（车辆工程专业论文）类菱形车电控后轮随动转向系统研制.pdf

硕士学位论文 摘要 本文以一款类菱形车为研究对象，在分析原有前后轮机械联动转向机构优缺 点的基础上，提出电控后轮随动转向系统( e c s ) 设计方案，论文详细讨论了e c s 的系统构成、工作原理以及控制策略和算法。 根据降阶建模思想推导出菱形车电控后轮随动转向系统数学模型。以零偏角 为控制目标提出比例前馈型后轮随动转向控制策略，并采用p i d 控制器对转向机 构伺服控制。在s i m u l i n k 中建立e c s 仿真模型，通过与实验结果对比分析验证模 型的正确性。在阶跃转向工况下仿真分析e c s 对车辆操纵稳定性的影响。仿真结 果表明，采用e c s 后类菱形车的高速操纵稳定性得到一定改善。 开发了类菱形车电控后轮随动转向控制系统。硬件开发的主要工作包括电源 模块、m c u 外围电路、电机驱动及保护电路、信号处理电路和故障报警电路的设 计。软件开发工作包括初始化模块设计、控制算法设计、数字滤波器和主程序设 计等。 研制了e c s 样机，并在实车上对样机的主要功能进行试验验证。试验结果表 明，e c s 能快速、准确且稳定地实现后轮随动转向的控制。 关键词：类菱形车；后轮随动转向；前轮比例前馈控制 i i 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 a b s t r a c t t h i sa r t i c l et a k e st h er h o m b i cv e h i c l ea st h eo b je c to fs t u d y b a s eo nt h ea n a l y s i s o ft h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h em e c h a n i c a ls t e e r i n gt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m i n s t a l l e do nt h er h o m b i cv e h i c l e ，as c h e m eo fe 1 e c t r i c a lr e a rw h e e lc o m p l i a n c e s t e e r i n gs y s t e m ( e c s ) w a sp r e s e n t e d t h es t m c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fe c s ， c o n t r o ls t r a t e g ya n da r i t h m e t i cw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fe csw a sd e r i v e db yu s i n gt h ed e g r a d em e t h o d a n d w i t ht h et a r g e to fz e r o a n g l ec o n t r o l l i n gp r e s e n tt h ep r o p o r t i o n a lf e e d f b r w a r dt y p e r e a rw h e e lc o m p l i a n c es t e e r i n g s t r a t e g y p i dc o n t r o l l e rw a sa d o p t e df b rt h es e r v o c o n t r o lo ft h es t e e r i n gm e c h a n i s m a n dt h ee c ss i m u l a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e di n s i m u l i n ka n dc o n f i r m e d b yc o m p a r i n g w i t ht h er e s u l to ft h e e x p e r i m e n t t h e s t i m u l a t i o na n a l y s i sf 0 rt h ee f 托c to ft h ee cst ot h ev e h i c l eu n d e rt b e s t e p p i n g s t e e r i n gc o n d i t i o nw a sc a r r i e do n t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a tb ya d o p t i n gt h ee c s ， t h eh i g hs p e e dm a n i p u l a t i n gs t a b i l i t yo ft h er h o m b i cv e h i c l ew a si m p r o v e d t h ec o n t r o i l i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e d t h eh a r d w a r ed e v e l o p m e n ti n c l u d e d p o w e rm o d u l e ，m c um o d u l e ，m o t o rd r i v e na n dp r o t e c t i v ec i r c u i t ，s i g n a lp r o c e s s c i r c u i ta n de r r o ra l a r mc i r c u i t s o r w a r ed e v e l o p m e n ti n c l u d e di n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ， c o n t r o la r i t h m e t i c ，d i g i t a lf i l t e r ，m a i nr o u t i n ed e s i g na n ds oo n t h em o d e lo fe c sw a sm a d ea n dt h em a i nf u n c t i o no fi tw a st e s t e di nv e h i c l e t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ee c sc a nr e a l i z et h er e a rw h e e lq u i c k ，a c c u r a t e ，a n d s t a b l ec o m p l i a n c es t e e r i n gc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：r h o m b i cv e h i c l e ；r e a rw h e e lc o m p l i a n c es t e e r i n g ；f r o n tw h e e l p r o p o i r t i o n a lf - e e d f o r w a r dc o n t r o l i 硕士学位论文 1 1 课题背景 第l 章绪论 转向系是汽车的一个重要组成系统，其功能大体可分为两部分，其一是驾驶 员通过转向盘控制转向轮绕主销的转角来操纵汽车运动的方向；其二是凭借方向 盘( 反作用) 力，将整车及轮胎的运动、受力状况反馈给驾驶员【1 1 。 在汽车电子飞速发展的今天，主动悬架、a b s 、a s r ，以及d y c 等底盘控制 技术已经在汽车上得到了应用。这些技术的采用使汽车的动力学特性，特别是在 非线性区、极限工况下的动力学特性得到了改善，。在汽车的操纵性、安全性以及 舒适性方面取得了良好的效果。在汽车转向方面，e p s 和4 w s 等电子转向技术的 应用，提高了汽车的响应特性，改善了线性区的汽车动力学特性。由于汽车转向 系统是决定汽车主动安全性的关键总成，所以如何设计车辆转向系统，使汽车具 有良好的操纵性能，一直都是车辆设计人员的重要研究课题。特别是在车辆高速 化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽 车的易操纵性设计显得尤为重要。而汽车电子技术是用来改善和提高汽车性能最 有效的技术手段。 底盘是车辆的重要组成部分，车辆的转向系统、传动系统和行驶系统等都安 装在底盘上。对于乘用车来说，底盘的设计关系到车辆的操稳性、舒适性、动力 性、经济性和通过性。在底盘设计中，操稳性是第一位的。湖南大学钟志华教授 从机动性、碰撞安全性和经济性等方面出发，打破传统车辆底盘布置方式，创造 性地提出了类菱形底盘【2 4 j ( 即前后各布置1 个车轮，中间轮轴布置2 个车轮， 通过采用菱形的底盘和车身设计，整车呈梭形) 。 图1 1 和图1 2 分别为类菱形底盘车轮布置图和传统底盘车轮布置图。 图1 1 类菱形底盘车轮布置图 图1 2 传统底盘车轮布置图 在类菱形车设计中，中间两轮为驱动轮，前、后轮为转向轮。由于车轮采用 菱形布置方式，传统车辆的转向系统不能直接应用到类菱形车上，所以必须根据 类菱形车底盘的特点设计出一套灵活、可靠的转向系统。 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 1 2 国内外研究现状与发展趋势 目前，国内外己对汽车转向系统做了大量研究。研究方向主要有三个方面： ( 1 ) 助力转向控制技术； ( 2 ) 主动转向控制技术； ( 3 ) 四轮转向技术。 同时随着电子技术的发展、控制理论的成熟，电控技术在汽车转向系统上的 应用将逐渐普及。 1 2 1 车辆转向技术发展现状与趋势 自18 8 5 年第一辆汽车诞生以来，转向系统就作为汽车的重要总成之一。随着 汽车工业技术的发展和提高，各种现代化的工业技术也被应用到汽车转向系统上。 汽车转向系统一百多年的发展历程可分为：机械式转向系统( m s ) ；传统液压助 力转向系统( h p s ) ；电控液压助力转向系统( e h p s ) ；电动助力转向系统( e p s ) ； 四轮转向系统( 4 w s ) ；主动前轮转向系统( a f s ) 等。图1 3 展示了当前汽车转 向系的主要分类。 n 翮 机械转向系 齿 轮 齿 条 式蓁li 萋i l 蓁il 茬 滑ll 转 阀ll 阀 式ll 式 动力转向系 液 压 式 h p s 整i1 分 体ll 置 式li 式 电 控 液 压 式 e h p s 电 控 电 磁 阀 式 电 动 油 泵 式 图1 3 车辆转向系分类 2 电 动 助 力 式 e p s 转 向 轴 助 力 式 双 小 齿 轮 助 力 式 四 轮 转 向 式 4 w s 小 齿 轮 助 力 式 齿 条 助 力 式 主 动 前 轮 转 向 a f s 机 械 式 主 动 一 刖 轮 转 向 电 子 式 | 线 控 转 向 硕士学位论文 ( 1 )机械转向系统 一 机械转向系统( m a n u a ls t e e r i n g ，m s ) 以驾驶员的体力作为转向能源，其中 所有的传力件都是机械的【5 j 。机械转向系统在前轮负荷过大时往往导致转向沉重， 很难协调轻便性和灵敏性二者之间的矛盾。采用变传动比的转向器只能部分地缓 解“轻 与“灵”之间的矛盾，并不能从根本上解决问题且加工复杂、传动效率 比定传动比低【6 1 。但是凭借其简单、可靠、经济等优点，在目前一些小排量经济 型轿车中仍采用机械转向系统。 ( 2 ) 机械式液压助力转向系统 机械式液压助力转向系统( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，h p s ) 首先在重型车辆 上得到发展，这是因为重型车辆的转向阻力大，单靠人力实现很难转向，只能加 装转向助力装置。h p s 除了具有传统的机械转向器外，需增加液压泵、油管、压 力流量控制阀体、v 型传动皮带、储油罐等。 h p s 依靠转向盘转动时带动扭杆直接改变液压系统油路的通道截面积来提供 可变助力，助力的大小与车速的高低没有关系，只与转向盘角度有关。转向盘转 过的角度越大，液压系统提供的助力也就越大【7 1 。 h p s 的产生部分地解决了“轻 与“灵”之间的矛盾，减轻了驾驶员的劳动 强度，但仍存在着许多缺点： ( a ) h p s 的液压泵通过v 带由发动机带动，无论汽车是否有转向操作，h p s 总处于工作状态，所以能耗较高； ( b ) h p s 的转向传动比固定，使车辆转向响应特性随车速、侧向加速度等变 化而变化，驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相位的变化进行一定的操作 补偿，从而控制汽车按照其意愿行驶。这样增加了驾驶员的操作负担，也使汽车 转向行驶中存在不安全隐患【s 】； ( c ) 有关设计参数选定后，h p s 的助力特性就固定了，转向力不易控制 此外h p s 还存在结构复杂、易产生泄漏和不易安装与维护等不足之处。目前 h p s 技术已经很成熟，能够提供足够大的助力，已成为大部分轿车的标准装备。 ( 3 ) 电控式液压助力转向系统 电控式液压助力转向系统( e 1 e c t r o n i ch y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，e h p s ) 是在 机械式液压助力转向系统的基础上发展起来的。e h p s 主要有电控电磁阀式和电动 油泵式。 电控电磁阀式e h p s 在h p s 的基础上增加了车速传感器、电子控制单元( e c u ) 和电磁阀等。e h p s 主要通过传感器将汽车运行中的各种非电量信号( 如车速信号) 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，从 而控制动力转向系统中压力油的流量，再由液压油控制执行机构进行转向动作。 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 正常转向时，电机低速运转，提供少量的液压油；当快速转向时，电机加速，以 提供足够的液压油；转向盘不动时，电机可停转或低速运转，从而减少了能耗。 电动油泵式e h p s 采用直流电机代替发动机驱动油泵，电动机由蓄电池直接供 电。控制器根据车速信号、转向盘转速信号控制电动机转速，从而控制油泵的流量， 达到变助力转向的目的。采用电机驱动油泵后使油泵布置容易，不必布置在发动机 附近。在没有转向操作时，电动机以较低转速运转甚至停止运转，因而可以降低能 量消耗1 9 一l l 】。 e h p s 具有结构紧凑、助力大小可变、节能等优点，是目前先进的汽车转向系 统之一，但液压装置的存在，使得系统仍存在着结构复杂、易产生泄漏、不易安 装维护、成本高等缺点【1 2 】。目前e h p s 主要应用于中高级轿车上( 如a u d ia 6 l ) 。 ( 4 ) 电动助力转向系统 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 g ，e p s ) 利用电机为驾驶员提供适 宜的辅助力。e p s 有转向轴助力式( c o l u m ne p s ，c e p s ) 、小齿轮助力式( p i n i o n e p s ，p e p s ) 、双小齿轮助力式( d i r e c td r i v ee p s ，d e p s ) 和齿条助力式( r a c ke p s ， r e p s ) 等三种结构形式。e p s 一般由助力电机、电磁离合器、减速机构、车速传 感器、转矩传感器及电子控制单元( e c u ) 构成。 尽管e p s 有不同的结构形式，但其基本原理一致。当驾驶员操纵转向盘转向 时，装在转向柱上的转矩传感器将不断地检测作用于转向管柱扭杆上的转矩与转 向盘转角信号，同时车速传感器也不断地采集车速信号，这些信号被实时地输入 e c u ，e c u 再对输入信号进行运算处理，并根据助力特性确定助力转矩的大小及 方向，从而控制电动机的输出助力转矩及转向。电动机经减速机构将转矩输入至 转向器，转向器再将转矩传递至前轮转向横拉杆，最终达到为驾驶员提供转向助 力的目的1 1 3 j 。 在国外，e p s 经过二十多年的发展，其技术日趋完善，其应用范围已经从最 初的微型轿车向更大型轿车和商用车方向发展。在国内，电动助力转向系统发展 相对较晚，但开发速度很快，已有几款轿车配备了国产c e p s ( p - e p s 正处于研发 阶段，r e p s 领域尚未涉足，与国外仍有较大差距) 。 ( 5 ) 四轮转向系统 作为改善汽车操纵性能最有效的一种主动底盘控制技术一一四轮转向技术 ( f o u rw h e e ls t e e r i n g ，4 w s ) ，于二十世纪8 0 年代中期开始在汽车上得到应用，并 伴随着现代汽车工业的发展而不断发展。四轮转向汽车是在前轮转向系统的基础 上，在汽车的后悬架上安装一套后轮转向系统，两者之间通过一定的方式联系， 使得汽车在前轮转向的同时，后轮也参与转向，从而达到提高汽车低速行驶的机 动性和高速行驶的稳定性【1 6 2 1 1 。按照后轮转向的驱动方式可分为机械式4 w s 、电 4 硕士学位论文 控液压式4 w s 、电控电动4 w s 和复合式4 w s 等四种形式。下面简要介绍电控电动 式四轮转向系统的工作原理。 转向时，传感器将前轮的转向信号和汽车运行状态的信号输入四轮转向电子 控制单元( e c u ) ，e c u 对信号进行分析计算后输出后轮转向驱动信号至后轮转向 执行机构，后轮转向执行机构执行动作并通过后轮转向传动机构驱动后轮偏转。 同时，e c u 不断地监测车辆运行状况，计算目标后轮转角与实际后轮转角的差值， 以实时调节后轮转角。 在技术相对成熟的四轮转向汽车中，大多采用电控液压式四轮转向系统。由 于液压系统的固有缺陷，将制约电控液压式四轮转向系统的进一步发展。随着电 子技术、电机技术的飞速发展，电控电动式四轮转向系统在技术上的不断完善， 在转向控制性能、系统布置、节能等方面越来越显示了其优越性，应用前景广阔， 必将取代电控液压式四轮转向系统，成为四轮转向系统发展的主流【2 2 1 。 ( 6 ) 主动前轮转向系统 主动前轮转向系统( a c t i v ef r o n ts t e e r i n g ) 是改善汽车操纵性能的另一种汽 车底盘主动控制技术。主动前轮转向技术的核心在于通过对前轮施加一个不依赖 驾驶员转向盘输入的附加转角来提高车辆的操纵性、稳定性和轨迹保持性能【2 3 1 。 根据附加转角叠加方式的不同，可分为机械式和电子式【2 4 ，2 5 1 。机械式的代表为德 国宝马公司与z f 公司联合开发的主动转向系统；电子式的代表就是线控转向系统 ( s b w ) 。 宝马机械式主动转向系统保留了传统转向系统中的机械构件( 转向盘、转向 管柱、齿轮齿条式方向机和转向横拉杆) ，通过集成在转向柱上的行星齿轮机构增 加一个输入自由度从而实现附加转向。图1 4 为宝马机械式主动转向系统原理图。 图1 4 机械式主动转向系原理图 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 低速时，伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转动相同，叠加后增加了 实际的转向角度，可以减少转向力的需求。高速时，伺服电机驱动的行星架转动 方向与转向盘相反，叠加后减少了实际的转向角度，转向过程变得更为间接，提 高了车辆的稳定性和安全性【2 6 2 7 1 。 线控转向系统与传统的机械式刚性转型系统的不同之处在于转向盘和转向轮 之间使用电子线路连接。典型的前轮线控转向系统主要由转向盘模块、转向执行 模块和电控单元( e c u ) 三个部分组成。图1 5 为线控转向系统结构示意图。 图1 5 线控转向系统结构示意图 线控转向系统的工作原理是，转向盘转角传感器将检测到的转向数据信号以 及汽车运动中的各种信息通过数据总线传递给电控单元，电控单元对这些信息综 合分析，根据自身的内部控制策略，向转向执行系统发出指令，进行转向操作。 与此同时，电控单元通过分析转向盘转角、车轮转角等信号，控制转向盘回正电 机，从而模拟出相应的“路感”1 2 8 2 9 1 。 线控转向和机械式主动转向系统最大的区别体现在当系统发生故障时，机械 式主动转向系统仍能通过转向盘与车轮间的机械连接确保其转向性能，而线控转 向必须通过系统主要零件的冗余设计来保证车辆的安全性。此外，由于机械式主 动转向系统中保留了完整的机械转向结构，在转向过程中可以获得真实的路感， 这一点是线控转向所不具备的。因此，从转向系统安全性和路感的角度出发，机 械式主动转向是当前转向系统发展的一个重要方向。线控转向技术由于受到法规 6 硕士学位论文 的约束，可靠性是阻碍其投入实际应用的最关键因素【3 0 3 1 1 。目前只有少量的量产 车装备机械式主动前轮转向系统，而线控转向系统尚处于研究阶段，只出现在一 些概念车或原型车上。 1 2 2 类菱形车转向系统研究现状 钟志华教授提出类菱形概念至今已有十余年，其科研团队对类菱形车进行了 大量研究，已成功开发了类菱形轿车、类菱形混合动力车、类菱形电动车、类菱 形客车及类菱形月球车。其科研团队在类菱形车转向系统方面，主要进行了如下 研究： 郑军对首款类菱形概念车进行了前期理论分析【”1 ：针对类菱形概念车与传统 车辆的舒适性与操纵性展开对比分析，对比结果表明新概念车在这两方面是完全 可行的，为类菱形概念车的应用研究打下了良好的理论基础。 黄智对类菱形车转向性能进行了分析【3 3 】：采用线性三轮模型分析菱形新概念 车的转向性能，并推导出转向稳定性因子和横摆角速度增益传递函数，最后通过8 自由度非线性模型的仿真，分析了菱形车的阶跃转向响应特性。 查云飞对类菱形车的转向传动机构进行了设计与分析【3 4 】：提出前后轮联动的 转向机构，通过解析法推导出整个转向传动机构间的相互关系，最后通过a d a m s 仿真验证了其方法的正确性。查云飞还对类菱形车转向回正问题进行了分析【3 5 】： 采用弹簧回正机构驱动菱形车转向系统的转筒回转，实现转向轮的回正。通过对 菱形车的转向阻力矩和回正力矩的分析，得出要使转向轮实现回正需要施加的外 加力矩，并推导出弹簧回正机构的曲线方程。 1 3 主要研究内容 本文以设计满足类菱形车低速行驶机动性和高速行驶稳定性要求的电控后轮 随动转向系统( e c s ) 为目标，提出e c s 的设计方案，基于s i m u l i n k 研究e c s 对车 辆操纵稳定性影响，研制类菱形车电控后轮随动转向系统。 具体研究内容及组织结构如下： 第一章绪论，论文研究背景，介绍当前车辆转向技术方面的发展现状与趋势 及类菱形车转向技术的研究现状，提出本文的研究内容。 第二章提出电控后轮随动转向系统( e c s ) 的设计方案，并进行相应的匹配 设计。 第三章推导电控后轮随动转向系统( e c s ) 的数学模型，建立相应的s i m u l i n k 仿真模型。提出最小侧偏角为目标的随动转向控制策略，并与机械联动转向系统 进行了对比仿真分析。 第四章分析后轮随动转向电控系统的功能需求，设计e c s 电控系统的软硬件 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 设计。 第五章对类菱形车电控后轮随动转向系统进行初步测试，验证了设计的可行 性，转向系统达到设计要求。 第六章对全文进行总结和展望，概述本文完成的主要工作及创新点，并指出 需进一步开展的研究工作。 8 硕士学位论文 第2 章电控后轮随动转向系统设计 由于类菱形车底盘结构的特殊形式，无法直接采用传统车辆的转向系统，必 须设计一套符合类菱形底盘要求的转向系统，该转向系统应达到以下主要目标： ( 1 ) 使前后轮联动转向； ( 2 ) 系统运行稳定可靠，抗干扰性强； ( 3 ) 转向轮能快速响应驾驶员的操作指令； ( 4 ) 方向盘在无需转向时应及时回正； ( 5 ) 使车辆满足低速机动性和高速稳定性的要求； ( 6 ) 执行效率高，结构紧凑，布置方便； ( 7 ) 保证驾驶员对车辆的可靠操纵。 2 1 前后轮机械联动转向系统分析 类菱形车转向系统经过十多年的发展， 菱形底盘要求的前后轮机械联动转向系统。 2 2 所示。 目前已开发出一套简洁高效、符合类 转向系统及其底盘布置分别如图2 1 、 图2 1 前后轮机械联动转向系统 1 一前轴；2 一前转向节；3 ，4 ，5 一前轮转向杆系；6 一转向管柱；7 一转向齿扇； 8 一转向小齿轮；9 一转向回正辅助机构；1 0 一方向盘；1 1 ，1 2 ，1 3 一中间传动杆系； 1 4 ，1 5 一后轮转向杆系；1 6 一后轴；1 7 一后转向节 9 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 图2 2 a 前后轮机械联动转向系统底盘布置主视图 图2 2 b 前后轮机械联动转向系统底盘布置俯视图 l 一前转向轮；2 一前轮转向传动机构：3 一方向机；4 一转向回正辅助机构； 5 一方向盘：6 一中轮：7 一前后联动机构；8 一后轮转向传动机构；9 一后转向轮 装备前后轮机械联动转向系统的类菱形车转向示意图如图2 3 所示。图2 4 为 传统车辆的转向示意图。 图2 3 类菱形车转向示意图 图2 4 传统车辆转向示意图 由转向中心d 到外转向轮与地面接触点的距离称为汽车转弯半径r 。转弯半径 r 越小，则汽车转向所需场地就越小即具备更优的机动性。下面对比分析类菱形 1 0 硕士学位论文 底盘与传统底盘的转弯最小半径。 对于类菱形车而言，转向轮无内外之分，如中轮所在的轴位于前后轮连线的 中垂线上，则其转弯半径尺为： 尺：一 ( 1 1 ) 2 s i i l 万 对于传统底盘布置形式，当外转向轮偏转角达到最大值时，转弯半径最小。 由图2 4 可知，传统车辆转弯半径为： r = l ( 1 2 ) s i n 拶 由式1 1 和式1 2 可知，在相同轴距和转角的情况类菱形车的转弯半径仅为传 统轿车的一半。因此采用前后轮联动转向的最大优点就是能使能使类菱形车获得 较小的转弯半径，具备良好的机动性。 所设计的前后轮机械联动转向系统还具备如下优点： ( 1 ) 系统紧凑、高效； ( 2 ) 具备良好的回正性能。 但存在如下不足： ( 1 ) 前后轮转向角比例系数为固定值( 1 ) ，为使类菱形车获得与普通车相 似的高速转向性能，所需的转向传动机构复杂； ( 2 ) 转向系布置困难。类菱形车的前后轮为转向轮，中轮为驱动轮，转向传 动机构受悬架、动力布置及地板高度的限制，设计难度大。 2 2 电控后轮随动转向系统技术方案 为克服前后轮机械联动转向系统的不足之处现提出电控后轮随动转向系统的 设计方案，即保留原有前轮机械转向，后轮采用电控随动转向，前后轮转向角比 例系数可根据车辆的工况自动调整。通过调整前后轮转向角比例系数可以大大地 提高类菱形车高速时的转向稳定性【3 ”。 2 2 1e c s 的基本组成 电控后轮随动转向系统( e c s ) 主要由前轮转角传感器、后轮转角传感器、 车速传感器、e c s 电控单元( e c u ) 、转向电机、减速器、齿轮齿条式机械转向 机构等组成。类菱形车电控后轮随动转向系统底盘布置如图2 5 所示。 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 图2 5 类菱形车电控随动转向底盘布置图 l 一前轮；2 一方向机；3 一前轮转角传感器；4 一组合开关；5 一方向盘：6 一中轮； 7 一控制器；8 一直流电机；9 一减速机构；1 0 一齿轮齿条传动机构； 1 l 一后轮转角传感器；1 2 一车速传感器：1 3 一后轮 2 2 2e c s 的工作原理 车辆转向时，车轮转角传感器和车速传感器实时检测前后车轮的转角及车速， 控制器根据传感器输入信号计算后轮目标转角和电机输出力矩。电机的输出力矩 由减速机构减速增扭后通过齿轮齿条式机械转器驱动后轮转向，直至后轮转向至 目标角度。当电气故障时，安装在驾驶室的故障指示灯将不断地闪烁以提醒驾驶 员及时排查故障源，同时后轮在回正力矩的作用下仍可回正，由前轮机械转向实 1 2 硕七学位论文 现对车辆的操纵。 1 2 v 蓄电池卜 后轮转向 前轮转角传感器h ： 叫转向电机卜 传动机构 川后轮 e c u 后轮转角传感器h 一故障指示灯 车速传感器， 图2 6e c s 工作原理图 2 2 3e c s 的优点 ( 1 ) 后轮电控随动转向系统的前后轮转角比例系数可变，低速时前后轮转向 相反，具有较小转弯半径，中高速时后轮随动转向角减小甚至同向，改善高速操 纵稳定性。 ( 2 ) 后轮随动转向机构传动具有可逆性，当电气故障时，后轮在回正力矩的 作用下仍可保持直线行驶，由前轮机械转向实现对车辆的操纵。 ( 3 ) 前后转向轮间无传动机构，避免与悬架、传动机构及地板等干涉。 2 3 机构设计 2 3 1 转向阻力矩的测试 汽车的最大转向力矩发生在汽车原地转向时，目前国内普遍采用公式2 1 f 3 6 】 进行原地转向阻力矩估算。 乙一= 吾孚( 所) ( 2 1 ) 式中，产一轮胎与地面的滑动摩擦系数，一般耵= o 7 g 厂一后轴轴荷( n ) ，满载工况：g j = 4 5 0 0 n 尸一一轮胎气压( p a ) ，尸= 2 5 0 0 0 0 p a 由式2 1 计算的原地最大转向阻力矩为1 4 0 8 7 n m ，为保证可靠地选取电机进 行后轮原地转向阻力矩的测试( 满载工况下) ，测试结果如表2 1 所示： 表2 1 原地转向阻力矩测试结果 为保证类菱形车具备良好的回正性能，设计时取后轮主销后倾角为1 0 。，较 传统车辆大，因此实际测试的结果比经验公式估算的结果大，以实际测试结果进 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 行系统的匹配设计。 2 3 2 转向执行机构的设计 转向电机的输出扭矩经减速机减速增扭后输入转向执行机构， 通过转向拉杆驱动转向节绕主销转动，实现后轮转向。 采用齿轮齿条传动机构作为转向执行机构。将转向执行机构、 转向节等效为摇杆滑块机构进行分析，系统简图如图2 7 所示。 转向执行机构 转向拉杆及后 在设计中应避免发生死点的情况，通过作图法可确定车轮转动过程中齿条的 行程( s l + s 2 ) 和转向拉杆的长度。 利用a d a m s v i e w 建立齿轮齿条、转向拉杆及转向节的仿真模型，得到单位 转向小齿轮位移所对应的转向小齿轮与转向节的角传动比( 幻) 。在转向过程中， 该传动比为变化值，变化曲线如图2 8 所示。取中间值f 2 = l8 用于随动转向驱动电机 的匹配设计，最后再校验取最小值幻= 6 时能否满足工作要求。 图2 7 转向执行机构运动简图 l 一主销：2 一转向节；3 一转向拉杆；4 一齿条；5 一转向小齿轮；6 一后轴 筮 需 迎 嫂 ， 、 7 7 f 。 后轮转角西( 。) 1 4 硕士学位论文 图2 8 角传动比变化曲线 2 3 3 转向电机的匹配 转向电机是后轮随动转向机构的动力源，对其的选择将直接影响系统性能的 优劣。为满足后轮转向的要求，在结构和使用性能上，转向电机和汽车上其它通 用电机相比有更高的要求。不仅要求低速大转矩、波动小、转动惯量小、尺寸小、 重量轻，而且要求可靠性高、易于控制。 永磁直流有刷电机技术成熟，过载能力大，在电动助力转向应用中的使用寿 命和成本优势得到了认可。因此本课题选用额定电压为1 2 v 的永磁直流有刷电机。 为可靠地实现后轮随动转向，电机所需输出的扭矩应满足： ，乙一向导 ( 2 2 ) 0 1 7 2 7 7 1 7 7 2 式中，幻一一系统安全系数，取幻= 1 5 ； f 广一一减速机的传动比； f 厂一转向器的角传动比； 瑁广一减速机的效率： 叩厂一一转向器的效率。 在驾驶员急打方向盘的情况下，取后轮单侧转动4 0 。所需时间为1 5 s ，则后 轮转动角速度国，为： ，：竺旦：4 4 舒出国，= = 4 4 z 驴，n u n 1 53 6 0 依据车辆原地转向测得的最大转向阻力矩和后轮转动角速度，可得在驾驶员 急打方向盘的情况下，实现后轮转动所需的输入功率为： e 。：岛连：型：o 0 7 4 砌 一 9 5 5 09 5 5 0 则电机所需的输出功率应满足： p 。懈包i 咝 ( 2 3 ) j f l 亡1 2 式中，幻一一系统安全系数，取幻= 1 5 ； 初步选取电机减速机的减速速比f 广2 0 ，转向器的效率班为8 5 ，减速机的效 率叩，为6 0 。由式2 2 和式2 3 可得： l 咖1 8 5 砌，己3 0 8 w 结合该车蓄电池配置以及确定的转向电机类型，选择国内某厂生产的永磁直 流有刷电机作为转向电机。电机主要性能参数如表2 2 所示。 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 当转向小齿轮与转向节的角传动比取最小值幻= 6 时，验证电机转角能否满足 需求： 1 6 0 f 2 刁1 7 7 2 6 2 0 o 6 0 8 5 = 2 6 1 切 0 ； 2 当i 万l 时，采用p d 控制，可避免过大的超调，又使系统有较快的响应； 3 当l 艿i 时，采用p i d 控制，以保证系统的控制精度。 改进后的p i d 控制算法为： u = 尺p 占+ 旯ki 万+ 巧j ( 3 2 3 ) 式中，入项为积分项的开关系数 允= 三：会爿三： c 3 2 4 ， 在实际应用中，受蓄电池电压限制，须对p i d 控制器的输出电压幅值进行限 制： 12 v u 12 v( 3 2 5 ) 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 3 4 电控后轮随动转向控制策略 采用电控后轮随动转向系统的控制目的是：通过设计适当的转向控制策略减 小汽车姿态变化，改善车辆的低速机动性和高速稳定性。以零侧偏角为控制目标 ( 卢= 0 ) 是满足以上控制要求的有效方法【4 2 训】，本节研究了比例前馈型后轮随动 转向控制策略。 前轮转角比例前馈型后轮随动转向控制策略为后轮转角与前轮转角成比例， 即： 4 = 彘万r ( 3 2 6 ) 式中，彘为后轮转角与前轮转角的比例系数。 稳态时有： = o ，夕= o ，户= o ( 3 2 7 ) 将式( 3 2 6 ) 与( 3 2 7 ) 代入( 3 1 3 ) 可得： 彘= 铉豢黔舞矧 2 8 ) 由式3 2 7 可知，系数彘随车速变化，低速时为负值，汽车前后轮逆向转向； 高速时为正值，汽车前后轮同向转向。 将式( 3 2 7 ) 代入( 3 1 3 ) ，则车辆的转向状态空间方程变为： = ： 小 2 9 ， 其中：口l l = 吩+ 口6 彘 口1 2 = 口7 + 口8 彘 由式( 3 2 9 ) 可见，前轮比例前馈型的后轮电控随动转向控制策略只改变了 输入矩阵，因而不改变系统极点。 取系统输出量y = 匀，c = 墨o ，则系统输出表达式为】，= c x 求得前轮转角到横摆角速度的传递函数： 掣：t 了型竺竿屿! k ( 3 3 0 ) 碉一f 下i i 再丽而 j w 前轮转角到质心侧偏角的传递函数： 烈：t t 型塑辈屿旦k ( 3 3 1 ) 万r g )j 2 + ( _ 口l 一口4 砖+ g l 吼一口2 口3 ) 。 前轮转角到侧向加速度的传递函数： 瑞【生舞搴警罄豢产 3 2 ， 硕l ：学位论文 3 5 随动转向系统仿真分析 表3 1 仿真参数 3 5 1e c s 仿真模型的测试与验证 在m a t l a b s i m u l i n k 中建立电控后轮随动转向系统模型，如图3 4 所示。 2 7 类菱形下电控后轮随动转向系统研制 图3 4 电控后轮随动转向系统s i m u l i n k 模型 随动转向系统性能测试的主要工作是检测实际后轮转角能否快速、准确、稳 定地跟随目标后轮转角。随动转向系统模型的验证主要工作在于对系统模型参数 的调整使之与实际系统向适应，仿真结果也达到一致。表中的参数为已经调整好 最终确定的参数。模型验证主要依据类菱形车原地转向试验。具体过程是：将试 验采集的前轮转角岁时间变化的序列值做为仿真模型输入，比较后轮转角的仿真 响应值与实际实验值的符合程度。电控后轮随动转向系统s i m u l i n k 模型如图3 4 所 示，为验证所建立模型的正确性，对装备样机的样车进行原地转向试验，将试验 中采集的前轮转角轨迹作为仿真输入进行仿真分析。将试验结果与仿真结果进行 比较，对比结果如图3 5 所示。 _ 、 o 吣 型 援 时间t r s 、l 图3 5 后轮转角响应 b 6 4 2 0 2 4 6 8 硕士学位论文 从图3 5 可以看出，仿真计算结果与实验结果基本吻合。机构的间隙及转动惯 量是实际后轮转角比目标转角滞后的主要原因。对比结果表明，本文所建立的后 轮随动转向模型具有一定可信度，可将此模型用于后续的随动转向控制策略、车 辆操纵稳定性的仿真研究。 3 5 2 随动转向仿真分析 为了分析采用电控后轮随动转向系统对整车稳定性的提高，本节将分别装备 机械联动转向系统和电控后轮随动转向系统的类菱形车从时域响应特性和频域响 应特性两方面进行仿真对比分析，最后分析质心位置、轮胎侧偏刚度及整车质量 对转向响应特性的影响。 3 5 2 1 时域响应特性分析 将类菱形车根据汽车操纵稳定性实验方法：g b t6 3 2 3 2 9 4 【4 5 】规定进行前轮 转角阶跃输入仿真分析。仿真车速为2 5 m s ，前轮输入起跃时间为0 1 s 幅值为 0 0 2 r a d 的阶跃信号。采用机械联动转向系统时，勃= 1 ；采用电控后轮随动转向系 统时，由e c u 根据式( 3 2 2 ) 确定面。仿真输出的角阶跃响应曲线如图3 6 图3 8 所示。 0 0 0 5 0 田叩5 、 言 o 0 1 - 姜舢1 5 堡 霉五 口0 2 o 蜓 加0 2 5 0 0 3 0 0 3 5 l 由愤二丛咕鼎拙白 l 赢蓣簇豸粪磊啊h i v ； ：l - ；i；1；：l i ii- ： - ilii l-l i ii j iii i ir i 1一-。r t 。r r 一。一 li i -ii ： t ： - i li l l i -ii ：一： t ： ： 。r r 。一 t i ii i ： 气 ： - i ：a： 一。1 。r 。ro 。一 - 、- i-i ： 、 ： i li- ： ：一 ! ! 、! i - ： - - ；i ； illilil 0d 2 0 40 60 811 21 4 1 6 1 8 2 时间t f s 、 图3 6 质心侧偏角响应曲线 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 0 2 0 1 8 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 1 0 明 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 电控后轮随动转向 机械联动转向 ，j 、。 r 一 ，_- - _ - - 7； - f； i l! ： ：f ： ；i ji j ! i f i o ； ! ! i i： i ! ： ： ；l 一 歹 00 20 40 60 811 21 41 61 82 时间t r s l 图3 7 横摆角速度响应曲线 时间t r s 、 图3 8 侧向加速度响应曲线 从图3 6 图3 8 可知，以零侧偏角为控制目标的电控后轮随动转向系统实现 了车辆在转向过程中近似零侧偏角，从而使车辆具备了良好的路径跟踪能力；高速 3 0 p盘v。8毯锻般辚器 、g一、砖毯硝曩翟暮 硕士学位论文 时车辆横摆角速度和侧向加速度的超调量和响应时间明显减小，使转向过程更加 平稳。 3 5 2 2 频域响应特性分析 一个系统的频率特性由幅频特性与相频特性组成，它们都是频率的函数。频 率特性反映了