汽車主動(dòng)懸架及電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的研究與開(kāi)發(fā)

姜紹忠，張希通

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

現(xiàn)代汽車懸架分為被動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架2種。被動(dòng)懸架因?yàn)榫哂泄潭ǖ膹椈蓱壹軇偠群蜏p振器阻尼系數(shù)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上只能是滿足平順性和操縱穩(wěn)定性之間矛盾的折衷，無(wú)法達(dá)到懸架控制的理想境界。主動(dòng)懸架能夠根據(jù)汽車的行駛條件的變化而對(duì)懸架的剛度和阻尼進(jìn)行動(dòng)態(tài)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使懸架系統(tǒng)始終處于最佳減震狀態(tài)。目前，主動(dòng)懸架在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家豪華汽車上已被廣泛采用，在高速客車和豪華城市客車上的使用率已達(dá)100%。

電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱EPS）使用電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力幫助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)能夠顯著改善汽車的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能，提高行駛中駕駛員操縱的舒適性和安全性，節(jié)能環(huán)保。

現(xiàn)代汽車上，主動(dòng)懸架系統(tǒng)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間存在著相互作用、相互影響的關(guān)系。主動(dòng)懸架系統(tǒng)對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著十分重要的輔助功能，而主動(dòng)懸架本身的工作也需要包括電動(dòng)轉(zhuǎn)向等系統(tǒng)性的支持（如，轉(zhuǎn)角信號(hào)等）；同時(shí)，在總線控制系統(tǒng)中，主動(dòng)懸架ECU與電動(dòng)轉(zhuǎn)向ECU之間還存在著相互傳遞信息的關(guān)系。所以有必要將主動(dòng)懸架系統(tǒng)與電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行綜合性和系統(tǒng)性研究。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于諸如主動(dòng)懸架以及電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究還處于起步階段，缺乏必要的研究手段。因此，研發(fā)汽車主動(dòng)懸架及電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置可以作為科學(xué)研究的輔助工具，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)裝置獲取原車主動(dòng)懸架以及電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略。同時(shí)，利用該模擬實(shí)驗(yàn)裝置，將使學(xué)校教學(xué)和培訓(xùn)過(guò)程變得更加方便、直觀。

1 主動(dòng)懸架及電動(dòng)轉(zhuǎn)向模擬實(shí)驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 控制策略及需要模擬的信號(hào)

主動(dòng)懸架及電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置控制策略如圖1所示。

需要模擬的主要信號(hào)包括：車速信號(hào)；加速度信號(hào)；減振器阻尼信號(hào)；轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)；高度控制信號(hào)；制動(dòng)信號(hào)。

1.2 輔助部分組成及產(chǎn)品軟件部分開(kāi)發(fā)

輔助部分包括開(kāi)關(guān)電源、懸架高度顯示、故障模擬設(shè)置、診斷連接線及診斷接口等。

軟件部分設(shè)計(jì)要求能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、故障診斷、數(shù)據(jù)流分析。同時(shí)，將計(jì)算機(jī)軟件、多媒體技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)與主動(dòng)懸架與電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總成實(shí)訓(xùn)臺(tái)軟硬件交互、虛實(shí)融合，從而有利于科學(xué)研究及教學(xué)培訓(xùn)等。

圖1 主動(dòng)懸架及電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置控制策略圖

1）利用SolidWorks，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行三維建模并利用此模型用3D軟件對(duì)系統(tǒng)主要控制過(guò)程進(jìn)行動(dòng)畫(huà)制作。

2）利用Flash，對(duì)轉(zhuǎn)向、高度、阻尼控制過(guò)程進(jìn)行二維動(dòng)畫(huà)闡釋。

3）專業(yè)診斷軟件開(kāi)發(fā)。

4）教學(xué)資源軟件系統(tǒng)的加密、解密設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)與加工制作

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)制作要有利于研究、培訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)；同時(shí)，還要達(dá)到安全可靠、操作方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、造型美觀的要求。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架采用鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，要求造型美觀、合理、安全。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上部放置面板圖、顯示器、電子儀表，與面板連接的部分是鋼制的底部盤支架部分，用于放置主動(dòng)懸架和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。為便于學(xué)習(xí)，主動(dòng)懸架與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安裝位置與實(shí)車大體一致。為方便實(shí)驗(yàn)臺(tái)移動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的4角分別制作有4個(gè)腳輪，前腳輪上都設(shè)置了鎖止裝置防止實(shí)驗(yàn)臺(tái)自由滑動(dòng)。根據(jù)主動(dòng)懸架系統(tǒng)與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的外廓尺寸，利用SolidWorks軟件對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的臺(tái)架總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，作為臺(tái)架制作的依據(jù)，如圖2和圖3所示。

圖2 臺(tái)架設(shè)計(jì)建模

圖3 臺(tái)架實(shí)物制作

3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)面板及數(shù)字儀表控制電路的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的面板如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的面板是進(jìn)行研究應(yīng)用、實(shí)訓(xùn)教學(xué)、電路分析、故障診斷與排除的主要平臺(tái)，是實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)中的極其重要和關(guān)鍵的一環(huán)。主動(dòng)懸架及電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的面板主要由4個(gè)部分組成。第1部分和第2部分分別為主動(dòng)懸架系統(tǒng)電路圖和電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電路圖部分；第3部分為數(shù)字式信號(hào)顯示器；第4部分為執(zhí)行器的工作指示燈。當(dāng)執(zhí)行器處于工作狀態(tài)時(shí)，指示燈會(huì)閃亮。

圖4 主動(dòng)懸架及電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)面板示意圖

模擬實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)字儀表的工作電壓為直流5 V。為了能夠使其正常工作，必須為其提供合適的工作電壓。汽車上采用的是12 V直流電，因此該實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用78系列集成穩(wěn)壓塊（三端集成穩(wěn)壓器）將12 V直流電壓變?yōu)? V直流電壓為儀表提供工作電源。7805穩(wěn)壓塊的外形結(jié)構(gòu)及原理如圖5和圖6所示。

圖5 穩(wěn)壓塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖6 穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓原理圖

4 基于實(shí)車的多媒體制作

本實(shí)驗(yàn)裝置的硬件部分可以模擬再現(xiàn)原車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障設(shè)置；與硬件對(duì)應(yīng)的適合于學(xué)校教學(xué)及培訓(xùn)機(jī)構(gòu)使用的演示軟件。例如，空氣彈簧和阻尼器總成是主動(dòng)懸架系統(tǒng)的重要組成部分，然而由于該總成部件對(duì)于密封性的要求極其嚴(yán)格，整個(gè)部件采取了整體焊接工藝。因此，對(duì)于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、形狀及其安裝位置無(wú)法從外觀上看到。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)切割的形式，將完整的主動(dòng)懸架系統(tǒng)中的主要部件如空氣彈簧進(jìn)行了剖切，使其內(nèi)部機(jī)構(gòu)可視化，然后進(jìn)行尺寸測(cè)量，并通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)空氣彈簧和阻尼器總成進(jìn)行三維建模，根據(jù)建好的模型利用3DVIA Composer對(duì)其進(jìn)行動(dòng)畫(huà)制作展示，如圖7所示。

圖7 三維動(dòng)畫(huà)制作

本模擬實(shí)驗(yàn)裝置配置了自主開(kāi)發(fā)的USB數(shù)據(jù)診斷線和診斷軟件，利用該診斷線可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與模擬實(shí)驗(yàn)裝置的通訊連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)主動(dòng)懸架系統(tǒng)的檢測(cè)、匹配、讀碼、清碼、數(shù)據(jù)流讀取等原廠功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究開(kāi)發(fā)的主動(dòng)懸架及電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置有機(jī)地將主動(dòng)懸架和電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成在一起。利用該裝置可以方便、直觀地了解汽車主動(dòng)懸架和電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成、各部件的結(jié)構(gòu)和安裝位置，可以模擬汽車不同行駛狀況和姿態(tài)變化時(shí)懸架系統(tǒng)的動(dòng)作過(guò)程，可以通過(guò)儀器對(duì)系統(tǒng)工作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也可以及時(shí)進(jìn)行故障設(shè)置與檢測(cè)，為現(xiàn)代汽車新技術(shù)的主動(dòng)懸架系統(tǒng)以及電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究以及教學(xué)提供了較好的支持。

[1]魏俊生.汽車電控懸架和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[2]孫啟啟.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向與主動(dòng)懸架系統(tǒng)的集成控制研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（5）：12-18.

[3]雷克薩斯汽車有限公司.LS430原廠電路圖以及空氣懸架與助力轉(zhuǎn)向維修手冊(cè)[Z].2009.

[4]劉漢軍.豐田汽車新技術(shù)結(jié)構(gòu)、原理與維修（下）[M].廣州：廣東科技出版社，2002：192-204.

[5]王豪.電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性分析[J].汽車科技，2003（3）：16-18.

[6]朱華.電控空氣懸架系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].客車技術(shù)，2010（5）：7-8.