汽車主動(dòng)懸架與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)研究

黃立君 高志剛

摘?要：汽車底盤系統(tǒng)中主動(dòng)懸架和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為重要環(huán)節(jié)，它們相互影響、相互作用?；诖?，文章以汽車相關(guān)結(jié)構(gòu)概述為切入點(diǎn)，通過(guò)建立汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)汽車控制器，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)懸架和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，提高汽車運(yùn)行舒適性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：汽車;主動(dòng)懸架;電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向;轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)

汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，使得人們對(duì)汽車性能提出了更高要求，特別是操縱穩(wěn)定性與行駛平穩(wěn)性最受人們關(guān)注。而汽車懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為關(guān)鍵部件，對(duì)車輛行駛具有直接影響，也是廠商提高車輛性能的重點(diǎn)，主要是車輛行駛中，受限于不平整路面，可能會(huì)引發(fā)振動(dòng)，通過(guò)懸架、車輪、座椅及車身傳遞至人員身上，需通過(guò)懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減少駕駛員疲勞感。汽車作為復(fù)雜整體，行駛中轉(zhuǎn)向和懸架系統(tǒng)具有相互耦合影響，需加強(qiáng)集成控制，保證車輛行駛性能。

1?汽車相關(guān)結(jié)構(gòu)概述

1.1?主動(dòng)懸架

汽車系統(tǒng)較為復(fù)雜，行駛中由于轉(zhuǎn)向，受到路面不平和車速影響，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪產(chǎn)生振動(dòng)，降低車輛經(jīng)濟(jì)性，還會(huì)對(duì)車輛平順性造成影響，導(dǎo)致駕駛員操作車輛出現(xiàn)不適感，損壞車輛承載物及零部件，需以懸架作為保穩(wěn)減震的部件。車輛底盤中懸架是重要部分，也是車身和車輪傳力、連接裝置總稱，利用懸架能夠連接車橋和車身，傳遞車輪與車身力矩，減緩車輛行駛于不平路面的沖擊，確保駕駛員舒適和貨物完好（見(jiàn)圖1）。

根據(jù)圖片可知，彈性元件能夠緩和不平路面引發(fā)沖擊，保證車輪與車身彈性聯(lián)系;減震器能夠加快衰減車身與車架振動(dòng)，保證車輛穩(wěn)定行駛;導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由橫向、縱向推力桿組成，能夠傳遞車輪、車身力矩，保證車輪根據(jù)軌跡保持車架、車身穩(wěn)定。汽車行駛狀態(tài)不同，懸架性能要求不同，正常行駛要求懸架柔軟，轉(zhuǎn)彎制動(dòng)要求懸架堅(jiān)硬。本文研究主動(dòng)懸架，使得懸架系統(tǒng)阻尼特性和剛度可結(jié)合汽車行駛情況實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)處于減震最佳狀態(tài)，具有控制車身高度，兼顧操作穩(wěn)定性與平順性的優(yōu)點(diǎn)。

1.2?電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是車輛底板重要環(huán)節(jié)之一，能夠改變或恢復(fù)車輛行駛方向，結(jié)合不同轉(zhuǎn)向動(dòng)力源，將系統(tǒng)分為機(jī)械式、動(dòng)力式類型。本文以電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對(duì)象，人們對(duì)汽車轉(zhuǎn)向靈敏、輕便性能要求較高，機(jī)械轉(zhuǎn)向無(wú)法滿足需求，傳統(tǒng)腋芽系統(tǒng)盡管能夠解決輕便轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，卻易導(dǎo)致駕駛員高速行駛下喪失路感，也會(huì)增加油耗。采取電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，能夠利用ECU調(diào)節(jié)，滿足行駛工況對(duì)系統(tǒng)需求，應(yīng)用前景廣泛。

2?建立汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

車輛底板作為振動(dòng)的復(fù)雜模型，建立動(dòng)力學(xué)模型，是探究車輛行駛穩(wěn)定、平順的基礎(chǔ)前提，底盤系統(tǒng)較為復(fù)雜，需搭建相應(yīng)模型，便于仿真研究。

2.1?路面模型

車輛振動(dòng)是道路不平造成影響，不平度道路具有隨機(jī)性，路面平整作為復(fù)雜、隨機(jī)過(guò)程，難以統(tǒng)計(jì)分析。為簡(jiǎn)化研究，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO文件劃分路面不平度等級(jí)，功率譜密度公式如下：

Gq（n）=nn0-wGq（n0）（1）

其中，n0是參考空間頻率，為0.1m-1;n是空間頻率;Gq（n0）是路面不平度系數(shù);w是頻率指數(shù)，取2。路面功率譜密度是垂直方向位移功率譜密度，引入速度公路普密度，能夠補(bǔ)充統(tǒng)計(jì)路面不平度特性，一定范圍中幅值是常數(shù)，僅和Gq（n0）相關(guān)，可采取白噪聲通過(guò)成型濾波進(jìn)行描述，公式如下：

q1（t）=2πn0?Gq（n0）W（t）v-2πfn00q1（t）（2）

其中，n00是路面空間截止頻率;q1（t）是前輪路面激勵(lì);v是車速;W（t）是白噪聲;f是時(shí)間頻率。

2.2?主動(dòng)懸架模型

模型建立中考慮整車轉(zhuǎn)向、側(cè)傾、俯仰運(yùn)動(dòng)的氣度自由動(dòng)力學(xué)模型。公式如下：

Mv（φ+β·）-haM·aθ¨-sij=0（3）

其中，M是整車質(zhì)量;θ是俯仰角;Ma是簧載質(zhì)量;β是質(zhì)心側(cè)偏角;φ是橫擺角速度;sij是輪胎側(cè)偏力。前輪由于轉(zhuǎn)角小，輪胎線性模型?。?/p>

Fbij=（zbij-zcij）kbij（4）

其中，kbij是垂直剛度;zbij是非簧載質(zhì)量;Fbij是垂直荷載;zcij是路面輸入。

2.3?電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向模型

車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是基于機(jī)械轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，添加電動(dòng)機(jī)提供助力扭矩，輔以電控單元與扭矩傳感器，使得EPS工作中，ECU能夠接受車速、轉(zhuǎn)矩新藥控制電動(dòng)機(jī)，以此為轉(zhuǎn)向提供助力。

電動(dòng)機(jī)模型：

Bmθm·+Jmθm¨=Tm-（θm-Gθe）km（5）

轉(zhuǎn)向柱模型：

Bsθs·+Jsθs¨+Ts=Th（6）

輸出軸模型：

Beθe·+Jeθe¨=Ts+（θm-Gθe）Gkm-Tw（7）

其中，Jm是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Js是轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Je是減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Ts是轉(zhuǎn)矩傳感器獲得數(shù)值;Bs是轉(zhuǎn)向柱阻尼系數(shù);Be是減速機(jī)構(gòu)阻尼系數(shù);Bm是電動(dòng)機(jī)阻尼系數(shù);θm是電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角;θs是轉(zhuǎn)向柱旋轉(zhuǎn)角;θe是輸出軸旋轉(zhuǎn)角;Th是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩;Tm是電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;Tw是輸出軸轉(zhuǎn)矩;Ts轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)得數(shù)值;G是減速比。

3?汽車控制器設(shè)計(jì)

3.1?半主動(dòng)懸架控制

（1）模糊控制算法。模糊控制數(shù)利用豐富經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的自然語(yǔ)言進(jìn)行控制，能夠通過(guò)實(shí)際操作歸納數(shù)據(jù)，獲得控制規(guī)律，借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，無(wú)需了解控制對(duì)象模型，容易被人員接受，控制器設(shè)計(jì)不依賴精準(zhǔn)模型，適應(yīng)性良好。模糊語(yǔ)言值由多個(gè)模糊集和組成，描述輸出量和輸入量，以控制系統(tǒng)精準(zhǔn)度決定集合樹(shù)木，集合正負(fù)對(duì)稱，遵循模糊控制規(guī)則，將操作者控制經(jīng)驗(yàn)獲得的模糊條件集合為控制語(yǔ)句，以此完成模糊控制。

（2）模型不確定參數(shù)。整車模型中輪胎有4個(gè)，能夠引入不確定參數(shù)，以乘性不確定代表參數(shù)不確定性，公式如下：

ms=（emδm+1）ms—（8）

其中，-是公稱參數(shù)，|δm|<1，kn、ms代表輪胎剛度，分析實(shí)際模型變動(dòng)情況，取em數(shù)值0.3，應(yīng)用LFT將系統(tǒng)中δm不確定參數(shù)輸入輸出進(jìn)行計(jì)算。

（3）懸架性能指標(biāo)。汽車詢價(jià)系統(tǒng)對(duì)于汽車操作穩(wěn)定、平順具有直接影響，設(shè)計(jì)懸架系統(tǒng)需考慮性能指標(biāo)，具體指動(dòng)撓度、平順性、等效控制力、輪胎動(dòng)載荷。

（4）搭建模糊控制模型。建立SFunction接口，搭建懸架模糊控制器與路面模型戶運(yùn)行仿真，添加LMS?AMESim前綴代表順利連接接口，根據(jù)AMESSim采集的車身垂向速度、垂向加速度信號(hào)，利用模糊控制，以此輸出懸架阻力控制力，反饋?zhàn)枘峥刂屏χ淋浖p震系統(tǒng)，提高車輛穩(wěn)定性。

為保證結(jié)果準(zhǔn)確，選用兩種路面輸入激勵(lì)仿真，B級(jí)路面和C級(jí)路面，選擇速度50km/h，利用軟件仿真車輛模型。以此可知，B級(jí)路面輸入模型垂直加速度降低，改善了動(dòng)行程比，輪胎動(dòng)荷載無(wú)顯著變化;C級(jí)路面下垂直加速度、動(dòng)行程比也有所改善，保證了車輛行駛穩(wěn)定性。

3.2?電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制

（1）PID控制算法。PID控制是采取比例、積分、微分控制規(guī)律方式，吸取PD和PI控制優(yōu)點(diǎn)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少超調(diào)量，應(yīng)用PID控制器中，比例控制能夠穩(wěn)定系統(tǒng)，以微分控制調(diào)節(jié)偏差，以積分控制消除余差，合理調(diào)節(jié)控制參數(shù)后，能夠?qū)ID控制優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮出來(lái)。PID控制應(yīng)用廣泛，靈活使用，僅需設(shè)置參數(shù)值，即可實(shí)現(xiàn)多樣化控制，具有原理簡(jiǎn)單、控制便捷、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)控制對(duì)象調(diào)節(jié)參數(shù)，不會(huì)隨被控對(duì)象特性產(chǎn)生較大變化，適用于工業(yè)工程。

（2）控制系統(tǒng)。車輛轉(zhuǎn)向中，為增強(qiáng)車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，需合理控制電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。車輛行駛時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向，輸入轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)向轉(zhuǎn)矩信號(hào)轉(zhuǎn)變，ECU接收轉(zhuǎn)矩信號(hào)和車輛速度信號(hào)，處理分析即可獲得電流信號(hào)，減去助力電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電流信號(hào)，可通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制轉(zhuǎn)矩輸出，經(jīng)過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到控制效果。根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)向系統(tǒng)情況，利用PID控制助力轉(zhuǎn)向，在AMESim軟件構(gòu)建模型，創(chuàng)建接口，輸入量助力特性曲線圖和反饋電流，從模型輸入值接口，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)入仿真模式，PID結(jié)合軟件采集助力特性曲線及反饋電流，借助PID控制電壓信號(hào)，提高車輛穩(wěn)定性。

4?汽車主動(dòng)懸架和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)集成控制

4.1?提出集成控制

懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成控制中，能夠利用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供助力矩，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)作用至車輪，地面能夠產(chǎn)生橫向力，加快車輛橫向加速度，使得車輛進(jìn)行離心運(yùn)動(dòng)，存在慣性作用會(huì)使得車輛傾斜，影響懸架控制側(cè)傾角與動(dòng)撓度。懸架系統(tǒng)中，輸入路面干擾會(huì)造成側(cè)傾、俯仰、簧載質(zhì)量垂向運(yùn)動(dòng)，需重新分配車輛車輪荷載，影響轉(zhuǎn)向控制。而集成控制中，可分為協(xié)調(diào)、分散及集中控制，其中，集中控制是對(duì)整體子系統(tǒng)構(gòu)件數(shù)學(xué)模型，設(shè)置控制器實(shí)現(xiàn)集成控制，子系統(tǒng)互相耦合，可采取現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)控制器，卻由于控制器與系統(tǒng)模型階數(shù)高，難以有效實(shí)施;協(xié)調(diào)控制能夠單獨(dú)建立子系統(tǒng)模型，設(shè)置控制器，以上層協(xié)調(diào)方式調(diào)節(jié)系統(tǒng)耦合關(guān)系。協(xié)調(diào)控制便于擴(kuò)展系統(tǒng)，提高可靠性，設(shè)計(jì)便捷，本文采取協(xié)調(diào)控制方式，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)懸架和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向集成控制。

4.2?協(xié)調(diào)控制過(guò)程

在協(xié)調(diào)懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，需設(shè)計(jì)獨(dú)立懸架控制器，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性與模型精確性，建模中考慮不確定因素，對(duì)于轉(zhuǎn)向和懸架系統(tǒng)相互影響、作用不考慮，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)控制器任務(wù)，降低系統(tǒng)建模難度。在單獨(dú)涉及轉(zhuǎn)向控制器中，也不考慮相互影響，采取簡(jiǎn)單線性二自由度模型和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)控制器，完成獨(dú)立控制器后，考慮系統(tǒng)耦合關(guān)系，以此實(shí)現(xiàn)集成控制，直接將獨(dú)立控制器接入整車系統(tǒng)，無(wú)需對(duì)控制器重新設(shè)計(jì)，利用上層協(xié)調(diào)器對(duì)系統(tǒng)耦合關(guān)系加以協(xié)調(diào)（見(jiàn)圖2）。

汽車轉(zhuǎn)彎中，EPS系統(tǒng)結(jié)合方向盤操縱轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角輸入調(diào)節(jié)助力轉(zhuǎn)矩，SAS控制器結(jié)合車輛狀態(tài)進(jìn)行詢價(jià)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，不考慮協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)將根據(jù)最佳性能完成單獨(dú)控制，使得車輛橫擺角速、側(cè)傾角及懸架動(dòng)擾度難以達(dá)到優(yōu)化狀態(tài)，較大的車身側(cè)傾角，會(huì)導(dǎo)致汽車產(chǎn)生危險(xiǎn)情況。利用協(xié)調(diào)控制中，控制器需結(jié)合車身俯仰角、橫擺角速度、側(cè)傾角度等狀態(tài)信號(hào)，協(xié)調(diào)EPS與SAS系統(tǒng)，以模糊控制設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)控制器。在控制中，汽車信號(hào)輸入控制器，輸出額外作用力用于SAS系統(tǒng)，產(chǎn)生作用力控制懸架，車輛左轉(zhuǎn)中，以左前輪為例，協(xié)調(diào)控制器的輔助作用將會(huì)根據(jù)懸架動(dòng)撓度增大逐漸減小。

協(xié)調(diào)控制器采取單輸出、輸入一維控制器，根據(jù)輸入信號(hào)設(shè)置單獨(dú)控制器，各有規(guī)則庫(kù)與隸屬度函數(shù)，使得助力系統(tǒng)和往外作用力均由4個(gè)輸出量疊加構(gòu)成，通過(guò)調(diào)節(jié)加權(quán)系數(shù)，協(xié)調(diào)控制中控制輸入信號(hào)大小，通過(guò)轉(zhuǎn)變甲醛稀釋，增加對(duì)橫擺加速度與側(cè)傾角度控制。例如，車輛左前輪，以懸架動(dòng)撓度為輸入量，基本變化量是[-0.1，0.1]，量化因子選擇10，控制偏差E論域，劃分語(yǔ)言變量為模糊集，隸屬函數(shù)應(yīng)用三角函數(shù)。輸出量論域Z同樣劃分語(yǔ)言變量為模糊集，以重心法計(jì)算，輸出比例系數(shù)是150，獲得等效輔助數(shù)值，重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文建立路面模型、主動(dòng)懸架模型及電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向模型，立足于模糊控制閥與PID控制措施，設(shè)計(jì)汽車控制器，采取單輸出、輸入一維控制器，根據(jù)輸入信號(hào)設(shè)置單獨(dú)控制器，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，可有效降低輪胎動(dòng)位移與懸架動(dòng)撓度，改善汽車穩(wěn)定性。

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