一種汽車(chē)轉(zhuǎn)向裝置的轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)研究

長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 曹賓 王振宏

1 引言

由于汽車(chē)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比固定,汽車(chē)轉(zhuǎn)向特性隨著汽車(chē)速度和側(cè)向加速度變化呈現(xiàn)強(qiáng)非線(xiàn)性時(shí)變特性。線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的機(jī)械連接方式,使其方向盤(pán)和汽車(chē)前輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系不再受機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的限制，同時(shí)可以改善汽車(chē)轉(zhuǎn)向力傳遞特性和設(shè)計(jì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向角傳遞特性,這就給汽車(chē)轉(zhuǎn)向特性設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的空間[1]。汽車(chē)線(xiàn)控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)、電子控制單元、轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)、自動(dòng)防故障系統(tǒng)、電源系統(tǒng)[2]。基于線(xiàn)控四輪轉(zhuǎn)向汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)，本文針對(duì)線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向核心部件——轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)和路感反饋系統(tǒng)進(jìn)行理論研究。

2 分析對(duì)象的數(shù)學(xué)模型

2.1 轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立

線(xiàn)控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向盤(pán)、轉(zhuǎn)向柱；電氣元件主要有轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、路感反饋等。其控制原理為：將所需的方向盤(pán)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成控制單元能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，并傳遞給M CU；MCU經(jīng)計(jì)算得出力矩大小信號(hào)，并將其傳遞給轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)；同時(shí)根據(jù)該信號(hào)的大小，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[3]。通過(guò)簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)模型如圖2.1所示。

圖2.1 轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)模型示意圖

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)中方向盤(pán)轉(zhuǎn)角θsw與力矩的關(guān)系可以通過(guò)該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)描述：

式中的參量表示意義：Jsw為方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jn為電磁施力器組件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Bsw為轉(zhuǎn)向柱阻尼系數(shù)；Tsw為轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩；Tn為電磁施力器電磁力矩。

2.2 轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)仿真模型

由轉(zhuǎn)向盤(pán)的工作原理和數(shù)學(xué)模型，在Matlab軟件中建立轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)的仿真模型，其模型如下圖2.2所示：

圖2.2 Matlab中建立的轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)仿真模型

2.3 電磁施力器數(shù)學(xué)模型

轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)中的路感反饋模塊，實(shí)際上是將路面信息對(duì)駕駛員再現(xiàn)和反饋，它由電控單元、動(dòng)力元件和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。各部分在路感反饋模塊中的作用為：電控單元用來(lái)接收主控制器的指令，還對(duì)動(dòng)力元件發(fā)出相應(yīng)轉(zhuǎn)矩的指令；動(dòng)力元件則根據(jù)電控單元發(fā)出轉(zhuǎn)矩的指令對(duì)轉(zhuǎn)向軸施加與指令對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則是施加的轉(zhuǎn)矩傳遞部分。

線(xiàn)控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中駕駛員“路感”由電磁施力器模擬實(shí)現(xiàn)。電磁施力器的組成結(jié)構(gòu)如圖2.3所示，環(huán)形永磁鐵、轉(zhuǎn)向柱等組成。結(jié)構(gòu)中的環(huán)形永久磁鐵固定在施力器的轉(zhuǎn)向軸上，導(dǎo)條固定安裝在車(chē)身上。

圖2.3 電磁施力器結(jié)構(gòu)

建立路感反饋模塊中電流電壓關(guān)系的方程式：

式中的參量為：La是電磁施力器線(xiàn)圈的電感；Ra為電磁施力器線(xiàn)圈電阻；Ia為電磁施力器的電流。

對(duì)式2-2進(jìn)行拉氏變換：

式2-3即為電磁施力器的傳遞函數(shù)表示。進(jìn)而得出電磁施力器產(chǎn)生的力矩為：

式中：Ka為電磁施力器力矩系數(shù)。

2.4 電磁施力器仿真模型

電磁施力器的控制過(guò)程為：以車(chē)輪轉(zhuǎn)向角δ作為輸入激勵(lì)[4]，從而得出車(chē)輛質(zhì)心側(cè)偏角β和橫擺角速度Wr的基本參數(shù)；由傳感器測(cè)得的車(chē)速u(mài)和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角θsw；利用動(dòng)力學(xué)原理求得轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向阻力矩，再通過(guò)比例系數(shù)求得電磁施力器的電流，將電流提供給電磁施力器產(chǎn)生力矩以模擬生成相應(yīng)的路感。電磁施力器仿真模型如下圖2.4所示：

圖2.4 電磁施力器仿真模型

3 轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)以上所建立的轉(zhuǎn)向盤(pán)模型對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)角隨車(chē)速的變化進(jìn)行仿真模擬，以給方向盤(pán)固定的階躍信號(hào)和斜坡信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入激勵(lì)。其中階躍信號(hào)表示為作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上使其轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，斜坡信號(hào)考慮了車(chē)輛速度隨著時(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng)。得出轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖3.1所示：

圖3.1 轉(zhuǎn)向盤(pán)響應(yīng)曲線(xiàn)

a圖為車(chē)輛行駛速度和時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)，b圖方向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線(xiàn)，c圖表示方向盤(pán)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化。從圖3.1 b圖中可以看出：b圖中的鋸齒狀曲線(xiàn)，從時(shí)間0到10之間的每個(gè)上升的曲線(xiàn)的斜率都在減小，這表明隨著車(chē)速的增加，為使方向盤(pán)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間線(xiàn)性變化，則方向盤(pán)的輸入轉(zhuǎn)角應(yīng)不斷減小。

其分析結(jié)果不僅表明了汽車(chē)在高速和低速時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)這一趨勢(shì)，通過(guò)讀取曲線(xiàn)上升的斜率，其最后上升的斜率基本為初始直線(xiàn)上升的一半。

4 結(jié)論

本文根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，建立了線(xiàn)控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤(pán)組件、電磁施力器數(shù)學(xué)模型和M a t l a b仿真模型，以作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的轉(zhuǎn)矩階躍信號(hào)和速度斜坡信號(hào)作為輸入激勵(lì)，對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)進(jìn)行了響應(yīng)分析，其仿真結(jié)果表明：

1.隨著車(chē)速的增加，為使方向盤(pán)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間線(xiàn)性變化，則方向盤(pán)的輸入轉(zhuǎn)角應(yīng)不斷減小。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性；

2.當(dāng)速度線(xiàn)性增加到150 k m/h時(shí)，其轉(zhuǎn)向盤(pán)的輸入轉(zhuǎn)角僅需要初始狀態(tài)輸入轉(zhuǎn)角的一半。

經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)分析，該轉(zhuǎn)向盤(pán)系統(tǒng)和路感反饋系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的隨動(dòng)，為改善了汽車(chē)的轉(zhuǎn)向性能提供依據(jù)，同時(shí)也為控制系統(tǒng)分析提供了思路。

[1]宗長(zhǎng)富,麥莉,郭學(xué)立.汽車(chē)前輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[J].中國(guó)機(jī)械工程,2004,15(11)∶1022-1026.

[2]肖生發(fā)，趙樹(shù)朋.汽車(chē)構(gòu)造[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社：北京大學(xué)出版社，2006.8.

[3]崔勝民.現(xiàn)代汽車(chē)系統(tǒng)控制技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2008.1，78～127.

[4]喻凡，林逸.汽車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.7.