莫建平 許世超

摘 要：該文闡述了電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)和工作原理，利用ADAMS構(gòu)建了的包含轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、前后懸架、輪胎及地面的整車模型。分析了模型在不同速度下的轉(zhuǎn)彎半徑情況，擬合出了其助力轉(zhuǎn)向特性曲線，對(duì)相關(guān)技術(shù)研究有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng);ADAMS;建模;助力特性

中圖分類號(hào)：U463.4? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）13-136-03

Research on Simulation Analysis of Electric Auxiliary Steering System*

Mo Jianping， Xu Shichao

（ Guangxi Science & Technology Normal University， Guangxi Laibin 546199 ）

Abstract： The paper describes the general structure and working principle of the electric auxiliary steering system， and constructs a vehicle model including steering system， front and rear suspensions， tires and ground by ADAMS. The turning radius of the model at different speeds is analyzed， and the power steering characteristic curve is fitted， which has a certain reference significance for the related technical research.

Keywords： Steering system; ADAMS; Modeling; Boost characteristics

CLC NO.： U463.4? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）13-136-03

前言

助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在一般有三種類型，它們包括機(jī)械式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電子液壓輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[1]。電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)確保了汽車在低速狀態(tài)下較為輕松轉(zhuǎn)向，調(diào)和了輕便和靈敏之間的矛盾，兼顧行駛安全和舒適，以其優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性能為各大車企所青睞[2-3]。本文采用ADAMS構(gòu)建了的包含轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、前后懸架、輪胎及地面的整車模型進(jìn)行轉(zhuǎn)向分析研究。

1 電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

圖1所示為電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理圖。電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由機(jī)械轉(zhuǎn)向器、電動(dòng)機(jī)、離合器、控制器、轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器等組成。在方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器參考輸入轉(zhuǎn)矩的大小，生成一定的電信號(hào)，與車速傳感器獲得的車速信號(hào)進(jìn)入控制器，產(chǎn)生信號(hào)來控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。

實(shí)際車輛的運(yùn)動(dòng)需要對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，車輛向前運(yùn)行可以簡(jiǎn)化為輪胎上的轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向的工作可以簡(jiǎn)化為方向盤上的一個(gè)力矩。減速機(jī)構(gòu)的功能可以通過改變力矩的大小來實(shí)現(xiàn)。本文中建立模型是為了分析車輛轉(zhuǎn)向問題，整車模型的大部分裝飾和結(jié)構(gòu)部件可省略不畫。部分結(jié)構(gòu)部件、功能部件可以簡(jiǎn)化為基礎(chǔ)的幾何體，以簡(jiǎn)化模型，絕大部分部件可以簡(jiǎn)化為桿件等基礎(chǔ)部件。分析轉(zhuǎn)向問題，重要的是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的參數(shù)，更重要的是懸架的參數(shù)，這些參數(shù)包括主銷長(zhǎng)度、上下橫臂長(zhǎng)度、主銷內(nèi)傾角、拉臂長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)向拉桿長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)向節(jié)長(zhǎng)度。另外還有幾個(gè)定位參數(shù)，包括軸距、輪距和車身質(zhì)心位置。

ADAMS是多體運(yùn)動(dòng)分析軟件，建立模型后還要進(jìn)行仿真分析，考慮構(gòu)建之間的連接（運(yùn)動(dòng)副）的問題。方向盤與轉(zhuǎn)向軸是鎖死的，轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸保持同步運(yùn)轉(zhuǎn)，可以考慮使用萬向節(jié)或同速副來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)向機(jī)和轉(zhuǎn)向搖臂之間運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，可以用多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)向搖臂同轉(zhuǎn)向橫拉桿之間可以用轉(zhuǎn)動(dòng)副或球副連接。轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向拉臂之間也可以使用萬向節(jié)等連接。轉(zhuǎn)向機(jī)部分結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，一般使用球副連接。上下橫臂和車身之間，直接使用轉(zhuǎn)動(dòng)副固定。最后輪胎和懸架之間使用轉(zhuǎn)動(dòng)副限制輪胎的運(yùn)動(dòng)。

2 ADAMS建模

2.1 參數(shù)的收集

構(gòu)建ADAMS模型需要大量的參數(shù)，這里需要車輛尺寸參數(shù)、外部環(huán)境參數(shù)、部件的特性參數(shù)。車輛尺寸參數(shù)包括但不限于車輛運(yùn)動(dòng)部件的幾何尺寸、固定部件的幾何尺寸、部件運(yùn)動(dòng)的配合尺寸。外部環(huán)境參數(shù)主要為地面譜。部件的特性參數(shù)包括部件質(zhì)量、慣量，特殊部件的阻尼、剛度等。表1所示為本文所用模型的主要參數(shù)。

2.2 模型的建立

本文建立的三維模型斜側(cè)圖如圖2所示。相比于實(shí)際車輛，本文所使用的模型進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化。包括：將動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系部分，以兩個(gè)加載在后輪的固定旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)來代替。將車身部分徹底忽略，車身主體并不表示出來。將底盤簡(jiǎn)化為一個(gè)小球等。此外，需要額外驅(qū)動(dòng)的部分，在模型也只是以臨時(shí)添加力矩、驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了模型的復(fù)雜程度。

3 仿真分析

3.1 變量的確定

本文使用的模型以后輪的運(yùn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)來代替車輛動(dòng)力系統(tǒng)。車速v使用的單位為mm/s。已知：輪胎半徑r=350mm，輪胎轉(zhuǎn)速ω=30rad/s?？傻密囁賤=10500mm/s。助力大小與車速及方向盤轉(zhuǎn)矩相關(guān)，需要建立采集轉(zhuǎn)矩、車速、和助力大小的函數(shù)。轉(zhuǎn)矩是由人工從方向盤輸入的，需要構(gòu)建一個(gè)隨時(shí)間變化而變化的函數(shù)以及一個(gè)常函數(shù)。本文中構(gòu)建的轉(zhuǎn)矩函數(shù)為STEP（time，2，0，4，105d）表示函數(shù)自變量為時(shí)間，自變量的函數(shù)開始值為2，函數(shù)的初始值為0，自變量的結(jié)束值為4，函數(shù)的結(jié)束值為105d。即該力矩在仿真開始的2秒內(nèi)是沒有運(yùn)動(dòng)的，在2到4秒內(nèi)將轉(zhuǎn)矩從0勻速提升到105d。

3.2 轉(zhuǎn)向助力特性

對(duì)于電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，轉(zhuǎn)向助力的大小直接受控于電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小一般受制于輸入電動(dòng)機(jī)的電流大小[5]。這也是電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制單元收集方向盤轉(zhuǎn)矩和速度信號(hào)，控制輸入電動(dòng)機(jī)的電流大小，以完成調(diào)節(jié)助力大小的功能。方向盤轉(zhuǎn)矩為STEP（time，2，0，54，105d），后輪轉(zhuǎn)矩為STEP（time，0，0，50，30000d）時(shí)分別得到瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑和瞬時(shí)車速如圖3和圖4所示。

以樣條函數(shù)處理以上數(shù)據(jù)，得到相關(guān)數(shù)據(jù)。選取助力觸發(fā)閥值為[1，5]，得到部分直線型助力特性曲線如圖5所示。助力大小一般要求隨著方向盤轉(zhuǎn)矩的增大而增大，車速的增大而減小。而在原地轉(zhuǎn)向和超低速行駛等特殊情況下，需要有較大的助力，以增加轉(zhuǎn)向控制的輕便性。在高速行駛時(shí)則希望只有少量的助力甚至沒有，以保持良好的路感，防止發(fā)生交通事故。

4 結(jié)論

電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在未來幾年還會(huì)持續(xù)發(fā)展，直到車輛制造理念發(fā)生重大革新。本文針對(duì)電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真分析研究，完成了ADAMS整車模型的創(chuàng)建，包括車輪、前后懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，并且以該模型為基礎(chǔ)，成功的以轉(zhuǎn)矩-

車速關(guān)系擬合直線型助力特性曲線，認(rèn)識(shí)到車輛在高速、變速等狀態(tài)下轉(zhuǎn)彎半徑會(huì)改變，對(duì)進(jìn)一步的實(shí)踐研究有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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[2] 馮櫻，肖生發(fā)，羅永革.汽車電子控制式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001（01）：4-8.

[3] 劉培培，程源，羅威，鄧英富，王宗偉.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模及助力特性[J].汽車工程師，2015（10）：34-37+59.

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[5] 周章海.叉車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器的研究與設(shè)計(jì)[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2010.