（光学工程专业论文）液压助力转向系统与整车的匹配.pdf

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：日期： 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 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) 签名： - 。_ 飞从l爪 以 1 师签名： 武汉理1 = 大学硕十学位论文 摘要 本文研究的是液压助力转向系统与整车的匹配，通过对整车的动力学分析， 分析影响整车转向特性的整车参数，再利用液压助力转向系统中液压泵与控制 阀的特性，对这三者进行匹配，从而保证转向盘的转动力矩，使其在满足转向 轻便性的同时满足转向的灵敏性。本文利用c a t i a 、l m sv i r t u a l l a bm o t i o n 、 a m e s i m 等软件，首先对液压助力转向系统以及整车建模，然后对整车进行三 维动力学分析，对液压助力转向系统进行一维系统分析，同时对液压助力转向 系统中的液压泵与控制阀进行匹配计算，最后将优化的计算结果导入到模型中 将两者联合仿真。分析转向盘在不同车速下的力矩特性，对液压助力转向系统 与整车的匹配有一定的指导作用。 论文介绍了助力转向系统在国内外的发展应用情况、各种类型的助力转向 系统的优缺点以及助力转向系统今后的发展趋势，并阐述了助力转向系统的基 本工作原理和组成部分。 为了解决机液耦合的问题，对液压系统在a m e s i m 中采用一维建模，对机 械系统在v i r t u a l l a bm o t i o n 进行三维建模，并将两者通过各自的软件扩展接口 进行联合仿真。 分析目标车型的转向特性，确定影响转向的整车参数，并确定不同车速下 转向盘转向的力矩特性，结合液压泵与控制阀的特性，对液压泵最大流量、排 量、高速时的流量减少量进行匹配设计，并确定控制阀的特性参数。 最后将匹配后的优化结果导入模型中，进行操纵稳定性的仿真试验。 关键字：液压，转向，匹配，联合仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo b j e c t i v eo ft h i ss t u d yi sm a t c h i n gb e t w e e nt h eh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e ma n dv e h i c l e a n a l y s et h e v e h i c l ep a r a m e t e r sw h i c hi m p a c tt h ev e h i c l es t e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c st h r o u g ht h ea n a l y s i so fv e h i c l ed y n a m i c s t h e nt a k ea d v a n t a g eo f t h ec h a r a c t e r i s t i c sh y d r a u l i cp u m pa n dc o n t r o lv a l v e so fh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e m a tl a s t ，m a t c ht h et h r e e ，t oe n s u r et h es t e e r i n gw h e e lt o r q u em e e t i n gt h e s t e e r i n g i tt om e e tt h el i g h to ft h es h i f t ，w h i l et h es e n s i t i v i t yt om e e tt h es t e e r i n g p o r t a b i l i t ya n ds t e e r i n gs e n s i t i v i t y i nt h i sp a p e r , c a t i a , l m sv i r t u a l l a bm o t i o n ， a m e s i ma n do t h e rs o f t w a r ea r eu s e d a tf i r s t ，m o d e lt h eh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e m a n dv e h i c l e t h e n ，t h r e e - d i m e n s i o n a lv e h i c l ed y n a m i c sa n a l y s i s a n d o n e d i m e n s i o n a lh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e ma n a l y s i sa r ec a r r i e do u t a tt h e s a m et i m e ，m a t c h i n gc a l c u l a t i o ni s t a k e p l a c eb e t w e e nt h eh y d r a u l i cp u m p a n d c o n t r o lv a l v eo fh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m f i n a l l y , t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa r e i n p u t t e d t ot h em o d e lf o rc o s i m u l a t i o n t o r q u ec h a r a c t e r i s t i c i s a n a l y z e d i n d i f f e r e n ts p e e do fs t e e r i n gw h e e l ，w h i c hc a ng u i d et om a t c hb e t w e e nh y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e ma n d v e h i c l e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do fd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fh y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m h o m ea n da b r o a d ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，t h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fh y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m t h ep a p e ra l s op r e s e n t st h e b a s i co p e r a t i o np r i n c i p l ea n dc o m p o n e n t e l e m e n t so fh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mm a c h i n e f l u i dc o u p l i n g ，h y d r a u l i cs y s t e mu s e di n a m e s i mf o ro n e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g , a n dm e c h a n i c a ls y s t e mu s e di nv i r t u a l l a b m o t i o nf o rt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g a n dt h e n c o - s i m u l a t i o ni st a k e p l a c e b e t w e e nt h e m a n a l y s i st h es t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft a r g e tm o d e lt o d e t e r m i n et h ev e h i c l e p a r a m e t e r sw h i c ha f f e c tt h es t e e r i n gw h e e l a n dd e t e r m i n e t h et o r q u ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h es t e e r i n gw h e e lw h e ni ti ss t e e r i n g c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e i l 武汉理工大学硕士学位论文 h y d r a u l i cp u m pa n d c o n t r o lv a l v e ，m a t c h i n gi sc a r r i e do u ti nm a x i m u mf l o wo ft h e h y d r a u l i cp u m p ，d i s p l a c e m e n to ft h eh y d r a u l i cp u m pa n dh i g h - s p e e df l o wr e d u c t i o n a tl a s t ，d e t e r m i n et h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h ec o n t r o lv a l v e i nt h ee n d ，i n p u tt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t si n t ot h em o d e lf o rt h es i m u l a t i o no ft h e h a n d l i n ga n ds t a b i l i t y k e yw o r d s ：h y d r a u l i c ，s t e e r i n g ，m a t c h ，c o - s i m u l a t i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目蜀专i v 第一章绪论1 1 1 课题来源以及研究背景1 1 1 1 课题来源1 1 1 2 研究背景1 1 2 研究的内容与方法5 第二章仿真模型的建立7 2 1 液压系统建模7 2 1 1a m e s i m 简介7 2 1 2 模型的建立8 2 2 整车建模一1 0 2 2 1v i r t u a l l a bm o t i o n 简介1 0 2 2 2 模型的建立1 1 2 3 联合仿真一1 4 2 3 1 接口的设置1 4 2 3 2 单位与方向的设定1 5 2 3 3 联合仿真类型的选择1 5 2 3 4 设置接口后的最终模型1 7 2 4 本章小结1 8 第三章液压助力转向与整车的匹配1 9 3 1转向系统的运动分析1 9 3 2整车转向附加转角2 2 3 3整车转向阻力距2 4 3 3 1 轮胎力阻力距2 5 3 3 2 摩擦阻力距2 6 3 4液压助力转向器匹配设计2 6 i v 武汉理丁大学硕十学位论文 3 4 1 液压泵的匹配2 6 3 4 2 控制阀的匹配3 4 3 5本章小结3 7 第四章操稳性试验仿真3 8 4 1 转向回正性仿真试验3 8 4 2 双移线仿真试验3 9 4 3 转向盘角阶跃仿真试验4 0 4 4 方向盘中立感仿真试验4 2 4 5 本章小结4 3 第五章总结与展望4 4 5 1 全文总结4 4 5 2 展望4 4 参考文献4 6 致调 4 9 附录1 ：攻读所示学位期间发表的论文5 0 v 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1 课题来源以及研究背景 10 1 1 课题来源 本课题来源于我校与企业的合作研究项目“a b $ 及助力转向器关键共性技 术研究与合作开发”。 在这个课题中本人的研究部分是助力转向系统与整车的匹配，转向系统动 力学以及与之引起的操纵稳定性的问题，为提高国内助力转向系统与整车匹配 的研究提供帮助。 0 1 2 研究背景 汽车转向系统是用来保持或改变汽车行驶方向的机构，它对整车的操纵稳 定性、舒适性以及行驶安全性均有重大的影响。在转向系统的设计中，一直存 在着转向轻便性与转向灵敏性的矛盾。增大转向系统的传动比，转向轻便性好 转，但是转向灵敏性降低；减小转向系统的传动比，转向灵敏性提高，但是转 向轻便性变差。为了解决这个矛盾，汽车转向系统的发展图( 1 1 ) 从机械转向 电动助力转趣 稻蚓妊龋酝赫龋龋馥龋蕊兹函 线控转国 图1 1 汽车转向系统的分类 武汉理工大学硕十学位论文 器到了助力转向装置。助力转向系统的形式有液压助力转向系统，电控液压助 力转向系统、电控助力转向系统、线控转向系统【1 ，2 】。 从上个世纪四十年代便出现了液压助力转向系统( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ， 简称h p s ) ，h p s 是在传统机械式转向器的基础上，通过增加控制阀、动力缸、 液压泵、储油罐和进回油管路等液压动力装置来提供转向助力。h p s 是利用发 动机带动转向油泵工作。转向时，液压油经转向控制阀的分配流入转向助力缸 中的一个腔室，而另一腔室则有一部分油回流。这样造成两腔之间产生的压力 差，从而产生助力船3 3 。在国内常见的车型中使用h p s 的车型有别克的g l 8 、凯 越、君威、林荫大道，本田的奥德赛、雅阁、歌诗图、c r v ( 高配) 、思域，标 志雪铁龙的2 0 7 、3 0 7 、4 0 8 、c 2 、c 5 、爱丽舍、毕加索、世嘉，大众的朗逸、 桑塔纳、桑塔纳志俊、宝来、捷达，丰田的凯美瑞( 低配) 、兰德酷路泽、普拉 多、普锐斯、马自达的马6 、马3 ，起亚的福瑞迪、千里马、赛拉图、狮跑、首 尔、远舰，荣威的7 5 0 ，斯柯达的晶锐，三菱的戈蓝、蓝瑟、翼神，现代的名驭、 瑞纳、途胜、i 3 0 、悦动、伊兰特、雅绅特，雪佛兰的乐驰、乐骋、乐风、赛欧、 景程等。车型还是很多的，应用很广泛。它的优缺点如下图( 1 - 2 ) 所示。 提高转向轻便性，减小 驾驶员的驾驶疲劳强度 可以衰减道路不平度对 转向盘的冲击 提高行驶的安全性，一 ：允许提供的助力较大， 即允许转向车轮承受更 大的负荷 优点 h p s 缺点 选定参数设计完成后， 不能再进行调节与控制 燃油经济性变差 存在渗油瓣题 对工作温度有 一定的要求 图1 - 2h p s 的优缺点 液压助力转向系统按照控制阀、液压泵、动力缸、转向器的位置的不同可 分为四类，包括整体式、联阀式、连杆式、半份置式。整体式即是控制阀、转 向器与动力缸三者全部集成在一起；当控制阀与动力缸集成在一起，而转向器 分开安装时即为联阀式；当动力缸单独安装放置，控制阀位于转向器之后时为 2 武汉理工大学硕士学位论文 连杆式；动力缸不仅单独安装，且控制阀安装与转向器上时为半份置式。这些 组合方式主要受以下因数的约束与限制：车辆载荷，拆卸与安装转向器的便利 性，液压管路的布置、长度，是否容易引起振动，动力缸能承受的载荷等等。 液压助力转向系统又可以分为常压式和常流式两种基本类型。常压式液压 助力转向系统只被少数的重型汽车所采用，而常流式液压助力转向系统则广泛 用于各种汽车上。 其中控制阀是液压助力转向系统的关键组成部分，它的主流形式有滑阀式 与转阀式两种，从名称上就可以看出两者的区别，即滑阀式是利用阀芯与阀体 的相对位移来控制液压油的流动与压力，转阀式是运用阀芯与阀套的相对角位 移来控制液压油的流动。这两种形式各有优缺点，如于滑阀式控制阀结构简单， 生产工艺性较好，易于布置，使用性能较好。转阀式控制阀相对滑阀式控制阀 灵敏度要高，密封件要少，并且结构较为先进，但是结构相对要复杂，如转阀 式控制阀的阀芯是利用扭杆弹簧来回位。但是随着现代技术的发展，这些以不 算很难的问题，所以转阀式控制阀无论在国内还是国外都得到了广泛的发展与 应用。 随着液压助力转向系统的广泛应用与发展，人们对动力转向系统的要求也 与日俱增。人们要求装有液压助力转向机构的车辆，它在运动上要能保持驾驶 员转动转向盘转角与转向轮转角保持一定的比例关系。随着路面给予转向轮的 阻力的增大或者减小，作用在方向盘上的手力应该相应的增大或者减小。并且 规定了液压助力转向系统的在驾驶员的手力达到一定程度时必须开始工作的标 准，这个标准对于不同形式的车辆有所不同。还规定了车辆转向后，转向盘应 能自动回正，液压助力转向系统不应阻碍车辆的自动回正。另外液压系统的工 作应该很灵敏，在突然打转角转向时，液压系统内的压力能很快达到最大值。 当液压转向系统失灵后，驾驶员任然能操纵转向盘，仅用机械系统进行转向。 最后就是液压助力转向系统的密封性能要好，内外泄露要尽量的少，尤其是外 泄漏，要基本杜绝。 到上个世纪八十年代左右，日本与德国的公司都着手开发了电动液压助力 转向系统( e l e c t r i c a lh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e h p s ) ，它使驾驶员既能轻 便地操纵方向盘，又有足够的路感。e h p s 是在h p s 上增加了由车速传感器、 电子控制单元e c u 及电磁阀组成的一套控制部分而来。根据e h p s 控制方式的 不同，它可分为流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式三种形式。与h p s 3 武汉理工人学硕士学位论文 相比，e h p s 因增加了车速检测控制装置及阀的结构更复杂而成本较高，e h p s 的设计除了需要考虑h p s 的一些关键技术外，还须考虑电气部分如传感器选型 及布置、电磁阀的特性、转向电子控制系统及其算法设计以满足不同车速下行 驶稳定性要求。虽然e h p s 相对h p s 产品性能有所提高，但是e h p s 没有解决 h p s 存在渗油、经济型差、噪声、回正性能差的问题，并且还提高了成本、增 加的结构的复杂性。在国内常见的车型中使用e h p s 的车型有：奔驰c 级，e 级；别克君越；标志凯旋；大众p a s s a t 新领驭，途安；丰田汉兰达；福特福 克斯，蒙迪欧致胜，m a x ：日产颐达，骐达，天籁，轩逸；荣威3 5 0 ，5 5 0 ；沃 尔沃$ 4 0 ，s 8 0 l ；现代领翔。较h p s 其应用不算广泛。 到了上个世纪八十年代末期，日本的铃木公司首次在其车上装备了电控助 力转向系统( e l e c t r i c a lp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) ，于是拉开了e p s 时代的序幕， 全世界各家大大小小的厂商都开始了e p s 的研制。在f 1 本，有大发汽车公司， 三菱汽车公司，本田汽车公司；在美国有d e l p h i 汽车系统公司；在德国有z f 公司，m e r c e d e s b e n z 公司；在英国有l u c a s 公司。在中国，e p s 的研究起步较 晚，研究的院校有清华大学、天津大学、武汉理工大学、华中科技大学、同济 大学、华南理工大学、江苏大学、合肥工业大学等。研发的内资企业有株洲易 力达、浙江福林国润等。e p s 的助力特性属车速感应型，但要比电控液压动力转 向更具灵活性，这种助力转向系统效率较高，能耗少，对环境污染小，路感好， 装配性好。另外在低速时，助力系统提供较大的助力，助力大小随车速的增加 而逐渐减小。e p s 系统的主要特点之一是转向操作特性可以通过软件加以改进。 这是因为e p s 系统对转向过程的各个环节，包括转向( 转角增大) 、回正( 转角 减小) 、中间位置( 转向角在转向盘的自由行程范围之内或附近变化) 都进行控 制；另外，e p s 系统的助力执行机构是直流电机，对于电枢转动惯量稍大的电机， 尚需进行惯性控制，以提高紧急转向时转向盘的快速跟踪性。国外著名的汽车 电子厂商在e p s 系统控制上逐渐形成了系统模块化的控制策略，该控制策略包 括助力控制、摩擦补偿控制、阻尼控制、惯性控制以及超载保护控制等瞳4 5 j 。在 国内常见的带e p s 的车型有：奥迪a 4 ，a 6 ，q 5 ；别克英朗；宝马3 系，5 系； 本田飞度，锋范，c r v ( 低配) ，思铂睿；大众途观，高尔夫，迈腾，速腾， c c ；丰田雅力士，凯美瑞( 高配) ，r a v 4 ，皇冠，卡罗拉，锐志，威驰；福特 嘉年华；马自达睿翼，马2 ，马3 ( 高配) ；日产骊威，玛驰，奇骏，逍客：起 亚智跑；斯柯达昊锐，明锐；雪佛兰克鲁兹。e p s 的应用还是比较广泛的，并且 4 武汉理工大学硕士学位论文 这种趋势还在放大，其应用将越来越广泛。 线控转向系统( w i r es t e e d n g ，简称w s ) 。w s 取消了方向盘和车轮之间的 机械连接，可以任意设计传动比，对转向轮进行主动控制，并对随车速变化的 参数进行补偿，实现理想的转向特性。这种转向系统还可以通过各种先进的信 息技术如卫星定位系统、地理信息系统、信息传输技术等和各种随车传感器， 自动识别汽车运行环境和汽车的运行状态，主动地采取转向动作，以实现转弯、 规避等并保持汽车的运动稳定性，可以大幅度地减少事故发生和降低能耗。所 以w s 可以提高整车的操纵稳定性，并且还便于底盘的布置。但是其应用还处 于概念车阶段旧6 3 。 无论是那种助力转向系统，它都存在着与整车的匹配问题。进行整车匹配 的最终目的是实现整车转向的轻便性与灵敏性兼顾，并提高整车的操纵稳定性。 系统的整车匹配工作，就是将系统装配与汽车，通过转向控制策略调整，形成 较为合理的汽车转向特性。在现在的汽车中，虽然都装有助力转向系统，然而 这个助力转向系统在与整车匹配的过程中到底有没有获得良好的性能我们并没 有关注得太多。一般只是利用现成的几种不同的助力系统进行实车试验，通过 主观评价在这几个中优选一种或者是稍加放缩便应用于该车，这种方式存在着 一定的盲目性。并且当整车有了调整之后，之前的实车试验就失去了意义，然 后主观的去选择、修改，再进行实车试验，这个过程费时费力，并且匹配效果 并不一定就会好。 1 2 研究的内容与方法 本课题主要针对液压助力转向系统与整车的匹配，因此本文仅以h p s 在与 整车匹配时需要考虑或设计的地方做叙述。在进行匹配时，整车不可或缺的参 数包括转向系统的安装定位、转向系统刚度、转向器的形式及传动比，转向器 的效率、悬架系统的安装定位、整车质心位置等等，还有各组成部件、机构的 刚度、强度等特性，如悬架的弹簧刚度、减震器的阻尼、橡胶块柔性特性，转 向拉杆的形变、轮胎的弹性与阻尼等等。这些整车参数以及机构特性在车辆转 向的过程中，不仅会影响到车轮的转角使车辆产生附加转角，并且还会造成转 向盘的阻力矩，这些也是在进行助力转向系统设计时，所应考虑到的问题，这 也就是助力转向系统与整车匹配的一个过程。 5 武汉理工大学硕上学位论文 本文首先进行的是对整车的动力学分析，涉及的主要是转向系统与悬架系 统相关的部分，无论采用何种助力转向形式，对整车的转向系统与悬架系统动 力学分析都是不可避免的，也是助力转向器设计的依据。通过转向系统的动力 学分析，确定影响转向轮转向，会造成转向轮产生附加转角的因数，以及影响 转向轻便性与转向灵敏性的因数，对它们进行分析，可以简化的简化，该着重 考虑的重点考虑。在根据本课题选定的是h p s ，对其液压泵、转向阀、动力缸 进行匹配。最后再对整车操纵稳定性进行仿真分析，来确定其匹配性能有所提 高。 在具体的研究过程中，采用三维多体动力学软件l m sv i r t u a l l a bm o t i o n 对 整车除液压助力转向部分进行建模，在一维系统仿真软件a m e s i m 中对液压助 力转向部分。然后进行联合仿真，并对h p s 的液压泵以及转向阀开展匹配计算。 最后与整车的匹配分析，并进行操稳性验证。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章仿真模型的建立 本文所研究的对象涉及到机械系统以及液压系统，为了解决机械系统与液 压系统耦合困难的问题，并且提高建立仿真模型的准确性，利用多体动力学软 件v i r t u a l l a bm o t i o n 来建立除了液压助力转向系统以外的整车模型，运用在液 压方面相当强大的一维系统仿真软件a m e s i m 来建立液压助力转向系统的模 型。这样可以充分利用各个软件的优势，强强联合，提高仿真的精度，增加仿 真结果的可信度。 2 1 液压系统建模 2 1 1a m e s i m 简介 a m e s i m 的含义为工程系统仿真高级建模环境( a d v a n c e dm o d e l i n g e n v i r o n m e n tf o rp e r f o r m i n gs i m u l a t i o n so fe n g i n e e d n gs y s t e m s ) 。它提供了一个完 整的一维仿真平台，用于对多领域智能系统进行建模和分析，并预测其多学科 专业的耦合性能。a m e s i m 基于直接图形接口，在整个仿真过程中系统可以显 示在环境中。a m e s i m 使用图标符号代表各种系统的元件，这些图标符号要么 是国际标准组织如工程领域的i s o 为液压元部件确定的标准符号，或为控制系 统确定的方块图符号，或者当不存在这样的标准符号时可以为该系统给出一个 容易接受的非标准图形特征。 a m e s i m 正处于不断的快速发展中，a m e s i m 软件目前在中国销售的主要 产品模块有：4 个操作平台、1 个三维动画前后处理工具、2 8 个应用模型库( 共 有3 5 0 0 个模型) 、5 个接口工具、1 个优化设计工具包以及l o 个实时仿真代码 生成功能。现有的应用模型库有：机械库、信号控制库、液压库( 包括管道模 型) 、液压元件设计库、液阻库、注油库( 如润滑系统) 、气动库( 包括管道 模型) 、气动元件设计库、热库、热液压库、热液压元件设计库、热气动库、冷 却系统库、二相流库、空气调节库、电磁库、电机及驱动库、i f p 整车性能库 驾驶库、i f p 发动机库、i f p 排放库、i f pc 3 d 三维燃烧计算功能、平面机构库、 动力传动库、车辆动力学库、换热器布置工具库、混合气体库、湿空气库。作 7 武汉理工大学硕士学位论文 为在设计过程中的一个主要工具，a m e s i m 还具有与其它软件包丰富的接口， 例如s i m u l i n k 、a d a m s 、l a b v i e w 、s i m p a c 、f l u x 2 d 、r t l a b 、d s p a c e 、i s i g h t 等等用。 2 1 2 模型的建立 液压助力转向系统主要的组成部分有：液压泵，控制阀，油管，液压缸等。 在a m e s i m 的元件库中有多大3 5 0 0 个模型，其中包括液压泵，液压管路以及液 压缸等等。液压泵按输出流量能否调节可分为定量泵与变量泵，其中定量泵包 括齿轮泵、叶片泵、径向柱塞泵与轴向柱塞泵，变量泵包括叶片泵与轴向柱塞 泵，如下图( 2 - 1 ) 所示，即为常见的几种液压泵图形符号。目前液压助力转向 系统均采用定量泵，在液压泵随发动机转速的增加，其流量线性的增加，通常 我们都是控制它的流量，使多余的油液从溢流口排出。根据车型的不同，流量 控制的方式也有所不同，对于轿车和轻型货车，这种类型的车辆其发动机转速 很高，在其液压泵中均采用可变节流的流量控制，这种控制方式可以让液压泵 随着发动机转速的增加，其流量逐渐减小。但是这种助力转向系统，其液压泵 的结构更复杂，且由于影响其流量特性的因数较多，在现在市面上应用的液压 泵中，虽然它们的流量能随着发动机转速的增大的而减小，但是这个减小的过 程不够平滑，这些需要从设计与加工工艺水平方面进行改进。而对于发动机转 速较低的重型货车，它们一般采用固定节流的方式来控制流量，这种方式的流 量控制不是一种恒流控制，它的流量随着发动机转速的升高也随之上升，只是 这种流量的上升幅度较小，流量随转速上升较小的另外一个原因是重型货车发 岱) ( a ) 单向定量液压泵 ( c ) 双向定量液压泵 ( c ) ( b ) 单向变量液压泵 ( d ) 双向变量液压泵 图2 - 1 液压泵的图形符号 8 武汉理工大学硕士学位论文 动机的转速也较小。在实际试验中也证明了无论是在空载还是满载的情况下， 流量的变化量均不大，虽然有小量的上升，但是对于重型车辆的助力转向系统 还是基本达到理想的水平。 转向阀的构造较为复杂，需要通过a m e s i m 基本元件的组合来进行建模。 a m e s i m 的帮助文档给我们提供了一个用惠斯通电桥的连接方法来表征控制阀， 如图( 2 2 ) 所示睛1 。在图中已经标出了控制阀与其他机构的连接，如图中左上 角的红色图标，它接受方向盘的转角信号输入，在实际液压助力转向系统中， 它代表的是液压控制阀阀芯的转角。在图中蓝色方形线的上边连接的是液压泵， 液压油从此去流入控制阀，然后从蓝色方形线的下边流出控制阀又回到液压泵， 蓝色方形线的左右两边连接的是动力缸，动力缸一般都是安装在齿条上，当这 两个阀口有压差时，则这两个阀口会一个进油一个出油，推动动力缸活塞运动， 进入推动齿条运动，也就是这个动作实现了助力作用。 图2 2 转向控制阀 液压助力转向系统的模型如图( 2 3 ) 所示哺1 ，图中绿色的元件表示机械元 件，蓝色的元件代表液压元件，红色的元件指的是信号元件。在a m e s i m 的建 模过程中，最容易犯错的是没有给出流体的属性，这个常常造成不必要的错误。 图( 2 - 3 ) 是一个完整的液压助力转向系统一维系统图，系统图中包括了液压泵、 控制阀、动力缸、安全阀、原动机、高压油管、低压油管等。在这个模型中有 两个与外界的接口，一个是方向盘的转向角，这个是对液压系统的输入，液压 系统对这个输入的干扰很小，为了简化，假设液压系统没有对转向盘转角以阻 力反馈：由于转向盘转角的作用，使控制阀产生一个转角，进而动力缸两端有 压差，推动齿条助力，这个助力作用就是另一个是接口，在这个助力的过程中， 9 武汉理工大学硕上学位论文 齿条反馈相当大，反馈回来的就是齿条上的位移与速度，如下图( 2 3 ) 所示已 经标出了两个接口的位置，以及与其他软件的输入输出数据的关系。 2 2 整车建模 图2 - 3 液压助力转向系统 2 2 1v i r t u a l l a bm o t i o n 简介 v i r t u a l l a b 是l m s 国际公司的产品，它是个虚拟仿真平台，提供一套集成 软件包用于模拟机械系统的品质，包括结构完整性、振动噪声、耐久性、系统 动力学特性、驾驶的平顺性以及操纵稳定性等等。l m sv i r t u a l l a b 包括所有关 键过程步骤及所需的技术，可以远在进行昂贵的加工和实物试验之前对每个关 键属性进行从头到尾的评价。采用l m sv i r t u a l l a b 设计部门能够快速有效地分 析多个设计方案，使设计方案的选择主要从关键品质属性的角度出发。 v i r t u a l l a b 是基于达索公司的p l m 开放式软件平台c a av 5 ，并内嵌了完备的 c a t i ac a d 建模功能。而在常用的分析软件中建立模型则非常麻烦，对于复杂的 模型需通过c a d 软件导出成第三方格式再导入到g 垣软件中，这个过程模型 常常容易造成出错或图形特性丢失1 9 j 。 v i r t u a l l a b 平台的功能很强大，如图( 2 4 ) 所示。在v i r t u a l l a b 桌面提供 1 0 武汉理1 = 大学硕上学位论文 的工程通用环境里，可以进行多体动力学分析、结构分析、建模和装配、优化、 振动噪声分析、声学分析以及耐久性分析。其中m o t i o n 为其多体动力学分析分 块。在这些功能的通用环境里，各分快之间可以无缝地读取其他分块的c a d 与 c a e 模型与数据【9 1 。 2 2 2 模型的建立 图2 4v i r t u a l l a b 的功能 为了简化模型的建立又不至于影响结果的精度，本文所建立的整车模型省 略了传动系统、发动机、制动系统等。针对目标车型建立简化后的整车模型， 其中该车型为前带横向稳定杆的麦弗逊独立悬架，后扭力梁半独立悬架。 v i r t u a l l a b 是一个很强大的软件，该软件自带有悬架模块，如图( 2 5 ) 所示， 从左至右依次是三连杆悬架、四连杆悬架、五连杆悬架、i a x r o l l 悬架、l a x s t e e r 悬架、板簧悬架、麦弗逊悬架、双横臂悬架、扭力梁悬架n 引。 蟊两蝎薛棼谚 图2 - 5v i r t u a l l a b 中的悬架模块 由于目标车型的悬架为前麦弗逊独立悬架，后扭力梁半独立悬架。运用模 板分别建立目标车型的前、后1 2 悬架如下图( 2 6 ) 、( 2 7 ) 所示。其中在图( 2 6 ) 的1 2 前悬架模型图中包含了转向系统模型，从图中也可以很容易的看出转向器 的形式为齿轮齿条结构的。图( 2 7 ) 为后扭力梁半独立悬架模型，模型中包括 武汉理r t 大学硕士学位论文 了减震器与减震弹簧，虽然减震弹簧并没有画出，但是它的特性可以直接在减 震器的两端来给出。在悬架模块中需要给出的有悬架的安装位置以及四轮定位 等硬点，这些硬点都可以通过e x c e l 表格的形式导入到悬架模板中。在模板中还 需要建立该悬架的各个零部件，并建立各零部件的相互连接关系，阻尼原件特 图2 - 8 前悬架模型 同样，r t u a l l a b 中也有转向系统的模块，在m 。t i 。n 中的图形标识是e ， 在转向系统的模块中，需要给出的有转向系统安装位置的硬点、转向系统的组 成零部件、各零部件的连接关系、转向器的形式以及转向器的传动比。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 7 后悬架模型 在建立转向系统模型的时候，相对目标车型，没有建立液压系统。除此之 外转向系统也有一些简化，我们需要的是可以在转向盘上输入转角，并能传递 即可。如图( 2 8 ) 所示，即为将转向系统、带横向稳定杆的前后悬架系统以及底 盘拼装成整车模型。 图2 - 8 整车模型 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 联合仿真 m o t i o n 与a m e s i m 的联合仿真其实就是3 d + i d 仿真，这种方式的联合仿 真可以克服传统方法的局限，最大程度的发挥系统仿真软件与机构动力学软件 各自的优势。虽然如此，但是很多软件相互之间的接口并不理想，造成联合仿 真出现各种各样的错误，结果的精度不是很差，就是很难得出结果。l m s 公司 早年收购了a m e s i m 公司，在两个软件的接口上做了很大改良，使两者在进行 联合仿真时鲁棒性很好。 m o t i o n 与a m e s i m 的3 d + i d 的联合仿真不仅局限于对机械系统运动和动 力学的模拟，而是与控制、液压、气动、电等系统相结合的真正意义上的系统 级仿真旧1 。 2 3 1 接口的设置 在液压助力转向的汽车中，安装在转向柱的扭转传感器接收转向扭矩，将 信号传递给转向阀，此时，液压系统接收机械系统传递过来的信号，但是液压 系统几乎没有给机械系统以反馈。也就是说在a m e s i m 中有m o t i o n 传递过来的 信号，而a m e s i m 没有反馈信号。在m o t i o n 与a m e s i m 的通讯过程中，设置 它们的通信时间间隔为0 0 0 1 s 。 液压系统接收到了m o t i o n 中传递过来的扭矩信号，经过处理，并控制控制 阀，通过动力缸中的活塞推拉齿条实现助力。如图( 2 9 ) 来所示，在仿真模型 中表现为，a m e s i m 输出齿条力的信号给m o t i o n ，m o t i o n 接受这个信号，并将 这个信号的力的大小作用在齿条上。同时，m o t i o n 将齿条的位移与速度反馈给 a m e s i m ，这样就完成一个液压助力过程在软件联合仿真上的实现。 | 齿条力|弋7 重高嘉霄 图2 - 9a m e s i m 与m o t i o n 的通讯 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 单位与方向的设定 a m e s i m 中的单位制为m k s ，在进行联合仿真时，一定要将m o t i o n 中的单位设置得与a m e s i m 一样。这点很容易被遗忘，也是很多联合仿真结果 与实际相差甚远的主要原因。另外一个非常容易弄错，也是非常重要的设置就 是信号交流时如信号为力，力的方向的问题。所以常常在a m e s i m 的信号输出 时让信号值乘以常数k ，k 的值为1 或。l ，这样就可以在双方模型完整建立、正 常通讯后很容易的更改通讯信号对应量的方向。 2 3 3 联合仿真类型的选择 a m e s i m 与m o t i o n 为通讯提高两种联合仿真方式，即a m e s i mc o u p l e d 与a m e s i mc o s i m ，如下图2 1 所示n 0 1 。 表2 1 联合仿真类型主求解器求解平台可分析求解类型 静态 a m e s i mc o u p l e dm o t i o nm o t i o n动态 静态动态 线性化 a m e s i mc o s i ma m e s i ma m e s i m动态 从表中可以看出，当积分方法即联合仿真类型选择a m e s i mc o u p l e d 时， 主求解器为m o t i o n ，求解平台也是m o t i o n ，其可求解的类型有静态、动态、静 态动态、线性化。对于这种类型的联合仿真，其求解流程如图( 2 1 0 ) 。 创建带有输入输出连接 的m o t i o n “* t 女。毗女帆h 。一。 。溉女a k t 、撕城h t o 创建有带有m o t i o n 接口的 a m e s i m 并准备仿真 “群一。 。女女。d = a k m g # k k k 日# “。拢 输入a m e s i m 模型到v i r t u a l 。l a b m o t i o n 中的控制模块 武汉理工大学硕上学位论文 在m o t i o n 中设置分析参数并运行 。仿真 一 在v i r t u a l l a b 中动画演示并 绘制m o t i o n 仿真结果 将结果输出到a m e s