摘要：首先分析了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Assist Steering，簡(jiǎn)稱EPAS）的系統(tǒng)原理，然后以某中型商用車(chē)為對(duì)象，利用ADAMS軟件構(gòu)建了該車(chē)的虛擬樣機(jī)模型，并分別對(duì)三種不同的助力方式進(jìn)行了仿真計(jì)算，確定了三種助力方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并為后續(xù)電控開(kāi)發(fā)提供了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向MAP的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向；ADAMS；虛擬樣機(jī)；建模仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1005-2550（2013）04-0025-05

近年來(lái)，隨著用戶對(duì)汽車(chē)駕駛舒適性要求的提高，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能需求也進(jìn)一步提高。由于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Assist Steering，簡(jiǎn)稱EPAS）在燃油消耗、安全性、可控性方面的優(yōu)勢(shì)，國(guó)外汽車(chē)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向有逐步取代傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向（Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱HPS）的趨勢(shì)。EPAS 用電動(dòng)機(jī)直接提供助力，助力大小由電控單元（ECU）控制。由于它取消了需要發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)向油泵，所以在一定程度上它能夠降低燃油消耗，且有利于環(huán)保，并且為提高主動(dòng)安全性提供了可能，是一項(xiàng)緊扣現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)展主題的高新技術(shù)。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵是建立與目標(biāo)車(chē)型相適應(yīng)的助力MAP。獲取此MAP的途徑有兩種：一種是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)標(biāo)定的方式獲?。灰环N是通過(guò)仿真計(jì)算的方式獲取。試驗(yàn)方式成本高、時(shí)間長(zhǎng)，而仿真方式卻具有成本和時(shí)間上的高效率。通過(guò)仿真方式獲取助力MAP需要首先獲得目標(biāo)車(chē)型的整車(chē)模型，利用該模型可以對(duì)不同車(chē)速下的助力曲線進(jìn)行分析修正，直到仿真結(jié)果滿足控制要求。此時(shí)得到的車(chē)速、轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩、助力矩的三維對(duì)應(yīng)關(guān)系，就是合乎目標(biāo)車(chē)型的助力MAP。本文針對(duì)東風(fēng)某中型商用車(chē)，通過(guò)ADAMS建立了整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，然后利用該模型分別對(duì)三種助力MAP進(jìn)行了仿真計(jì)算，確定了三種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)電控開(kāi)發(fā)提供了助力MAP的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的原理

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的基本原理是由電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器獲取方向盤(pán)扭矩信號(hào)（也可以認(rèn)為是角度信號(hào)或轉(zhuǎn)動(dòng)速度信號(hào)）及整車(chē)車(chē)速信號(hào)，按照預(yù)先設(shè)定的助力模型對(duì)直流助力電機(jī)實(shí)施控制。通過(guò)控制改變電機(jī)電流的大小，從而改變輸出力矩。該輸出力矩通過(guò)減速機(jī)構(gòu)放大后與駕駛員手力一起作用于轉(zhuǎn)向器輸入軸，進(jìn)而控制車(chē)輛轉(zhuǎn)向。電機(jī)的輸出力矩實(shí)際上是對(duì)操縱手力起到了助力作用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵在于控制器控制程序的設(shè)計(jì)，而控制程序設(shè)計(jì)什么樣的助力模型，是關(guān)乎電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力性能的關(guān)鍵。根據(jù)前人實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)，一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的理想轉(zhuǎn)向助力模型正被越來(lái)越多的工程人員接受。該模型遵循汽車(chē)轉(zhuǎn)向原理和要求來(lái)實(shí)現(xiàn)操縱穩(wěn)定性，其助力特性隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)手力和車(chē)速變化而變化，有以下規(guī)律：

1）隨方向盤(pán)力矩增大，電機(jī)電流（扭矩）按一定規(guī)律增大；

2）隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)速度增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加；

3）隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，換向時(shí)不得有滯后現(xiàn)象；

4）隨汽車(chē)車(chē)速增大，電機(jī)電流（扭矩）按一定規(guī)律減小。

如圖2所示，為電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力的手力特性，共有三種形式：直線式、折線式及曲線式。其中縱坐標(biāo)為助力力矩，橫坐標(biāo)為手力力矩?？梢钥闯?，手力越大，助力也越大。該特性是否合理主要是看其形狀是否利于駕駛員操縱。圖3為轉(zhuǎn)向助力的速度特性，其中車(chē)速感應(yīng)系數(shù)指隨著車(chē)速的變化，助力大小所需要的修正系數(shù)。圖4為以曲線助力為例，轉(zhuǎn)向力特性和速度特性相結(jié)合后產(chǎn)生的立體曲線圖。它顯示的就是一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的理想轉(zhuǎn)向助力模型。χ軸為方向盤(pán)扭矩座標(biāo)，у軸為車(chē)速座標(biāo)，z軸為電機(jī)助力座標(biāo)。在每一個(gè)車(chē)速上都有一個(gè)轉(zhuǎn)向特性，該模型就是不同車(chē)速下無(wú)數(shù)轉(zhuǎn)向力特性的組合。

2 整車(chē)模型

2.1 整車(chē)三維圖及重要參數(shù)

ADAMS是全球運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，用戶可以利用其在計(jì)算機(jī)上建立和測(cè)試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)事實(shí)再現(xiàn)仿真，了解復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)性能。該軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。本文利用該軟件通過(guò)導(dǎo)入現(xiàn)有東風(fēng)某中型商用車(chē)的CAD模型，建立了該商用車(chē)的整車(chē)模型。圖5為該商用車(chē)的CAD模型。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置形式如圖6所示，圖7為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)坐標(biāo)示意圖。表1為整車(chē)主要參數(shù)。

2.2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

本文所涉及商用車(chē)轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)采用了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，其傳動(dòng)比為28。它將與鋼板彈簧子系統(tǒng)、非獨(dú)立前懸架子系統(tǒng)組裝成帶有轉(zhuǎn)向系的前鋼板彈簧非獨(dú)立懸架仿真模型。

轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向盤(pán)、轉(zhuǎn)向桿、循環(huán)球轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向垂臂等部件組成。轉(zhuǎn)向器通過(guò)轉(zhuǎn)向器殼與車(chē)架固定相連，轉(zhuǎn)向柱固定在車(chē)身上。轉(zhuǎn)向垂臂與前懸架中的直拉桿通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈相連。

為了模擬助力電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向器的助力作用，在轉(zhuǎn)向桿上施加一助力矩。助力矩的大小與變化規(guī)律根據(jù)所采用的助力特性曲線的不同而改變。圖10為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型。

2.2.2 動(dòng)力總成模型及整車(chē)模型

由于動(dòng)力總成不對(duì)整車(chē)操穩(wěn)性產(chǎn)生直接影響，動(dòng)力總成模型采用了ADAMS/car軟件自帶的通用簡(jiǎn)單模型。該模型可根據(jù)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和變速器換檔指令計(jì)算出動(dòng)力總成輸出轉(zhuǎn)矩，通過(guò)通信器可直接將該轉(zhuǎn)矩施加到驅(qū)動(dòng)輪上。簡(jiǎn)單動(dòng)力總成模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖11所示，主要由代表動(dòng)力總成和變速器質(zhì)量的外形圖以及三個(gè)將動(dòng)力總成與車(chē)架連接的bushing組成。

各個(gè)模型構(gòu)建完后，組裝到一起，就形成了整車(chē)模型，如圖12所示。由于本文主要研究轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操穩(wěn)性，因此其它子系統(tǒng)的建模就不一一介紹。

3 仿真分析

ADAMS/SolverTM 提供了功能強(qiáng)大的求解器，本文利用前述整車(chē)模型分別對(duì)直線型、折線型和曲線型三種助力模型進(jìn)行了仿真。最終確定了三種助力MAP，如圖13所示。圖14為某車(chē)速下的雙紐線仿真結(jié)果，表2為部分仿真數(shù)據(jù)。表3為蛇形工況的仿真數(shù)據(jù)。

對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的評(píng)價(jià)主要有兩個(gè)方面：

1）輕便性：用轉(zhuǎn)向盤(pán)平均作用力和轉(zhuǎn)向盤(pán)最大作用力兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向輕便性。

2）轉(zhuǎn)向盤(pán)中間位置區(qū)域性能評(píng)價(jià)：

①轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩為0 nm時(shí)的側(cè)向加速度：表征了汽車(chē)的回正性能。此加速度值越小表明汽車(chē)的回正性能越好，但它受到系統(tǒng)阻尼與車(chē)輛響應(yīng)滯后的影響，這個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)不宜過(guò)大或過(guò)??；

②側(cè)向加速度為0 g時(shí)的轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩：表征了轉(zhuǎn)向系中的庫(kù)侖干摩擦，但它也受到系統(tǒng)阻尼與車(chē)輛相位滯后的影響；

③側(cè)向加速度為0 g時(shí)的轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力矩梯度：它是0 g 處轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩隨汽車(chē)側(cè)向加速度的變化率，表征了“路感”。它主要受主銷(xiāo)幾何參數(shù)與轉(zhuǎn)向系總傳動(dòng)比的影響；

④側(cè)向加速度為0.1 g時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩梯度：它是0.1 g 處轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩隨汽車(chē)側(cè)向加速度的變化率，表征了剛離開(kāi)直線行駛狀況時(shí)的“路感”；

⑤0度轉(zhuǎn)角時(shí)的轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩和0度轉(zhuǎn)角時(shí)的轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩梯度：表征了轉(zhuǎn)向系的“剛度”。

4 結(jié)論

本文通過(guò)ADAMS軟件構(gòu)建了某中型商用車(chē)虛擬樣機(jī)模型，按照電動(dòng)助力的原理，利用該模型，分別使用三種助力方式進(jìn)行了整車(chē)操穩(wěn)仿真計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果表明，直線型助力的輕便性最好，但路感相對(duì)較差；曲線型助力路感最好，但輕便性相對(duì)差一些；折線型助力處于兩者之間。同時(shí)通過(guò)該仿真，為后續(xù)電控開(kāi)發(fā)提供了助力MAP的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林逸， 施國(guó)標(biāo)， 鄒常豐， 王望予.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向性能的客觀評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003（4）：4-7.

[2] 郭順生，李益兵，楊明忠.電動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的發(fā)展與研究[J].北京汽車(chē)，2001（4）：1-2.

[3] 肖生發(fā)，馮櫻，劉洋.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性的研究[J].湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001（3）：34-37.

[4] 施淑洪，鄭榮良.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及系統(tǒng)模型分析[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（5）：57-60.

[5] 陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造（下）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.2：246-282.