汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的柔性化改進設(shè)計研究*

王昌璽，吳彬云，牛禮民

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

0 引 言

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(SBW)是當(dāng)前最新一代的汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其設(shè)計原理是在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接，轉(zhuǎn)向盤只是作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個轉(zhuǎn)角信號輸入裝置，且取消了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的梯形結(jié)構(gòu)，在節(jié)省汽車空間的同時使兩個轉(zhuǎn)向輪達到轉(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，由于伺服電機的轉(zhuǎn)速輸出在一定程度上會受到阻力矩影響，尤其在阻力矩不斷變化的轉(zhuǎn)向工況下，伺服電機的轉(zhuǎn)速輸出特性會受到較為嚴(yán)重的影響，不能達到理想的轉(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，甚至不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向精確。

為了克服線控轉(zhuǎn)向中伺服電機帶來的各種缺陷，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)，擬對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行柔性化改進設(shè)計，以期提高轉(zhuǎn)向時系統(tǒng)的瞬時性和跟隨性。

1 轉(zhuǎn)向系柔性改進與優(yōu)化過程

由于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪均存在機械連接，一旦發(fā)生車禍時駕駛室中的轉(zhuǎn)向剛性構(gòu)件可能對駕駛?cè)藛T造成傷害［3］，且由于存在機械連接，轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)會因磨損產(chǎn)生間隙，間隙難以消除［4］;轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比一定，在車速不同時轉(zhuǎn)向阻力矩不同，轉(zhuǎn)向會產(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”時轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比大，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)一定角度時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過的角度大不能靈活控制;轉(zhuǎn)向“靈”時轉(zhuǎn)向角系統(tǒng)角傳動比小，所需的轉(zhuǎn)向盤輸入的轉(zhuǎn)矩大。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接，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)向傳動機構(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)上進行優(yōu)化設(shè)計，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，克服了伺服電機的缺點，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

為進一步驗證轉(zhuǎn)向系改進的可行性，本研究對轉(zhuǎn)向系在AMESim 軟件環(huán)境下進行了仿真建模。

2．1 AMESim 軟件簡介

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

2．2 轉(zhuǎn)向系子模型建立步驟

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

本研究建立轉(zhuǎn)角信號采集模型:根據(jù)實際情況運用兩個轉(zhuǎn)角傳感器和一個彈簧扭桿建立信號采集模型如圖2 所示。由兩個轉(zhuǎn)角傳感器的數(shù)值差得出轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化值。

圖2 轉(zhuǎn)角信號采集模型

主控制器對采集的信號進行分析處理，判別汽車的運動狀態(tài)，向轉(zhuǎn)向盤回正力電機和轉(zhuǎn)向液壓缸發(fā)送指令，控制兩個執(zhí)行機構(gòu)的工作，保證各種工況下都具有理想的車輛響應(yīng)，以減少駕駛員對汽車轉(zhuǎn)向特性隨車速變化的補償任務(wù)，減輕駕駛員負(fù)擔(dān)［6-7］。同時控制器還可以對駕駛員的操作指令進行識別，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)汽車處于非穩(wěn)定狀態(tài)或駕駛員發(fā)出錯誤指令時，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會將駕駛員錯誤的轉(zhuǎn)向操作屏蔽，而自動進行穩(wěn)定控制，使汽車盡快地恢復(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，通過轉(zhuǎn)向液壓控制器控制轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖［8-9］。液壓執(zhí)行元件為一個完整的液壓系統(tǒng)，它由油缸、油泵、電機、油路、節(jié)流閥、溢流閥、液壓缸構(gòu)成。所建的車輪AMESim 模型如圖3 所示。

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

圖3 車輪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力輸出裝置(即以液壓系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)向機構(gòu)的動力來源)方案的可行性分析，研究液壓系統(tǒng)在響應(yīng)時間方面的可行性問題。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)進行如下改進［10］。

(1)首先，本研究取消了轉(zhuǎn)向盤與車輪之間的機械連接，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號由傳感器接收，傳到轉(zhuǎn)向ECU 中進行處理，ECU 發(fā)出信號打開節(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，轉(zhuǎn)向輪的實際轉(zhuǎn)向角度反饋給ECU，經(jīng)ECU 計算處理后給轉(zhuǎn)向盤一個適當(dāng)?shù)淖枘?，使轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向角度與車輪轉(zhuǎn)向角度同步，并防止轉(zhuǎn)向力矩過輕造成轉(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，用模擬信號代替轉(zhuǎn)向盤轉(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)流閥流量推動液壓缸的產(chǎn)生一定位移，液壓缸的位移帶動轉(zhuǎn)向節(jié)臂和轉(zhuǎn)向輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)，完成的簡化系統(tǒng)如圖5 所示。其中由于本研究最終研究轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角度和輸入信號之間的時間響應(yīng)，筆者參照原有轉(zhuǎn)向輪結(jié)構(gòu)，搭建一個能輸出角度的轉(zhuǎn)向輪系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向輪由車輪質(zhì)量塊、彈簧減震器、力傳感器等組成，然后通過傳感器將力轉(zhuǎn)換成角度，得到車輪的轉(zhuǎn)角。

(3)最后，進行參數(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，輸入信號下限為－100 000，輸入信號上限為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):

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

3 仿真與結(jié)果分析

為模擬轉(zhuǎn)向盤輸入信號的真實性，本研究采用階躍信號和脈沖信號兩種形式模擬輸入，并分別分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對信號的跟隨性，得到兩種模式下系統(tǒng)的響應(yīng)，然后對響應(yīng)時間進行分析，判斷系統(tǒng)的快速反應(yīng)能否達到轉(zhuǎn)向要求。

本研究在轉(zhuǎn)向盤模擬輸入信號端輸入一個階躍信號，為使響應(yīng)時間更加精確，將取點間隔時間設(shè)置為0．00 001 s，將仿真結(jié)束時間設(shè)置為2 s，進行仿真模擬，得到階躍信號輸入與車輪轉(zhuǎn)角響應(yīng)的對比圖如圖6 所示。

圖6 階躍信號系統(tǒng)響應(yīng)

由結(jié)果分析知，轉(zhuǎn)向輪輸入信號時間為1 s，轉(zhuǎn)向輪響應(yīng)并達到穩(wěn)態(tài)的時間(當(dāng)響應(yīng)達到穩(wěn)態(tài)值的98%即視為達到穩(wěn)態(tài))為1．245 88 s，即系統(tǒng)響應(yīng)時間比輸入信號滯后0．245 88 s。在瞬時響應(yīng)滿足轉(zhuǎn)向的要求。

本研究參照上述仿真步驟，將階躍信號改為脈沖信號，分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)角跟隨輸入信號的情況。因為人從外界獲得信息，經(jīng)過大腦加工分析發(fā)出指令到運動器官開始執(zhí)行動作所需的時間為0．15 s～0．4 s，設(shè)置脈沖信號的頻率為1 Hz，在保證時間響應(yīng)精確的情況下分析3～4 組變化的情況，設(shè)置取點間隔時間調(diào)為0．000 01 s，仿真的總時間為4 s。進行仿真運算得到的結(jié)果如圖7 所示。

圖7 脈沖信號系統(tǒng)響應(yīng)

結(jié)合對階躍信號的分析可知，在信號發(fā)生改變時(0．5 s 時)系統(tǒng)已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài)，而第二次穩(wěn)態(tài)的時間為0．834 41 s，可見改進的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)跟隨輸入轉(zhuǎn)角變化滿足靈敏性的同時也滿足精確性的要求。

4 結(jié)束語

本研究采用液壓系統(tǒng)作為執(zhí)行機構(gòu)，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了柔性化改進設(shè)計，并進行了仿真驗證。研究結(jié)果表明，液壓系統(tǒng)的瞬時性(滯后0．245 88 s)完全滿足轉(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)計的要求，因此本研究改進的液壓線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠滿足預(yù)期設(shè)計要求，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研發(fā)提供了新的設(shè)計思路。

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