面谱。针对转向系统应用新的加载助力方法，进行相关文件的 编写。 讲解了助力特性的要求和分类，然后针对所确定的仿真试验进行了驾驶员控 制文件的编写。利用前面建立的整车模型对直线型、折线型、曲线型三种助力特 性进行操纵稳定性的轻便性和路感仿真分析。并讨论了确定助力特性的一般过 程。 运用联合仿真技术，将m a t l a b 软件中建立起来的控制系统与a d a m s 中 的机械系统仿真模型联系起来，将助力作为机械系统的输入和控制系统的输出， 将机械系统输出的方向盘转矩和车速信号等作为控制系统的输入，进行机电一体 化联合仿真分析。仿真结果表明：在助力中加入横摆补偿可以提高汽车的稳定性， 在系统中加入阻尼补偿和回i e l , 偿可以改善车辆转向性能、提高回正速度，抑制 方向盘振荡、保持路感。 关键词：电动助力转向系统，a d a m s ，操纵稳定性，助力特性，联合仿真 a b s t r a c t v e h i c l es t e e r i n gs y s t e mi sap i v o t a lp a r t sw h i c hh a sb i gi n f l u e n c eo nv e h i c l e s c o n t r o ls t a b i l i t y , d r i v es a f e t ya n dc o m f o r t e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，i saf l e wh i g h - t e c h w h i c hf o l l o w st h ed e v e l o p m e n to fm o d e ma u t o m o b i l e ，h a sa d v a n t a g e si ne n e r g y s a v i n g , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i n g , d r i v es a f e t y , m a k i n gh i g h e rs t e e r i n gp e r f o r m a n c e , b e t t e rr o a df e e l i n g , h a ss h o w ni t st r e m e n d o u sf o c u s n e d e v e l o p m e n to f t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h e 叩p l i c a t i o no ft h es o f t w a r e a d a m sh e l pu sd om o r er e s e a r c h e sa b o u tt h ee p s t h i st h e s i ss i m u l a t e sa n d a n a l y z e sam u l t i - b o d yd y n a m i cm o d e le q u i p p e dw i t he p so fb a s e do na d a m s s i m u l a t i o ns o f t w a r e f i r s t l y , t h es t r u c t u r e ，o p e r a t i n gp r i n c i p l e ，c r i t i c a lc o m p o n e n t , c a t e g o r i z a t i o na n d f e a t u r e sa sw e l la st h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fe p sa r ei n t e r p r e t e d t h e o r yo ft h e m u f t i - b o d yd y n a m i c sa n da d a m ss i m u l a t i o ns o f t w a r ea l ei n t r o d u c e d b a s e do nt h em u f t i - b o d yd y n a m i c s , u s i n gt h ea d a m s c a r , t h ev e h i c l em o d e l i 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 gs y s t e m ，t i r e ss y s t e ma n d p o w e rt r a i na n db r a k es y s t e ma n dm a df i l e sa r eb u i l t an e ww a yt oa d dt h ea s s i s t p o w e ro nt h es t e e r i n gs y s t e mi sa p p l i e da n dt h ef i l e sw h i c ha u s e di nt h es i m u l a t i o n a w r i t e d a tf i r s t , r e q u e s ta n dc l a s s i f i c a t i o no fa s s i s t - c h a r a c t e r i s t i ca r ei n t r o d u c e d 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 s ，t h ed r i v e rc o n t r o lf i l e sa n dd r i v ec o n t r o ld a t a f i l e sa l ec o m p o s e d a n dt h e n , s t r a i g h t - l i n e , b r o k e n l i n e a n dc u r v e - l i n ea s s i s t c h a r a c t e r i s t i ca r cs i m u l a t e d r e s p e c t i v e l y , t h e t h r e ea s s i s tc h a r a c t e r i s t i c sa n di t s p a r a m e t e r si n f l u e n c eo n t h es t e e r i n gm a n o e u v r a b i l i t ya n dr o a df e e li si n v e s t i g a t e d c o u r s eo fm a k i n ga s s i s tc h a r a c t e r i s t i ci sd i s s c n s e d c o - s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi sa l s ou s e di n t h i sp a p e rt ol i n kt h ec o n t r o lm o d e l e s t a b l i s h e di nm a t l a bt ot h em e c h a n i c a lm o d e le s t a b l i s h e di na d a m s a s s i s t f o r c ei st h ei n p u to fm e c h a n i c a lm o d e la n di ti sa l s ou s e da st h eo u t p u to fc o n t r o l m o d e l t h eo u t p u t so fm e c h a n i c a lm o d e l , w h e e lt o r q u ea n ds i g n a lo fv e h i c l es p e e d ， a r eu s e da st h ei n p u t so fc o n t r o lm o d e l 皿ec o s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a ty a w c o m p e n s a t i o n c a ni m p r o v et h e s t a b i l i t yo fa u t o m o b i l e s ；d a m p i n g a n dr e t u r n c o m p e n s a t i o nc a l li m p r o v es t e e r i n gc a p a b i l i t ya n dr e t u r nv e l o c i t y , r e s t r a i ns t e e r i n g w h e e ls u r g e ，k e e pr o a df e e l i n g 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 ( e p s ) ，a d a m s ，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 r i s t i c ，c o - s i r e u l a t i o n 独创性声明 本人声明。所呈交的论文是我个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傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 呜q 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) 躲珥一各桦日一 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电动助力转向系统概述 汽车在行驶过程中，经常需要改变行驶的方向，称为转向。轮式汽车行驶是 通过转向轮( 一般是前轮) 相对于汽车纵向轴线偏转一定的角度来实现的。用来改 变或恢复汽车行驶方向的专设机构称为汽车转向系统。汽车转向系统一直存在着 “轻”与。灵”的矛盾。尽管人们采用了变速比转向器等，但始终不能从根本上 解决这一矛盾。随着现代汽车技术的迅猛发展，人们对汽车转向操纵性能的要求 日益提高，因此对转向系统进行了不断地改进。 在2 0 世纪5 0 年代初出现了液压动力转向技术，比较好的缓解了“轻”与“灵” 的矛盾，符合人们对转向轻便性更高的要求，在保证其它性能的条件下，能大大 降低转向盘上的手力，特别是原地转向时转向盘上的手力。液压动力转向系统以 其具有的转向操纵灵活、轻便，设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大， 并可吸收路面对前轮产生的冲击等优点，自2 0 世纪5 0 年代以来，在各国汽车上 得到普遍采用。但传统的液压动力转向系统需消耗一定的能量，增加了汽车的燃 油消耗量，液压动力转向系统所引起的燃油消耗量约占整车燃油消耗量的3 0 9 6 。 随着电子技术的发展，电子控制式机械一液压动力转向系统应运而生。该系 统在某些性能方面优于传统的液压动力转向系统，但仍然无法根除液压动力转向 系统的固有缺憾。此外，传统液压动力转向系统在选定参数完成设计之后，转向 系统的性能就确定了，不能再对其进行调节与控制。因此传统液压动力转向系统 协调转向力与操纵“路感”的关系困难。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。 电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，简称e p s ) ，是一种 新的动力转向系统【l l 。它由电动机提供助力，助力大小由电控单元( e c u ) 适时 调节与控制，可以较好的解决上述液压动力转向系统所不能解决的矛盾。完全取 消液压装置，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。e p s 电动助力转向系统是现代汽车转向系统的发展 方向，已被我国列为高新科技产业项目之一。据预测，到2 0 0 8 年，大约在欧洲 上市的5 0 的新车都将装上e p s 以取代传统的液压助力转向系统。到2 0 1 0 年， 全世界3 0 的轿车将会安装e p s 。目前，e p s 的产量正以1 0 的速度递增，2 0 0 8 年将达到1 5 4 0 万套，按此发展速度，e p s 不久将占领全部轿车市场。我国汽车 正以每年3 0 的速度递增，目前绝大部分采用机械转向或液压助力转向，仅有少 武汉理工大学硕士学位论文 数采用电动助力转向器。按照目前e p s 应用的发展趋势，今后大部分微型车和轿 车都将采用电动助力转向器。就近年来说，若1 3 的微型车和轿车采用电动助力 转向器，就将需要大约8 0 - 1 0 0 万台电动助力转向器。随着时间的推移，其需求 量将迅速增加，因此，电动助力转向器的市场前景十分广阔。已成为世界汽车技 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 电动助力转向系统简介 1 2 1 e p s 结构及工作原理 电动助力式转向系统在不同车上的结构部件尽管不尽一样，但是基本原理是 一致的。它一般是由转矩( 转向) 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，其机构示意如图1 - 1 所示。 图1 - 1 电动助力转向系统结构示意图 e p s 的工作原理为：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，这个传感器一般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。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 电动助力转向的关键部件【2 l 扭矩传感器 扭矩传感器用来检测转向盘转矩的大小和方向，以及转向盘转角的大小和方 向，它是e p s 的控制信号之一。精确、可靠、低成本的扭矩传感器是决定e p s 能否占领市场的关键因素。扭矩传感器主要有接触式和非接触式两种。常用的接 触式( 主要是电位计式) 传感器有摆臂式、双排行星齿轮式和扭杆式三种类型，而 非接触式转矩传感器主要有光电式和磁电式两种。前者的成本低，但受温度与磨 损影响易发生漂移、使用寿命较低，需要对制造精度和扭杆刚度进行折中，难以 实现绝对转角和角速度的测量。后者的体积小，精度高，抗干扰能力强、刚度相 对较高，易实现绝对转角和角速度的测量，但是成本较高。因此扭矩传感器类型 的选取根据e p s 的性能要求综合考虑。 电动机。 电动机根据e c u 的指令输出适宜的转矩，一般采用无刷永磁电动机，无刷永 磁电机具有无激磁损耗、效率较高、体积较小等特点电机是e p s 的关键部件之 一，对e p s 的性能有很大的影响。由于控制系统需要根据不同的工况产生不同 的助力转矩，具有良好的动态特性并容易控制，这些都要求助力电机具有线性的 机械特性和调速特性。此外还要求电机低转速大扭矩、波动小、转动惯量小、尺 寸小、质量轻、可靠性高、抗干扰能力强。 电磁离合器 电磁离合器是保证电动助力只在预定的范围内起作用。当车速、电流超过限 定的最大值或转向系统发生故障时，离合器便自动切断电动机的电源，恢复手动 控制转向。此外，在没有助力的情况下，离合器还能消除电动机的惯性对转向的 影响。为了减少与不加转向助力时驾驶车辆感觉的差别，离合器不仅具有滞后输 出特性，同时还具有半离合器状态区域。 减速机构 减速机构用来增大电动机传递给转向器的转矩。它主要有两种形式：双行星 齿轮减速机构和蜗轮蜗杆减速机构。由于减速机构对系统工作性能的影响较大， 因此在降低噪声，提高效率和左右转向操作的对称性方面对其提出了较高的要 求。 1 2 3 电动助力转向系统的分类 电动助力转向系统可由减速机构的不同分为蜗轮蜗杆式助力机构和差动轮 系式助力两种。差动轮系式转向机构具有转向路感平滑稳定、转向灵敏性可调的 3 武汉理工大学硕士学位论文 特点，更适合前轴负荷小且对高速操纵性能要求较高的轿车：而蜗轮蜗杆式e p s 具有助力较大、操纵灵敏性较弱的特点，适合于前轴负荷大转向沉重且对高速操 纵性能要求不高的载货汽车。 l2 3 4 1 轴助力式2 - , 1 , 齿轮助力式3 另端小齿轮助力式4 _ 齿条助力式 图1 - 2 四种不同形式的e p s 另外电动助力转向系统还可以根据电动机和减速机构位置的不同分为图1 2 四种：轴助力式e p s ( 电机和减速机构装在转向传动轴上) ，转向小齿轮助力式 e p s ( 电机和减速机构装在输入小齿轮上) ，另端小齿轮助力式e p s ( 电机和减速机 构装在另端小齿轮上) ，齿条助力式e p s ( 电机和减速机构装在齿条外侧) 3 1 1 2 4 电动助力转向系统的特点 与传统液压动力转向( h p s ) 相比e p s 具有以下特点； 1 ) e p s 能在各种行驶工况下提供最佳力，减小路面不平度所引起的对转向系 的扰动，改善了汽车的转向特性。 2 ) e p s 只在转向时电动机才提供助力，相比液压动力转向系统可节约燃油3 5 ，因而燃油经济性有了很大的提高。 3 ) e p s 取消了油泵、皮带、密封件、液压软管、液压油及密封件等，其零件 比传统液压动力转向系大大减少，因而质量更轻，结构更紧凑，在安装位置选择 方面也更为方便，并且可以降低噪声。 4 ) h p s 的参数一经确定，转向系统的性能也随之确定，很难改正，而e p s 可 以通过改变和设置不同的程序，改变转向特性，装配自动化程度更高，能与不同 的车型匹配，缩短生产和开发时间，提高了效率。 5 ) 由于e p s 不存在渗漏问题，因而减少了对环境的污染。 6 ) l i p s 在低温下启动发动机之后，由于低温下油的粘度较大，使转向作用力 较高，而e p s 在低温下不会增加转向作用力和发动机的负荷，因而其低温运行状 况好于h p s 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 5 电动助力转向系统的优点和发展方向 电动助力转向系统主要的优点有： 1 ) 自由度高：助力特性可以灵活的依据转向时的车速、横向加速度、汽车重 量、电池电压，车轮气压等改变，且修改方便； 2 ) 结构简单：相对于液压动力转向系统少了液压泵、转阀、液压管道等复杂 的液压机构，不仅节省了大量的空间，也减少了4 6 公斤的重量； 3 ) 节能：相对于传统的液压动力的转向系统，采用e p s 能使整车提升3 5 的燃油经济性。这是由于e p s 只在转向时才工作，而液压转向系统不管是否需 要助力都一直在运行，尤其在汽车高速行驶时，原本这时是最不需要转向助力， 而这时液压泵的功率消耗却是最大的； 4 ) 减振：e p s 系统具有较高的惯性力矩，对于来自轮胎的外部干扰可起到缓 解作用，在高速时相对于液压动力转向系统能减振2 5 3 0 ； 5 ) 环保：由于不存在液压油泄漏等问题使得e p s 更为环保。 电动助力转向系统的发展方向主要有： 1 ) 四轮转向：由传统的两轮转向向四轮转向发展，将提升汽车的转向稳定性， 减小转向半径； 2 ) 加大电动马达：e p s 中目前使用的都是1 2 v ( 或是2 4 ”的电动马达，只能提 供有限的辅助动力，因此仅能在小型车上使用。若能将现有的汽车电力系统作较 大的改变，将使得e p s 能够应用在大型车甚至是卡车上； 3 ) 提高系统的可靠性：这就要求在e p s 系统中采用非接触式的转矩传感器， 而不是接触式( 如滑动电阻式) 传感器。非接触式传感器技术将是动力转向技术的 发展方向； 4 ) 进一步优化电动机的助力特性：由于e p s 系统中存在电机和减速器，使得 转向操纵机构的惯性增大，为此需引入惯性控制和阻力控制；同时，为了使e p s 系统在低附着路面等特殊的转向条件下也具有良好的转向和回正性能，也需要对 电机的助力特性进行优化，同时提高对路面的抗干扰能力和驾驶员的路感； 5 ) 实现e p s 系统与其它控制系统的一体化：e p s 系统不应当只是一个独立的 系统，它应当与汽车底盘的其它系统的控制单元相互通讯联系，实现控制系统的 一体化； 6 ) 采用更加先进的控制技术和电子技术：箍着电子技术，传感器技术等的不 断发展，将会进一步提高和优化e p s 的性能，诸如汽车的低速行驶轻便性、稳态 转向特性、回正能力、转向盘中间位置操纵稳定性和前轮的摆振控制等； 7 ) 考虑主动安全性的转向技术从操纵轻便性、稳定性和安全行驶的角度， 5 武汉理工大学硕士学位论文 广泛使用更先进的工艺方法制造、使用变速比转向器和高刚性转向器，采用防碰 撞安全转向柱等；从充分考虑驾乘的舒适性和安全性的角度，应用诸如四轮转向 等技术。另外对汽车操纵性能的提高也可以提高汽车系统对驾驶员转向输入的响 应和“人一车闭环系统”的主动安全性； 8 ) 线控电动转向系统：e p s 将进一步的简化系统，发展成为完全由电气控制 的线控转向系统。 1 3e p s 国内外研究现状 目前国内主要有清华大学、天津大学、华中科技大学、合肥工业大学，东南 大学和江苏大学等几所高校对e p s 进行了研究，主要现状如下： 清华大学的陈奎元教授对e p s 的助力控制、回正控制和阻尼控制技术分别进 行了研究【4 】。季学武教授对e p s 的直流伺服技术进行了研究嘲，针对e p s 原有的 单一控制方式的不足，采用带有助力和阻尼两种模式的综合控制方式，提出一种 针对占空比和控制模式的修正方法 天津大学的许镇琳等人采用车速离散化的方法，通过一族车速曲线和助力特 性对应的关系图表来计算助力电机的电流，但这会造成一定的盲区，产生一定控 制误差。张海华采用多层前向神经网络对全车速下的助力特性进行拟合，并采用 基于综合目标函数的二阶学习算法对其进行离线学习，实现了全车速范围的非线 性转向助力，克服了助力盲区。王豪等人提出了简化的转向阻力计算公式及助力 增益与车速关系，并在实车的基础上得到了非线性的助力特性图。尚酷基于综合 目标函数的误差反向传播学习算法，设计了用于离散化转向助力特性的b p 神经 网络结构，实现了全车速范围的非线性转向助力，克服了转向助力盲区。 华中科技大学的刘照对电动转向系统中两种辅助转向传动机构方案( 蜗轮蜗 杆机构方案和差动轮系机构方案) 进行了分析，得出这两种方案对转向灵敏性和 转向路感的影响 6 1 。唐新蓬定性地说明了e p s 系统的控制方式和结构参数对汽车 转向盘阶跃输入下的稳态、瞬态和频率响应特性的影响。任延对e p s 的硬件在环 仿真系统进行了设计，分析了软硬件构成和动态模型结构。 江苏大学的徐建平提出了e p s 的阻尼控制方法和回正控制算法，对特定频段 应用主动阻尼控制方法来增加系统阻尼 7 1 ，并基于转向盘转角估计方向盘的回正 力矩，省去了转角和转速传感器，降低了控制系统的成本。何仁对e p s 稳定性进 行了分析，提出在满足助力的前提下，应尽量取小的助力增益值使系统更稳定。 吉林大学的沈长富通过对方向盘回正力矩的建模，模拟生成了为驾驶员提供 路感的方向盘回正力矩，利用所提出的前轮转向控制算法，对横摆角速度和侧向 加速度进行反馈控制，提高了汽车的稳定性。 6 武汉理工大学硕士学位论文 合肥工业大学的刘俊对e p s 的单片机控制进行了研究。王其东建立了基于笛 卡儿坐标的e p s 多刚体动力学模型、轮胎模型及整车二自由度转向模型，采用基 于p i d 的模糊神经网络控制方法进行控制【剐。陈无畏和王启瑞将模糊规则分为较 大把持力矩和较小力矩两种，采用双模糊表的方式对e p s 进行控制。 此外，北京交通大学的吴文江，石家庄铁道学院的杜彦良、清华大学的季学 武、合肥工大的王启瑞都对e p s 的h 。控制进行了研究。 目前国外对e p s 的研究主要如下： 三菱公司开发出可用于评估e p s 控制策略的操作模拟器，可方便地对基于方 向盘转角、加速踏板位置、以及制动踏板位置的具有1 l 自由度的汽车运动进行 计算同时提出了一种提高e p s 在低附着路面上操控性的控制策略，通过使用转向 盘转角反馈或评估校正力矩反馈以提供更高的转向盘回正性和路感。此外在减轻 电流波动方面，提出了对扰动电压进行估计和补偿的方法，减少了转向时的噪声 和力矩的波动；在提高回正性方面，开发了一种对轮胎和路面作用产生的回正力 矩进行估算的方法，并通过试验证明其有效性。 美国的y g l i a o 、h i d u 采用a d a m s 动力学分析软件和m a t l a b 仿真软件，对基 于多刚体的e p s 整车动力学模型进行了联合仿真。 韩国的j i - h o o nk i m 、j a e b o ks o n g 提出直接控制方向盘转矩的控制策略， 分别采用助力和回正两种控制方式，通过硬件在环仿真，证明其提高了方向盘的 回正特性。 d e l p h i 公司提出在e p s 系统控制器中入横摆角速度反馈以增加系统的操纵 稳定性，同时建立了“人一车”一体化的仿真模型，结果表明该方法有助于稳定 “人一车”闭环控制系统。 目前不论国内国外都在试图用更可靠有效的方法对e p s 进行控制，国内对 e p s 的建模往往都只针对转向系统进行分析，较少考虑整车、轮胎等与转向系统 之间的相互影响，或只是采用简化的二自由度整车转向模型，这种模型在侧倾转 向效应较小的情况下，可以较好的模拟现实情况，但在侧倾转向效应较大时，这 样的简化模型就不够精确。 1 4 本文主要研究的内容及目的 本文研究的目的和意义： 电动转向系统的研制和开发涉及机械、电子、材料等多学科多领域，开发周 期长而且成本高，传统的设计方法和研究手段是无法适应。再加上我国目前制造 业研发水平普遍偏低、科研经费投入偏少的现状，决定了必须采用先进的设计方 法和手段来进行e p s 产品的开发。而采用虚拟样机技术可以最大限度地减少电动 7 武汉理工大学硕士学位论文 转向系统开发周期，降低开发成本，增加经济和社会效益。本文借助a d a m s 软件 建立整车模型，然后分析了不同助力特性对汽车操纵稳定性的影响，这对助力特 性的选择和设计有一定的指导意义。由于只用a d a m s 进行简单的助力特性仿真分 析还不能达到我们实际工况要求，所以接着采用联合仿真的方法研究了对助力特 性进行补偿给整车操纵稳定性及路感带来的好处，这一联合探索的过程既为研究 电动助力转向系统的运动学和动力学特性提供了一种可行的方案，也为联合仿真 技术应用于整车和其他机械系统的动力学仿真分析提供了借鉴。 本文主要研究内容如下： 1 ) 通过对国内外相关文献的学习，对电动助力转向系统的原理、结构、类型、 特点、优点、发展方向等进行分析； 2 ) 简要叙述了多体系统动力学的理论基础，对大型多体系统动力学仿真软件 a d a l i s 进行了详细介绍； 3 ) 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、传动 和制动模型及路面谱模型。应用加载助力的方法，编写相关助力文件，使仿真更 加真实，仿真结果更加可靠； 4 ) 讲解了助力特性的要求和分类，然后针对所确定的仿真试验进行了驾驶员 控制文件的编写。利用前面建立的整车模型对直线型、折线型、曲线型三种助力 特性进行操纵稳定性的轻便性和路感仿真分析。并讨论了确定助力特性的一般过 程： 5 ) 对助力特性进行补偿调节，采用回正补偿、阻尼补偿和横摆角速度反馈补 偿等控制方式，将a d a m s 整车动力学模型与m a t l a b 控制系统相结合，进行联合 仿真分析。仿真结果表明：在助力中加入横摆角速度补偿可以提高汽车的稳定性， 在系统中加入阻尼补偿和回正补偿可以改善车辆转向性能、提高回正速度、抑制 方向盘震荡、保持路感； 6 ) 总结本课题的研究工作，提出今后工作的期望。 1 5 本章小结 本章首先对电动助力转向系统进行了概述，然后介绍了电动助力转向系统的 结构、工作原理、关键部件、分类及特点，并且论述其优点和发展方向，接着阐 述了电动助力转向系统的国内外研究现状，最后提出了本文的研究目的和主要研 究内容。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章多体动力学理论基础及a d a m s 软件介绍 2 1 多体动力学简介 2 1 。l 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，日前已经趋于成熟。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【，j 。 目前，多体系统动力学己广泛应用于车辆设计、航天航空器控制、机器入学、 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 2 多体动力学的研究方法 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，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 作功的绞的理想约束反力，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。 1 9 6 6 年罗伯森( r o b e rs o n ) 和维滕堡( w n c 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大等 9 武汉理工大学硕士学位论文 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：( 1 ) 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，这给多刚体系统动力学理 论带来了很多优点 1 0 1 ： 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。所以不但适用于较简单的平面模型，而目更适用于复杂的 三维空间模型。 2 1 3 多体系统动力学在汽车动力学分析中的应用【1 1 】 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。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。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 多体动力学仿真软件a d a m s 介绍 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 s o fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 是美国 m e c l 珀m i c a ld y n a m i c s , l n c ( m d l 9 公司生产的机械系统动力学仿真分析软件，它使 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，它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 速度和反作用力等曲线，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。它为用户提供了强大 的建模、仿真和分析功能。a d a m s 具有十分强大的运动学和动力学分析功制捌。 a d a m s 软件包括核心模块a d a m s a l i i e w 和a d a m s s o l v e r ，以及其他扩展 模块。a d a m s v i e w 是以用户为中心的交互式图形环境，它提供丰富的零件几 何图形库、约束库和力库，将便捷的图表操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互 式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、x - y 曲线图处理、结果分析和数 据打印等功能集成在一起。a d a m s s o l v e r 是a d a m s 软件的仿真“发动机”， 它自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结 果。a d a m s s o l v e r 有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程问题。 2 2 2 自由度的计算 机械系统的自由度表示机械系统中各构件相对于地面机架所具有的独立运 动数量。 机械系统的自由度与构成机械的构件数量、运动副的类型和数量以及其它约 束条件有关。例如：一个在3 维空间自由浮动的刚体有6 个自由度，一个圆柱副 约束了两个移动和两个转动，共提供了4 个约束条件。表2 - 1 为a d a m s 常用的运 动副及自由度约束数【捌 表2 - 1a d a m s 常用的运动副及自由度约束数 约束的自由度数目 铰链名称 平动转动合计 固定铰链 3 36 旋转铰链 32 5 万向节铰 3 l4 武汉理工大学硕士学位论文 续表2 - 1 球铰 3o3 圆柱铰22 4 移动副23 5 平面副 l23 恒速副 314 根据表2 - 1 ，机械系统的自由度d o f 可以用下式计算： d o f - 6 n 一4 了- - # p j 一r ，_ 式中：辟活动构件总数； p 第i 个运动副的约束条件数( f 1 一) ； r 一其它的约束条件。 在a d a m s 软件中，机构的自由度决定了该机构的分析类型：运动学分析或动 力学分析。 当0 0 f = 0 时，对机构进行运动学分析，即仅考虑系统的运动规律，而不考虑 产生运动的外力。在运动学分析中，当某些构件的运动状态确定后，其余构件的 位移、速度和加速度随时间变化的规律，不是根据牛顿定律来确定的，而是完全 由机构内构件间的约束关系来确定，是通过位移的非线性代数方程与速度、加速 度的线性代数方程迭代运算解出。 当d o f 0 时，对机构进行动力学分析，即分析其运动是由于保守力和非保守 力的作用而引起的，并要求构件运动不仅满足约束要求，而且要满足给定的运动 规律。它又包括静力学分析、准静力学分析和瞬态动力学分析。动力学的运动方 程就是机构中运动的拉格朗日乘子微分方程和约束方程组成的方程组。 当d o f 0 时，属于超静定问题，a d a m s 无法解决。 2 2 3a d a m s 软件的分析和计算方法 a d a m s s o l v e r 提供了功能强大的求解器，可以对所建模型进行运动学，静 力学、动力学分析。为了了解a d a m s 软件的理论基础和求解方法，简要介绍 其求解功能如下 x 4 1 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 1 广义坐标选择 动力方程的求解速度在很大程度上取决于广义坐标的选择。a d a m s 用刚 体i 的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标，即 吼- 睡，y ，z ，v ，0 ，妒f ，qi 【爵， ，爵r ，即每个刚体用六个广义坐标描述。由于采 用了不独立的广义坐标，系统动力学方程虽然是最大数量，但却高度稀疏耦合的 微分代数方程，适于用稀疏矩阵的方法高效求解。 2 _ 2 3 2 动力学方程的建立 f 岳( 薏) 7 一( 普) 7 + p + 吁q 巴薯葛。 沼。 瞄 2 2 3 3 运动学分析 运动学分析研究零自由度系统的位置、速度、加速度和约束反力，因此只需 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 求解系统的约束方程： 妒 t 。) - 0 ( 2 3 ) 用吉尔( g e a r ) 预估一校正算法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 y 。洲。+ 鲁 + 刍争肌 c z 枷 其中：时间步长h - t , 。- t , 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，式右边的项不等 于零，可以i 扫g e a rk + l 阶积分求解方程( 或其他向后差分积分程序) 来校正。 ) ，。一- h a 0 ；q - ( 2 - 5 ) 其中咒。一y ( r ) 在f f - 。时的近似值； 风，q g e a r 积分程序的系数值 整理该公式得： 屯一老卜跏一1 】 将公式( 2 3 ) 在f - t , “时刻展开，得： 妒( 吼。，+ 。) 一0 ( 2 - 7 ) 任一时刻位置的确定，可由约束方程的n e w t o n k a p h s o n ：i 燃： 曹 一- - 妒( q j t , ) ( 2 8 ) 其中， 觇- q j 。- q j ，表示第，次迭代 f l 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： ( 卦一警 c 2 9 ， 盼一院8 t 2 霪砉去赫渊；+ 鞘0 亿埘 武汉理工大学硕士学位论文 时刻约束反力的确定，可由带乘子的拉格朗日方程得到： ( 鼍) f a 一 一丢( 薏) 7 + ( 鼍) 7 + q c 2 - ， 2 2 3 4 动力学分析 a d a m s 软件进行动力学分析时采用两种算法： ( 1 ) 提供三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序：g s t i f f 积分器、 d s t i f f 积分器和b d f 积分器来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程，这种 方法适于模拟刚性系统( 特征值变化范围大的系统) 。 ( 2 ) 提供a b a m ( a d a m s b a s h f o r t ha n da d a m s m o u l t o n ) 积分求解程序， 采用坐标分离算法，来求解独立坐标的微分方程，这种方法适于模拟特征值 经历突变的系统或高频系统。 ( 一) 微分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 状态矢量值。 将公式( 2 2 ) 在扛籼