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西华大学硕士学位论文 线控转向系统的设计及其特性的研究 车辆工程专业 研究生孙玉华指导教师徐延海 线控转向系统( s t e e r i n g b y w i r e ) 由于其取消了转向盘和转向车轮之间 的机械连接，不仅使驾驶室的乘坐空间加大，因此驾驶室的设计变得更加自由 和灵活，同时转向系统的转向传动比可以任意设计，为进一步的对汽车转向进 行主动控制提供了可能。因而线控转向系统必将成为未来汽车转向系统的发展 主要方向之一，同时也是当今汽车工程领域研究的热点之一。 汽车转向系统大致经历了机械转向系统、液压助力转向系统、电控液压动 力转向系统、电动助力转向系统。机械转向系统转向沉重，驾驶员驾驶负担过 重。后来发展的几种具有助力特性的转向系统主要目的是为了降低驾驶员的劳 动强度。对于转向系统而言，除了实现驾驶员的控制指令之外，还必须有良好 的路感要求，即具有良好的转向盘的力特性。在助力转向系统的研究当中，一 个主要的难点就是进行转向系统的力特性分析。随着科学技术的发展一些新的 控制系统和方法的大量应用，如一些新的传感器在汽车上的使用，线控转向系 统也进入了大力的研究和发展阶段。线控转向系统不仅能够实现良好的汽车转 向盘力特性，同时还能为汽车的主动控制提供一定的基础，如实时的实现主动 转向的功能，与现有汽车装备的稳定性控制系统一起将使得汽车在高速以及极 限工况下的安全性能得到极大的提高。但由于线控转向系统的特性原因，如转 向盘与转向车轮之间刚性连接的取消，也增大了进行线控转向系统研究的难 度。 本文利用计算机模拟技术，在建立了汽车整车模型的基础上，进行了在典 型工况下的汽车转向盘力特性的分析，系统的研究了某型汽车机械式转向系统 的转向盘力特性。利用得到的汽车转向盘力特性以及某型电机性能参数，拟合 了线控转向系统所需要的控制策略。通过a d a m s 和m a t l a b 的联合仿真， l 西华大学硕士学位论文 得到在典型工况下的线控转向系统汽车的转向盘力特性以及一些汽车的动态 参数。 本文的主要研究内容包括以下五个方面： 第一部分介绍了汽车转向系统的发展历史及其发展的状况，介绍国内外线 控转向系统的研究现况，发展速度及水平及研究线控转向系统的目的和现实意 义。 第二部分阐述了a d a m s 软件中的主要使用的模块，以及a d a m s 的运 动学分析的理论基础，分析了在仿真时可能出现数值发散的原因以及解决数值 发散的关键技巧。 第三部分利用a d a m s 软件建立了某型轿车1 4 自由度的整车模型，其中 包括底盘、前悬架、后悬架、转向系统、轮胎模型及路面文件，重点介绍建立 各个子系统的方法。 第四部分重点分析了线控转向子系统的结构以及其工作原理，并建立线控 转向系统路感模拟的动力学模型和转向执行机构的动力学模型；其中还包括建 立线控转向系统的整车模型；最后说明了线控转向系统的关键技术。 第五部分对评价线控转向系统转向特性的四种工况稳态转向、方向盘正弦 输入、蛇形和双移线试验做详细阐述；建立了线控转向系统的控制策略，通过 机械式转向系统和线控转向系统在以上四种工况下转向特性联合仿真的比较 和分析，可以得出该线控转向系统基本符合转向特性要求的结论。 最后，本文对前面的内容进行总结。并且对文中存在的问题和需要改进的 部分做了进一步的分析和探讨。a d a m s 和m a t l a b 联合仿真具有广阔的应 用前景，两者的结合能够发挥各自的优势，使虚拟样机的仿真功能变得更强大， 在越来越多的领域得到了广泛应用。 关键词：线控转向系统，转向盘力特性，控制策略，联合仿真 2 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h e d e s i g na n dc h a r a c t e r i s t i c so f s t e e r i n g b y w i r es y s t e m v e h i c l ee n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：s u ny u h u a s u p e r v i s o r ：x u y a n h a l n l es t e e r i n g b y - w 洫s y s t e m , b e c a u s ei th a sc a n c e l l e dt h em e c h a n i c a l c o n n e c t i o nb e t w e e nt h es t e e r i n g - w h e e la n dt h es t e e r i n g - t i r e ，n o to n l ye n l a r g et h e r i d es p a c e ，b u ta l s ot h ec a bd e s i g nb e c o m e sm o r ef r e ea n df l e x i b l e m e a n w h i l e ，t h e s t e e r i n gt r a n s m i s s i o nr a t i oc a nb ec h a n g e da c c o r d i n gt ot h ed e m a n d s a l lo ft h e s e w i l lc o n t r i b u t et ot h ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h ea c t i v ec o n t r o lo ft h es t e e r i n gs y s t e m t h u si tw i l ls u r e l yb e c o m eo n eo ft h et r e n d si nt h er e s e a r c ha n dd e s i g no fs t e e r i n g s y s t e mi nt h ef u t u r e n o w a d a y s ，r e s e a r c h e r sp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ed e v e l o p m e n t o fs t e e r i n gb yw i r es y s t e m n eh i s t o r yo fa u t o m o b i l e s t e e r i n gs y s t e mh a se x p e r i e n c e dm e c h a n i c a l s t e e r i n gs y s t e m ，h y d r a u l i cp o w e ra s s i s t e ds y s t e m ，e l e c t r o n i cc o n t r o lh y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e ma n de l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m 西es t e e r i n ge f f o r t so f d r i v e r st a k e ni nm e c h a n i c a ls t e e r i n gs y s t e ma r el a r g e i no r d e rt or e d u c et h e d r i v e r sl a b o r , s e v e r a ls t e e r i n gs y s t e mw i t ha s s i s tc h a r a c t e r i s t i c sw e r ed e v e l o p e d t h em a i nf u n c t i o no fs t e e r i n gs y s t e mi st of l l l f i l lt h ed r i v e r sc o m m a n d a tt h e s a m et i m e ，i tm u s th a v eg o o dr o a df e e l ，i na n o t h e rw o r d , i tm u s th a sg o o ds t e e r i n g f o r c ec h a r a c t e r i s t i c st oa l e r tt h ed r i v e ra b o u tt h es i t u a t i o no ft h ea u t o m o b i l e i nt h e r e s e a r c ho ft h ea s s i s ts t e e r i n gs y s t e m ，o n eo ft h em a i nw o r k si st oa n a l y z et h e s t e e r i n gf o r c ec h a r a c t e r i s t i c s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h e a p p l i c a t i o no fn e wm e t h o d sa n dc o n t r o ls y s t e m s ，s u c ha st h en e ws e n s o ru s e di n a u t o m o b i l ee n g i n e e r i n g ，s t e e r i n g - b y - w i r es y s t e mw i l lb ed e v e l o p e ds h a r p l y i tn o t o n l yc a nr e a l i z et h eg o o ds t e e r i n gf o r c ec h a r a c t e r i s t i c sb u ta l s oc a np r o v i d et h e 3 西华大学硕士学位论文 b a s i sf o rt h ef u r t h e ra c t i v ec o n t r 0 1 f o rt h ei n s t a n c e ，t h es t e e r i n g - b y - w i r es y s t e m w i t ht h es t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e me q u i p p e di na u t o m o b i l ec a ni m p r o v et h es a f e t y g r e a t l yu n d e rh i 曲s p e e da n dl i m i tw o r k i n gc o n d i t i o n s b e c a u s eo ft h ei n d i r e c t c o n n e c t i o nb e t w e e ns t e e r i n gw h e e la n dt h em e c h a n i c a ls t e e r i n gs t n l c t u r 厶i tg i v e s m o r ec h a l l e n g eo nt h er e s e a r c ho f s t e e r i n g - b y - w i r es y s t e m w i t ht h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s t e e r i n g - b y w i r es y s t e mw e r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h e m e c h a n i c a ls t e e r i n gs y s t e mo fa t y p eo fa u t o m o b i l ew a si n v e s t i g a t e du n d e rs e v e r a l t y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n sb yt h eb u i l tw h o l ea u t o m o b i l em o d e l ，e s p e c i a l l y , t h e s t e e r i n gf o r c ec h a r a c t e r i s t i c s n l ec o n t r o ls t r a t e g yf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho n s t e e r i n g - b y - w i r es y s t e mi sf i t t e dt h r o u g hu s i n gt h es t e e r i n gf o r c ec h a r a c t e r i s t i c sa n d s o m em o t o rp a r a m e t e r s t h es t e e r i n gf o r c ec h a r a c t e r i s t i c so fs t e e r i n g b y w i r e s y s t e m a n ds o m eo t h e rd y n a m i cp a r a m e t e r sc a nb eo b t a i n e dt h r o u g ht h e c o s i m u l a t i o nb e t w e e na d a m sa n dm a t l a bp l a t f o r mu n d e rt h es a m es e v e r a l t y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n su s e di na s s e s s i n gt h ep e r f o r m a n c eo fm e c h a n i c a l s t e e 曩1 n gs y s t e m v 一、 1 1 1 em a i nr e s e a r c hi n c l u d e st h ef o l l o w i n gf i v ea s p e c t s t h ef i s ts e c t i o ni n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no f a u t o m o b i l es t e e r i n gs y s t e m i ta l s og i v e st h ei n f o r m a t i o na b o u ts t e e r i n g - b y - w i r e s y s t e mo nt h es i t u a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n t n es e c o n dp a r tm a i n l yi l l u s t r a t e st h eu s eo fa d a m s p l a t f o r m s u c ha st h e i m p o r t a n tm o d e l st h a tu s e di nt h ea d a m ss o f t w a r ea n dt h eb a s i ct h e o r yo ft h e a n a l y s i so ft h ea d a m sk i n e m a t i c s n l ep o s s i b l ec a u s e so ft h en u m e r i c a lv a l u e n o n c o n v e r g e n c ea r ep r e s e n t e da n dt h ec r i t i c a ls k i l l si ns o l v i n gt h ep r o b l e ma l e a n a l y z e d 1 1 1 et h i r ds e c t i o ng i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ec o n s t r u c t i o no f 触l a u t o m o b i l em o d e lw i t h14d o f sw h e nu s i n ga d a m s n ef u l lm o d e li n c l u d e st h e c h a s s i sm o d e l ，t h ef r o n ts u s p e n s i o n , t h er e a rs u s p e n s i o n , t h es t e e r i n gs y s t e m ，t h e 4 西华大学硕士学位论文 t i r em o d e la n dt h ef i l eo f r o a dp r o p e r t i e s t h ef o r t hs e c t i o np u t sah i g he m p h a s i so nt h es u b - s y s t e mc o n s t r u c t i o no ft h e s t e e r i n g b y w i r ea n di t sw o r k i n gp r i n c i p l ef o rr o a df e e l i n ga n dt h es t e e r i n g a c t u a t o rd y n a m i cm o d e lw h i c hi n c l u d e st h es t e e r i n g - b y - w i r es y s t e mi nt h ef u l l v e h i c l ea n di t sk e yt e c h n o l o g y t h ef i f t hs e c t i o nm a k e sa ne l a b o r a t i o no nt h et y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n ss u c h a ss t e a d ys t a t i cc i r c u l a rt e s t ，t h es t e e r i n gw h e e ls i n e - w a v ei n p u tt e s t , p y l o nc o u r s e s l a l o mt e s ta n dt h ei s od o u b l el a n ec h a n g et e s tt h a ta r eu s e di ne v a l u a t i n gt h e s t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t e e r i n g - b y w i r es y s t e m t h en u m e r i c a lr e s u l t sf r o m t h em e c h a n i c a l s t e e r i n gs y s t e ma r ec o m p a r e d w i t ht h er e s u l t sf o r mt h e s t e e r i n g - - b y - w i r es y s t e mu n d e rt h ef o u rt y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n si ns t e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c s t h ec o n c l u s i o nc a nb ed r a w nb yt h ec o m p a r i s o nt h a tt h ed e s i g no f t h es t e e r i n g - b y w i r es y s t e mi sr e a s o n a b l ea n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yi sv a l i d f i n a l l y , t h es e c t i o ns u m m a r i z e st h er e s e a r c hw o r k sa n dm a k e sa d i s c u s s i o no f t h ep r o b l e m se x i s t e di nt h ep a p e r t h ec o - s i m u l a t i o no fa d a m sa n dm a t l a bh a s w i ( 1 e a p p l i c a t i o np r o s p e c t t h eb i n d i n go ft h et w op l a t f o r m sc a ne x e r t e a c h a d v a n t a g e i t c a r lm a k et h ev i l t u a p r o t o t y p es i m u l a t i o nm o r ep o w e r f u la n d b e c o m e sm o r ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s k e y w o r d s ：s t e e r i n g b y w i r es y s t e m ，s t e e r i n gf o r c ec h a r a c t e r i s t i c s ，c o n t r o l s t r a t e g y , c o - s i m u l a t i o n 5 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学 位论文或证书所使用过的材料。与我一起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感谢。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此申明! r 只 孓只 ；日 7 日 u ，7 伊私 签签者师作导 文沦位学 两华人学硕士学位论文 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密酬适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：硎- 圣咩指导教师签名： 日期：砂。甲s 弓j日期 西华大学硕士学位论文 1 引言 1 1 汽车转向系统的发展历史 汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓的汽 车转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机 构，使汽车转向桥( 一般是前桥) 上的车轮( 转向轮) 相对于汽车总轴线偏转 一定的角度。在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用， 自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反 的方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变或恢复汽车行 驶方向的专设机构，即称为汽车转向系。汽车转向系的功用是保证汽车按照 驾驶员的意志而进行转向行驶。 汽车转向系统大致经历了机械转向系统、液压助力转向系统、电控液压动 力转向系统、电动助力转向系统和线控转向系统。机械式转向系统以驾驶员的 体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。转向系统转向沉重，驾驶员 驾驶负担过重，特别是重型汽车由于转向阻力较大，单纯靠驾驶员的转向力很 难实现转向，这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低 廉，目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车 上仍有使用。 液压助力转向系统的特点：以前装配了机械式转向系统的汽车，在停车 和低速行驶时驾驶员的转向负担过于沉重。为解决此类问题，2 0 世纪5 0 年代 美国g m 公司率先在轿车上采用了液压助力转向系统。此系统在机械系统的基础 之上增加了一个液压系统。液压助力转向系统由液压和机械两大部分组成，它 是以液压油做动力传递介质，通过液压泵使液压油压力升高以产生动力来推动 机械转向器，实现转向功能。液压助力转向系统一般由机械转向器、液压泵、 油管、动力缸、油缸和各种阀门组成。液压助力转向系统是在驾驶员的控制下， 借助于汽车发动机带动液压泵产生的压力来实现车轮转向。由于液压转向可以 减少驾驶员手动转向力矩，从而改善了汽车的转向轻便性和操纵稳定性乜1 。 汽车起动之后，不管汽车是否转向，液压系统都要处于工作状态，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大的助力，所以在一定 西华大学硕+ 学位论文 程度上浪费了发动机动力资源，能源利用率低，而且此转向系统还存在压力脉 动、噪声较大和低温工作性能差等缺点。 电控液压动力转向系统( e h p s ) 的特点：装配液压助力转向系统的汽车 低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性无法同时得到满足，因此，在1 9 8 3 年日本k o y o 公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统( e h p s ) 。 e h p s 在传统的液压助力转向系统( h p s ) 的基础上增设了电控装置。其特点是 增加了一个驱动电机，取代了原来由发动机带动的液压助力泵，取代了由发动 机驱动的方式，节省了燃油消耗；而且还具有失效保护系统，电子元件失灵后 由原转向系统安全工作；低速时转向助力特性不变，高速时可以根据车速逐步 减小助力力矩，增大路感，提高车辆行使安全性和稳定性。电控液压助力转向 系统是将液压助力转向系统和电子控制技术相结合的机电体化产品。该系统 一般由电气和机械二部分构成，电气部分由转角传感器、车速传感器和电子控 制单元e c u 等组成；机械部分一般是由转向器( 例如齿轮齿条) 、管路，控制 阀和电动泵等部件组成。其中电动泵的工作状态完全由电子控制单元根据汽车 的行驶速度、转向角等计算出来的最理想状态。即在低速大转向时，电子控制 单元驱动液压泵以高速运转输出大功率，使驾驶员转向时轻便；汽车在高速行 驶时电子控制单元驱动液压泵以较低的速度运转，节省了部分发动机功率。 电控液压转向系统( e h p s ) 的工作原理：在汽车直线行驶时，方向盘不 转动，电动泵以很低的速度运转，大部分液压油经转向阀流回储油缸，少部分 经液控阀流回储油缸；当驾驶员转动方向盘时，e c u 根据检测到的转角、车速 以及电动机转速信号，判断汽车的转向意图，精确计算出需要提供助力大小， 并向驱动单元发出控制指令，使电动机产生相对应的转速以驱动油泵，进而输 出相应流量和压力的高压油。高压油经转向控制阀流入齿条上的动力缸，推动 活塞以产生相对应的助力，协助驾驶员进行转向操作，从而获得满意的转向助 力特性。电控液压助力转向系统在传统液压助力转向系统的基础上有了较大的 改进，但液压装置的存在，该系统仍有难以克服的如漏油、不便于安装维修及 检测等问题。 电动助力转向系统( e p s ) 的特点：电动助力转向系统是现代汽车上普遍采 2 西华大学硕士学位论文 用的助力系统。1 9 8 8 年日本铃木公司率先在小型轿车上配备t k o y o 公司研发 的转向柱助力式电动助力转向系统。1 9 9 0 年日本本田公司也在运动型轿车上采 用了自主研发的齿条助力式电动助力转向系统，从此揭开了电动助力转向系统 在汽车上广泛应用的历史。e p s 取消e h p s 的液压油管、油泵、油缸和密封圈 等部件，完全依靠驱动电机通过减速机构直接驱动转向机构，结构简单、零件 数量少、可靠性强，彻底解决了长期以来一直存在的液压管路漏油和效率低下 及噪声等问题。 电动助力转向系统一般是由转矩传感器、电动机、电磁离合器、减速机构 电子控制单元e c u 组成，其工作过程为：扭矩传感器检测到驾驶员打方向时扭 矩大小，然后把这一个扭矩信号传送到电子控制单元；同时电子控制单元也会 收到来自方向盘位置传感器的信号，扭矩和方向盘位置信息经过控制单元处 理，连同传送到控制单元的车速信号，根据电子控制单元内部预先设计好的程 序产生助力指令。用该指令控制电机，由电机产生转矩驱动转向机构并最终完 成助力转向。 电动助力转向系统优点： 降低了能源消耗：和传统的液压助力转向系统相比，此系统没有常运转 油泵，且电机只在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可降到 最低，还消除了由工作油泵带来的噪声问题。液压助力转向系统需要发动机做 动力源带动液压油泵，液压油在管路中不停地流动，再加上存在管流损失等因 素，浪费了部分能量。然而e p s 仅在需要转向操作时才需要电机提供能量。并 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力力矩。该系统真正实现了“按需供能”，大大地 降低了能源消耗。 改善了转向回正特性：当驾驶员转动方向盘到一定角度然后松开时， e p s 能够自动调整使车轮回到直线行驶位置。同时还可利用软件最大限度地调 整设计参数以获得最佳的回正特性，通过灵活的软件编程，在电子控制单元 ( e c u ) 中存储一簇由最低车速到最高车速的回正曲线，通过这簇曲线容易得 3 西华大学硕士学位论文 到电机在不同车速及不同工况下的转矩特性，这些转矩特性使得此系统能显著 地提高转向能力，提供了与汽车动态性能相匹配的转向回正特性。而在传统的 液压控制系统中，要改善这种回正特性，必须从新设计底盘的结构，实现起来 比较困难。 提高了汽车的操纵稳定性：转向系统是影响汽车操纵稳定性的重要因素 之一。传统液压助力转向不能很好地对助力进行实时调节与控制，所以协调转 向力矩和路感的能力较差，特别是在汽车高速转向行驶时，仍然会提供较大助 力，使驾驶员缺乏路感，甚至感觉汽车发飘，从而影响了汽车的操纵稳定性。 但e p s 由电动机提供助力，助力大小由电子控制单元( e c u ) 根据车速、方向盘 输入扭矩等信号进行实时调节与控制，可以很好地协调助力力矩和路感两者之 间的矛盾。 系统安全可靠：e p s 控制单元e c u 具有故障自诊断功能，当e c u 检测到 某部件工作异常，如传感器、电动机、电磁离合器、电源系统及汽车点火系统 等，便会立即控制电磁离合器分离，停止助力，并显示出相应的故障代码，自 动转为手动转向，按普通转向控制方式进行工作，确保了行车的安全。 线控转向系统( s t e e r i n g 。b y w k e ) 是继e p s 后发展起来的新一代转向系统， 具有e g e p s 操纵稳定性更好的特点，它取消转向盘与转向轮之间的机械连接， 完全由电能实现转向，彻底摆脱传统转向系统所固有的限制，提高了汽车的安 全性和驾驶的方便性。 线控转向系统的工作原理：当驾驶员转动方向盘时，方向盘转角传感器将 测量到的驾驶员转向意图转变成数字信号输入到转向控制器e c u ，e c u 对采集 的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向转向电机和方向盘力矩电机 发送命令，控制转向电机转到要求的前轮转角，完成驾驶员的转向意图，实现 车轮的转向，同时控制力矩电机旋转，产生方向盘回正力矩，给驾驶员提供 相应的路感信息h 1 。 线控转向系统特点璐1 ： 取消了转向盘和转向车轮之间的机械连接，通过软件协调它们之间的运 动关系，因而消除了机械约束和转向干涉问题，可以根据车速和驾驶员喜好由 4 两华大学硕士学位论文 程序根据汽车的行驶工况实时设置传动比。此系统采用柔性连接，使转向系统 在汽车上的布置更加灵活，转向盘的位置可以方便地布置在需要的位置。 提高了汽车的操纵性。由于可以实现传动比的任意设置，并针对不同的 车速，转向状况进行参数补偿，从而提高了汽车的操纵性。 改善驾驶员的“路感 。由于转向盘和转向轮之间无机械连接，驾驶员 “路感”通过模拟生成。使得在回正力矩控制方面可以从信号中提出最能够反 映汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为转向盘回正力矩的控制变量，使 转向盘仅仅向驾驶员提供有用信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感 。 减少了机构部件数量，而减少了从执行机构到转向车轮之间的传递过 程，使系统惯性、系统摩擦和传动部件之间的总间隙都得以降低，从而使系统 的响应速度和响应的准确性得以提高。 1 2 国内外状况和发展趋势 线控转向系统在很早以前就被提出，1 9 9 0 年德国奔驰公司就开始了线控 转向系统的研究，并且将该公司开发的线控转向系统运用到概念车f 4 0 0 c a r v i n g 上；日本k o y o 公司也开发了线控转向系统，但是由于考虑其安全性能，仍 然保留了转向轮和转向盘之间的机械部分，即通过一个离合器连接，当线控转 向系统出故障或者失效时，通过离合器的自动结合回复到机械转向。美国的 d e l p h i 也开发了线控转向系统；1 9 9 8 年，z f 公司开发出电动助力转向系统之 后也积极地进行线控转向系统的研究，并且开发出了实用性的线控转向系统； 2 0 0 2 年在德国慕尼黑举行的t t a 论坛上，展出了奥迪a 8 的线控转向系统；意 大利b e r t o n e 设计开发的概念车“f i l o ”，雪铁龙越野概念车“c c r o s s e r ， “d a i m l e r - c h r y s l e r ”概念车“r - 1 2 9 都采用了线控转向系统；美国的德尔福 公司也开发了前轮和四轮转向系统，并运用于加州自动高速公路系统呻1 ；宝马 汽车公司的z 2 2 概念车是世界上第一批引入线控转向技术的车辆之一。转向机 齿条由两个电机驱动，而车轮依然如往常那样彼此保持连接。转向盘模块内设 有1 个电机，用来反馈转向感觉。通过修补计算机软件，还能够调节转向特性。 系统的主要优点有：( 1 ) 转向传动比变化范围大，转向传动比随车速而变化， 5 西华大学硕士学位论文 车速越低，转向传动比越高，随着车速的提高，转向传动比随之减小，以提高 稳定性；( 2 ) 路面的凹凸不平不反馈到转向盘；( 3 ) 在理论上，可将中心权重 调整到最佳。但是，现有法规阻碍了这项技术的实际应用，它要求转向盘必须 与车轮机械连接。为此宝马汽车公司还研制了a f s 主动前轮转向系统，这种转 向系统具有全线控转向系统的大部分优点，同时，也保持了转向盘与前轮之间 的机械连接璐1 。 现在，b m w ，h y p e r c a r ，d a i m l e r - c h r y s l e r 等公司开发的线控转向系统已 经将转向盘去掉，而在驾驶员身边设置一个转向操纵杆，这样的转向系统已经 在他们公司研制的概念车上进行试验，并取得了成功。转向操纵杆式的线控系 统有一下优点阻刊： 1 ) 提高了安全性。汽车在发生事故正面碰撞时，踏板、转向柱及转向盘 是造成驾驶员伤害的主要三个部件，取消了转向盘和转向柱自然就避免了由此 带来的伤害。此外，使用操纵杆之后，主安全气囊可以通过设计布置在仪表 盘上，安全气囊和驾驶员距离增大，当发生事故时，安全气囊就可以充分张开， 增强了对驾驶员的保护作用。 2 ) 降低了汽车的成本。因为采用了操纵杆，省去了座位的调节装置，成 本降低，而且装配也更加容易。 线控转向系统既保持了传统转向系统如e p s 节能环保的优点，又克服了 它的缺点，它的成功研制将为汽车实现智能化驾驶提供技术支持。 在我国，线控转向系统技术的研究正处于起步阶段，本文的研究具有一定 的学术价值，研究结果对生产实践有一定的参考价值。 1 3 研究的方法和主要内容 研究方法：本文首先通过机械系统动力学自动分析软件a d a m s 建立某车型 的整车模型( 其中包括转向系统模型) ，在此基础上对该转向系统进行重新设 计，然后对设计之后的转向系统( 即线控系统) 通过a d a m s s i m u l i n k 加控 制策略，通过对重新设计后的线控转向系统和机械转向系统在几种特定工况下 转向特性的比较，从而证明所设计的线控转向系统是正确而有效的。 6 西华大学硕士学位论文 本文研究的主要内容如下： 1 汽车整车模型：使用a d a m s v i e w 创建某型汽车的整车模型，可以进 行如汽车稳态转向特性、角阶跃输入稳态响应，单移线、双移线及直线制动等 运动仿真分析。本文将利用多体动力学分析软件a d a m s 建立某车型1 4 自由 度的机械式转向系统的整车模型。文中所使用的是2 d 的平路面。 2 重新设计转型系统：在a d a m s v i e w 中将转向柱从中间断开一分为二， 要保证汽车正常转向需要两个电机：转向驱动电机和“路感电机。转向驱动 电机提供转向的动力，其转向驱动力矩大小由控制策略根据汽车运行状态实时 确定，“路感电机给驾驶员相应的路感信息，使驾驶员在打方向时不会感觉 方向盘在空转。 3 建立线控转向系统的控制策略：首先系统地研究了机械式转向系统的转 向盘力特性，在此基础上得出线控转向系统的电流大小和机械式转向系统力特 性的关系，通过当前侧向加速度和车速大小确定应提供路感电机电流的大小。 通过m a t l a b s i m u l i n k 搭建线控转向系统的控制框图。 4 系统的联合仿真：通过a d a m s c o n t r o l s 模块进行a d m a s 和m a t l a b 软件之间的联合仿真，要完成联合仿真需要以下步骤： 1 ) 在a d a m s v i e w 中打开已经建立好的整车模型，该模型各个零部件之 间的约束和作用力已经按照实际情况进行了定义。 2 ) 确定a d a m s 的输出和输入，通过a d a m s c o n t r o l s 中的p l a n te x p o r t 确定，其中输出是指进入程序的变量，表示从a d a m s c o n t r o l s 输出到控制程 序的变量。输入是指从控制程序返回到a d a m s 的变量，表示控制程序的输 出。通过定义输入和输出，实现a d a m s 和控制程序之间的信息封闭循环。 3 ) 搭建系统的控制框图，通过m a t l a b s i m u l i n k 软件，a d a m s v i e w 里 面的整车模型作为一个子系统输入到s i m u l i n k 之中，用m a t l a b 控制程序编 写的整个系统的控制图。 4 ) 系统的联合仿真，通过联合仿真的结果和机械式转向系统仿真结果的 比较得到控制策略的正确性和所设计线控转向系统的有效性。 7 西华大学硕十学位论文 2 舢软件简介 2 1a d a m s 模块 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 sm e c h a n i c a ls y s t e m ) 软件是美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 公司开发的系统动力学仿真分析软件，它使用交 互式图形系统和零件库、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朗日方程方法，建立系统动力学 方程，对虚拟样机进行静力学、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西1 。 a d a m s 软件包括核心模块a d a m s v i e w 和a d a m s s o l v e r ，以及其它扩 展模块。 2 1 1a d a m s vj e w ( 用户界面模块) a d a m s v i e w ( 界面模块) 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，将便捷的图标操作、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、卜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 v i e w 采用分层方式完成建模工作。该模块提供了丰富的零件几 何图形库、约束库和力及力矩库，并且支持布尔运算、支持f o r t r a n 中的 函数。此外a d a m s v i e w 还提供函数库、如位移函数、速度和加速度函数、 力和力矩函数、样条函数、若干用户子程序函数。 9 0 版本后的a d a m s v i e w 采用用户熟悉的w i n d o w s 界面，大大提高了 快速建模的功能。d s ( 设计研究) 、d o e ( 试验设计) 和o p t i m i z e ( 优化设计) 使用户能方便地进行优化工作。a d a m s v i e w 有自己的高级编程语言，支持 命令行输入命令和c + + 语言，有丰富的宏命令以及快捷方便的图标、菜单及对 话框创建和修改工具包，还有在线帮助等功能。 a d a m s n i e w