王昌璽，吳彬云，牛禮民

(安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

0 引 言

隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(SBW)是當(dāng)前最新一代的汽車(chē)電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)原理是在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中取消了轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，轉(zhuǎn)向盤(pán)只是作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)轉(zhuǎn)角信號(hào)輸入裝置，且取消了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的梯形結(jié)構(gòu)，在節(jié)省汽車(chē)空間的同時(shí)使兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到轉(zhuǎn)向理想狀態(tài)［1-2］。然而，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行元件為伺服電機(jī)，由于伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出在一定程度上會(huì)受到阻力矩影響，尤其在阻力矩不斷變化的轉(zhuǎn)向工況下，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出特性會(huì)受到較為嚴(yán)重的影響，不能達(dá)到理想的轉(zhuǎn)速輸出，從而影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)。有研究表明伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出小，在轉(zhuǎn)向阻力矩大的工況下不能獲得理想的轉(zhuǎn)向特性，甚至不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向精確。

為了克服線控轉(zhuǎn)向中伺服電機(jī)帶來(lái)的各種缺陷，本研究提出利用液壓系統(tǒng)作為執(zhí)行元件的液壓線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，擬對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行柔性化改進(jìn)設(shè)計(jì)，以期提高轉(zhuǎn)向時(shí)系統(tǒng)的瞬時(shí)性和跟隨性。

1 轉(zhuǎn)向系柔性改進(jìn)與優(yōu)化過(guò)程

由于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向輪均存在機(jī)械連接，一旦發(fā)生車(chē)禍時(shí)駕駛室中的轉(zhuǎn)向剛性構(gòu)件可能對(duì)駕駛?cè)藛T造成傷害［3］，且由于存在機(jī)械連接，轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)因磨損產(chǎn)生間隙，間隙難以消除［4］;轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比一定，在車(chē)速不同時(shí)轉(zhuǎn)向阻力矩不同，轉(zhuǎn)向會(huì)產(chǎn)生太輕或者太重的不利影響，故此存在“輕”與“靈”的矛盾，即轉(zhuǎn)向“輕”時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比大，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)一定角度時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)的角度大不能靈活控制;轉(zhuǎn)向“靈”時(shí)轉(zhuǎn)向角系統(tǒng)角傳動(dòng)比小，所需的轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入的轉(zhuǎn)矩大。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，轉(zhuǎn)向力矩不再由駕駛員提供因此駕駛員施加的轉(zhuǎn)向力矩小，操縱輕便。并且駕駛室不再布置轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)節(jié)約駕駛空間，駕駛員獲得了更大的駕駛空間，提高駕駛舒適性和安全性［3］。

本研究在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用液壓系統(tǒng)作為執(zhí)行元件，液壓線控轉(zhuǎn)向示意圖如圖1 所示。

由于液壓系統(tǒng)的位移輸出特性只與流量相關(guān)，液壓系統(tǒng)輸出不隨負(fù)荷變化、輸出穩(wěn)定可靠、輸出力矩大、體積小、便于布置，克服了伺服電機(jī)的缺點(diǎn)，在轉(zhuǎn)向阻力矩不斷變化的轉(zhuǎn)向工況下有理想的轉(zhuǎn)向特性，完善了線性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，達(dá)到快速、精確的響應(yīng)。

圖1 液壓線控轉(zhuǎn)向示意圖

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型的建立

為進(jìn)一步驗(yàn)證轉(zhuǎn)向系改進(jìn)的可行性，本研究對(duì)轉(zhuǎn)向系在AMESim 軟件環(huán)境下進(jìn)行了仿真建模。

2．1 AMESim 軟件簡(jiǎn)介

AMESim(advanced modeling environment for performing simulations of engineering systems)為工程系統(tǒng)仿真高級(jí)建模環(huán)境，基于直接圖形接口使用圖標(biāo)符號(hào)代表各種系統(tǒng)的元件，這些圖標(biāo)符號(hào)即可為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO 確定的液壓元部件標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)，或可為控制系統(tǒng)確定的方塊圖符號(hào)，亦可由用戶(hù)自定義非標(biāo)準(zhǔn)圖形特征，可以方便進(jìn)行模型的模塊化搭建。用戶(hù)可在此單一平臺(tái)上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)模型，并據(jù)此進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析，也可在該平臺(tái)研究任何元件和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能［5］。

2．2 轉(zhuǎn)向系子模型建立步驟

汽車(chē)液壓線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向盤(pán)總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成件和主控制器(ECU)3 個(gè)主要部分以及自動(dòng)容錯(cuò)系統(tǒng)和電源等輔助系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)向盤(pán)總成包括轉(zhuǎn)向盤(pán)、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、力矩傳感器和轉(zhuǎn)向盤(pán)回正力矩電機(jī)。轉(zhuǎn)向盤(pán)總成的主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖(通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并傳遞給主控制器;同時(shí)接受主控制器送來(lái)的力矩信號(hào)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向盤(pán)回正力矩，以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信息。

本研究建立轉(zhuǎn)角信號(hào)采集模型:根據(jù)實(shí)際情況運(yùn)用兩個(gè)轉(zhuǎn)角傳感器和一個(gè)彈簧扭桿建立信號(hào)采集模型如圖2 所示。由兩個(gè)轉(zhuǎn)角傳感器的數(shù)值差得出轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的變化值。

圖2 轉(zhuǎn)角信號(hào)采集模型

主控制器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理，判別汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，向轉(zhuǎn)向盤(pán)回正力電機(jī)和轉(zhuǎn)向液壓缸發(fā)送指令，控制兩個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作，保證各種工況下都具有理想的車(chē)輛響應(yīng)，以減少駕駛員對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向特性隨車(chē)速變化的補(bǔ)償任務(wù)，減輕駕駛員負(fù)擔(dān)［6-7］。同時(shí)控制器還可以對(duì)駕駛員的操作指令進(jìn)行識(shí)別，判定在當(dāng)前狀態(tài)下駕駛員的轉(zhuǎn)向操作是否合理。當(dāng)汽車(chē)處于非穩(wěn)定狀態(tài)或駕駛員發(fā)出錯(cuò)誤指令時(shí)，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會(huì)將駕駛員錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)向操作屏蔽，而自動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)定控制，使汽車(chē)盡快地恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成包括前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向液壓控制器和前輪轉(zhuǎn)向組件等組成。轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成的功能是接受主控制器的命令，通過(guò)轉(zhuǎn)向液壓控制器控制轉(zhuǎn)向車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖［8-9］。液壓執(zhí)行元件為一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)，它由油缸、油泵、電機(jī)、油路、節(jié)流閥、溢流閥、液壓缸構(gòu)成。所建的車(chē)輪AMESim 模型如圖3 所示。

該模型包括根據(jù)轉(zhuǎn)向輪實(shí)際情況運(yùn)用質(zhì)量塊、阻尼器、力傳感器、轉(zhuǎn)角信號(hào)轉(zhuǎn)換器等。

圖3 車(chē)輪AMESim 模型

2．3 轉(zhuǎn)向系整體模型

本研究著重研究液壓作為動(dòng)力輸出裝置(即以液壓系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)源)方案的可行性分析，研究液壓系統(tǒng)在響應(yīng)時(shí)間方面的可行性問(wèn)題。為方便研究，筆者以AMESim 自帶的液壓助力轉(zhuǎn)向模型為基礎(chǔ)進(jìn)行如下改進(jìn)［10］。

(1)首先，本研究取消了轉(zhuǎn)向盤(pán)與車(chē)輪之間的機(jī)械連接，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)由傳感器接收，傳到轉(zhuǎn)向ECU 中進(jìn)行處理，ECU 發(fā)出信號(hào)打開(kāi)節(jié)流閥控制液壓缸的位移，從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度［11］。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)向輪的實(shí)際轉(zhuǎn)向角度反饋給ECU，經(jīng)ECU 計(jì)算處理后給轉(zhuǎn)向盤(pán)一個(gè)適當(dāng)?shù)淖枘?，使轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)向角度與車(chē)輪轉(zhuǎn)向角度同步，并防止轉(zhuǎn)向力矩過(guò)輕造成轉(zhuǎn)向不精確，轉(zhuǎn)向控制流程如圖4 所示。

圖4 轉(zhuǎn)向控制示意圖

(2)其次，本研究在AMESim 中建立液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，用模擬信號(hào)代替轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)角傳感器采集后由轉(zhuǎn)向ECU 處理，再由ECU 發(fā)出指令控制液壓系統(tǒng)節(jié)流閥流量推動(dòng)液壓缸的產(chǎn)生一定位移，液壓缸的位移帶動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)臂和轉(zhuǎn)向輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)，完成的簡(jiǎn)化系統(tǒng)如圖5 所示。其中由于本研究最終研究轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角度和輸入信號(hào)之間的時(shí)間響應(yīng)，筆者參照原有轉(zhuǎn)向輪結(jié)構(gòu)，搭建一個(gè)能輸出角度的轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向輪由車(chē)輪質(zhì)量塊、彈簧減震器、力傳感器等組成，然后通過(guò)傳感器將力轉(zhuǎn)換成角度，得到車(chē)輪的轉(zhuǎn)角。

(3)最后，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。液壓系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置用于調(diào)試，設(shè)置主要部件參數(shù)如下。

節(jié)流閥參數(shù):

增益倍率為1，最大流量系數(shù)為0．7，臨界流量為100，輸入信號(hào)下限為－100 000，輸入信號(hào)上限為100 000。

圖5 基于AMESim 的液壓線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

液壓泵參數(shù):

泵的排量為10 cc/rev，泵的額定轉(zhuǎn)速為2 000 rev/min。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2 000 rev/min。

溢流閥參數(shù):

溢流閥安全閥值為100 bar，溢流閥流量壓力梯度為500 L/min/bar。

液壓缸參數(shù):柱塞位移為0． 25 m，活塞直徑為28 mm，活塞油路口1 直徑為12 mm，活塞油路口2 直徑為12 mm，活塞行程長(zhǎng)度為0．5 m，活塞油口1 的死腔體積為5 cm3，活塞油口2 的死腔體積為5 cm3，柱塞總質(zhì)量為3 kg，粘性摩擦系數(shù)為5 000 N/(m·s－1)。

轉(zhuǎn)向輪參數(shù):

車(chē)輪質(zhì)量為61 kg，摩擦力2 000 N，黏著力為2 000 N，車(chē)輪彈簧剛度為200 000 N/m，車(chē)輪阻尼比為20 000 N/(m·s－1)。

3 仿真與結(jié)果分析

為模擬轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入信號(hào)的真實(shí)性，本研究采用階躍信號(hào)和脈沖信號(hào)兩種形式模擬輸入，并分別分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的跟隨性，得到兩種模式下系統(tǒng)的響應(yīng)，然后對(duì)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析，判斷系統(tǒng)的快速反應(yīng)能否達(dá)到轉(zhuǎn)向要求。

本研究在轉(zhuǎn)向盤(pán)模擬輸入信號(hào)端輸入一個(gè)階躍信號(hào)，為使響應(yīng)時(shí)間更加精確，將取點(diǎn)間隔時(shí)間設(shè)置為0．00 001 s，將仿真結(jié)束時(shí)間設(shè)置為2 s，進(jìn)行仿真模擬，得到階躍信號(hào)輸入與車(chē)輪轉(zhuǎn)角響應(yīng)的對(duì)比圖如圖6 所示。

圖6 階躍信號(hào)系統(tǒng)響應(yīng)

由結(jié)果分析知，轉(zhuǎn)向輪輸入信號(hào)時(shí)間為1 s，轉(zhuǎn)向輪響應(yīng)并達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間(當(dāng)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的98%即視為達(dá)到穩(wěn)態(tài))為1．245 88 s，即系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間比輸入信號(hào)滯后0．245 88 s。在瞬時(shí)響應(yīng)滿(mǎn)足轉(zhuǎn)向的要求。

本研究參照上述仿真步驟，將階躍信號(hào)改為脈沖信號(hào)，分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)角跟隨輸入信號(hào)的情況。因?yàn)槿藦耐饨绔@得信息，經(jīng)過(guò)大腦加工分析發(fā)出指令到運(yùn)動(dòng)器官開(kāi)始執(zhí)行動(dòng)作所需的時(shí)間為0．15 s～0．4 s，設(shè)置脈沖信號(hào)的頻率為1 Hz，在保證時(shí)間響應(yīng)精確的情況下分析3～4 組變化的情況，設(shè)置取點(diǎn)間隔時(shí)間調(diào)為0．000 01 s，仿真的總時(shí)間為4 s。進(jìn)行仿真運(yùn)算得到的結(jié)果如圖7 所示。

圖7 脈沖信號(hào)系統(tǒng)響應(yīng)

結(jié)合對(duì)階躍信號(hào)的分析可知，在信號(hào)發(fā)生改變時(shí)(0．5 s 時(shí))系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，而第二次穩(wěn)態(tài)的時(shí)間為0．834 41 s，可見(jiàn)改進(jìn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)跟隨輸入轉(zhuǎn)角變化滿(mǎn)足靈敏性的同時(shí)也滿(mǎn)足精確性的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究采用液壓系統(tǒng)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了柔性化改進(jìn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，液壓系統(tǒng)的瞬時(shí)性(滯后0．245 88 s)完全滿(mǎn)足轉(zhuǎn)向要求，并且響應(yīng)跟隨隨靈敏性和精確性也符合轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)的要求，因此本研究改進(jìn)的液壓線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足預(yù)期設(shè)計(jì)要求，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研發(fā)提供了新的設(shè)計(jì)思路。

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