类菱形车电控后轮随动转向系统研制（可编辑）

类菱形车电控后轮随动转向系统研制（可编辑） 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 ‘ ‘ 学校代号: 学号: 密级:公开 湖南大学硕士学位 类菱形车电控后轮随动转向 系统研制,... ,湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个 人或 集体己经发或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体, 均 ’ 己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 日期:叫。年歹月矽日 昊乙万 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和 借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检 索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 、保密口,在??年解密后适用本授权书。 、不保密盯。 请在以上相应方框内打“?” ;乏乙万 作者签名: 日期:州。年月?日 导师签名: 日期:纠。年歹月哆日硕士学位论文 摘要 本文以一款类菱形车为研究对象,在分析原有前后轮机械联动转向机构优缺 点的基础上,提出电控后轮随动转向系统设计方案,论文详细讨论了 的系统构成、工作原理以及控制策略和算法。 根据降阶建模思想推导出菱形车电控后轮随动转向系统数学模型。以零偏角 为控制目标提出比例前馈型后轮随动转向控制策略,并采用控制器对转向机 构伺服控制。在中建立仿真模型,通过与实验结果对比分析验证模 型的正确性。在阶跃转向工况下仿真分析对车辆操纵稳定性的影响。仿真结 果表明,采用后类菱形车的高速操纵稳定性得到一定改善。 开发了类菱形车电控后轮随动转向控制系统。硬件开发的主要工作包括电源 模块、外围电路、电机驱动及保护电路、信号处理电路和故障报警电路的设 计。软件开发工作包括初始化模块设计、控制算法设计、数字滤波器和主程 序设 计等。 研制了样机,并在实车上对样机的主要功能进行试验验证。试验结果表 明,能快速、准确且稳定地实现后轮随动转向的控制。 关键词:类菱形车;后轮随动转向;前轮比例前馈控制 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 . , , . .. .. ? .. . . 托. ,. . , , , .,. , , . 王: ,, . : ; ; . ?硕士学位论文 目 录 学位论文原创性声明? 摘 要..目 录. 第章绪论?.. .课题背景? .国内外研究现状与发展趋势 ..车辆转向技术发展现状与趋势 ..类菱形车转向系统研究现状? .主要研究内容 第章电控后轮随动转向系统设计一 .前后轮机械联动转向系统分析.电控后轮随动转向系统技术方案. .. 的基本组成? .. 的工作原理. .. 的优点.机构设计..转向阻力矩的测试 ..转向执行机构的设计? ..转向电机的匹配? ..减速机的匹配? ..传感机构的设计 .本章小结第章随动转向系统控制策略与算法.电控后轮随动转向系统数学 模型? ..转向电机模型? ..齿轮齿条动力学模型? ..转向轮组件动力学模型??” ..线性轮胎模型.整车二自由度动力学模型一 .转向电机伺服控制? ????,..?类菱形车电控后轮随动转向系统研制 .电控后轮随动转向控制策略 .随动转向系统仿真分析?一 .. 仿真模型的测试与验证? ..随动转向仿真分析?“ .本章小结? 第章电控后轮随动转向控制系统设计?“ .随动转向控制器硬件设计? .随动转向控制器软件设计 ..软件系统总体结构 ..初始化程序设计? ..控制算法设计? ..数字滤波器设计? ..主程序设计.控制系统设计中的抗干扰..硬件抗干扰措施 ..软件抗干扰措施 .本章小结?一 第章后轮随动转向系统测试与验证.试验设备.试验及分析 .本章小结? 第章结论与展望.结论 .展望 参考文献? 致谢?” 附录攻读学位期间所发表的学术论文和专利目录??一 硕士学位论文 第章绪论 .课题背景 转向系是汽车的一个重要组成系统,其功能大体可分为两部分,其一是驾驶 员通过转向盘控制转向轮绕主销的转角来操纵汽车运动的方向;其二是凭借方向 盘反作用力,将整车及轮胎的运动、受力状况反馈给驾驶员【。 在汽车电子飞速发展的今天,主动悬架、、,以及等底盘控制 技术已经在汽车上得到了应用。这些技术的采用使汽车的动力学特性,特别是在 非线性区、极限工况下的动力学特性得到了改善,。在汽车的操纵性、安全性以及 舒适性方面取得了良好的效果。在汽车转向方面,和等电子转向技术的 应用,提高了汽车的响应特性,改善了线性区的汽车动力学特性。由于汽车转向 系统是决定汽车主动安全性的关键总成,所以如何设计车辆转向系统,使汽车具 有良好的操纵性能,一直都是车辆设计人员的重要研究课题。特别是在车辆高速 化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天,针对更多不同水平的驾驶人群,汽 车的易操纵性设计显得尤为重要。而汽车电子技术是用来改善和提高汽车性能最 有效的技术手段。 底盘是车辆的重要组成部分,车辆的转向系统、传动系统和行驶系统等都安 装在底盘上。对于乘用车来说,底盘的设计关系到车辆的操稳性、舒适性、 动力 性、经济性和通过性。在底盘设计中,操稳性是第一位的。湖南大学钟志华教授 从机动性、碰撞安全性和经济性等方面出发,打破传统车辆底盘布置方式,创造 性地提出了类菱形底盘【】即前后各布置个车轮,中间轮轴布置个车轮, 通过采用菱形的底盘和车身设计,整车呈梭形。 图.和图.分别为类菱形底盘车轮布置图和传统底盘车轮布置图。 图.类菱形底盘车轮布置图 图.传统底盘车轮布置图 在类菱形车设计中,中间两轮为驱动轮,前、后轮为转向轮。由于车轮采用 菱形布置方式,传统车辆的转向系统不能直接应用到类菱形车上,所以必须根据 类菱形车底盘的特点设计出一套灵活、可靠的转向系统。类菱形车电控后轮随动转向系统研制 .国内外研究现状与发展趋势 目前,国内外己对汽车转向系统做了大量研究。研究方向主要有三个方面: 助力转向控制技术; 主动转向控制技术; 四轮转向技术。 同时随着电子技术的发展、控制理论的成熟,电控技术在汽车转向系统上的 应用将逐渐普及。 ..车辆转向技术发展现状与趋势 自 年第一辆汽车诞生以来,转向系统就作为汽车的重要总成之一。随着 汽车工业技术的发展和提高,各种现代化的工业技术也被应用到汽车转向系 统上。 汽车转向系统一百多年的发展历程可分为:机械式转向系统;传统液压助 力转向系统;电控液压助力转向系统;电动助力转向系统; 四轮转向系统;主动前轮转向系统等。图.展示了当前汽车转 向系的主要分类。 翮 动力转向系 机械转向系 齿 主 电 四 电 轮 控 动 轮 液 动 齿 液 前 压 助 转 条 压 轮 向 力 式 孙 式 兆 转 式 式 式 向双 机 电 小 转 整 分 电 滑 转 齿 电 小 械 控 齿 向 体 置 子 刚阀 条 动 齿 式 轮 电 轴 式 式 式 式 式 助 油 轮 主 助 磁 助 泵 助 力 动 力 阀 力 线 .一 力 式 式 刖 式 式 式 控 式 轮 转 转 向 向 图.车辆转向系分类 硕士学位论文 一 机械转向系统 机械转向系统 ,以驾驶员的体力作为转向能源,其中 所有的传力件都是机械的【。机械转向系统在前轮负荷过大时往往导致转向沉重, 很难协调轻便性和灵敏性二者之间的矛盾。采用变传动比的转向器只能部分地缓 解“轻与“灵”之间的矛盾,并不能从根本上解决问题且加工复杂、传动效率 比定传动比低【】。但是凭借其简单、可靠、经济等优点,在目前一些小排量经济 型轿车中仍采用机械转向系统。 机械式液压助力转向系统 机械式液压助力转向系统 ,首先在重型车辆 上得到发展,这是因为重型车辆的转向阻力大,单靠人力实现很难转向,只能加 装转向助力装置。除了具有传统的机械转向器外,需增加液压泵、油管、压 力流量控制阀体、型传动皮带、储油罐等。’ 依靠转向盘转动时带动扭杆直接改变液压系统油路的通道截面积来提供 可变助力,助力的大小与车速的高低没有关系,只与转向盘角度有关。转向盘转 过的角度越大,液压系统提供的助力也就越大【.。 的产生部分地解决了“轻”与“灵”之间的矛盾,减轻了驾驶员的劳动 强度,但仍存在着许多缺点: 的液压泵通过带由发动机带动,无论汽车是否有转向操作, 总处于工作状态,所以能耗较高; 的转向传动比固定,使车辆转向响应特性随车速、侧向加速度等变 化而变化,驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相位的变化进行一定的操作 补偿,从而控制汽车按照其意愿行驶。这样增加了驾驶员的操作负担,也使汽车 转向行驶中存在不安全隐患【】; 有关设计参数选定后,的助力特性就固定了,转向力不易控制 此外还存在结构复杂、易产生泄漏和不易安装与维护等不足之处。目前 技术已经很成熟,能够提供足够大的助力,已成为大部分轿车的标准装备。 电控式液压助力转向系统 电控式液压助力转向系统 ,是在 机械式液压助力转向系统的基础上发展起来的。主要有电控电磁阀式和电动 油泵式。 电控电磁阀式在的基础上增加了车速传感器、电子控制单元 和电磁阀等。主要通过传感器将汽车运行中的各种非电量信号如车速信号 转变为电信号,由判别汽车的运行状态,以此来控制电磁阀线圈的电流,从 而控制动力转向系统中压力油的流量,再由液压油控制执行机构进行转向动作。类菱形车电控后轮随动转向系统研制 正常转向时,电机低速运转,提供少量的液压油;当快速转向时,电机加速,以 提供足够的液压油;转向盘不动时,电机可停转或低速运转,从而减少了能耗。 电动油泵式采用直流电机代替发动机驱动油泵,电动机由蓄电池直接供 电。控制器根据车速信号、转向盘转速信号控制电动机转速,从而控制油泵的流量, 达到变助力转向的目的。采用电机驱动油泵后使油泵布置容易,不必布置在发动机 附近。在没有转向操作时,电动机以较低转速运转甚至停止运转,因而可以降低能 量消耗一】。 具有结构紧凑、助力大小可变、节能等优点,是目前先进的汽车转向系 统之一,但液压装置的存在,使得系统仍存在着结构复杂、易产生泄漏、不易 安 。 装维护、成本高等缺点【】。目前主要应用于中高级轿车上如 电动助力转向系统 电动助力转向系统 ,利用电机为驾驶员提供适 宜的辅助力。有转向轴助力式 ,.、小齿轮助力式 ,.、双小齿轮助力式 ,.和齿条助力式 , .等三种结构形式。一般由助力电机、电磁离合器、减速机构、车速传 感器、转矩传感器及电子控制单元构成。 尽管有不同的结构形式,但其基本原理一致。当驾驶员操纵转向盘转向 时,装在转向柱上的转矩传感器将不断地检测作用于转向管柱扭杆上的转矩与转 向盘转角信号,同时车速传感器也不断地采集车速信号,这些信号被实时地输入 ,再对输入信号进行运算处理,并根据助力特性确定助力转矩的大小及 方向,从而控制电动机的输出助力转矩及转向。电动机经减速机构将转矩输入至 转向器,转向器再将转矩传递至前轮转向横拉杆,最终达到为驾驶员提供转向助 力的目的?。 在国外,经过二十多年的发展,其技术日趋完善,其应用范围已经从最 初的微型轿车向更大型轿车和商用车方向发展。在国内,电动助力转向系统 发展 相对较晚,但开发速度很快,已有几款轿车配备了国产..正处于研发 阶段,.领域尚未涉足,与国外仍有较大差距。 四轮转向系统 作为改善汽车操纵性能最有效的一种主动底盘控制技术一~四轮转向技术 ,,于二十世纪年代中期开始在汽车上得到应用,并 伴随着现代汽车工业的发展而不断发展。四轮转向汽车是在前轮转向系统的基础 上,在汽车的后悬架上安装一套后轮转向系统,两者之间通过一定的方式联系, 使得汽车在前轮转向的同时,后轮也参与转向,从而达到提高汽车低速行驶的机 动性和高速行驶的稳定性【。按照后轮转向的驱动方式可分为机械式、电 硕士学位论文 控液压式、电控电动和复合式等四种形式。下面简要介绍电控电动 式四轮转向系统的工作原理。 转向时,传感器将前轮的转向信号和汽车运行状态的信号输入四轮转向电子 控制单元,对信号进行分析计算后输出后轮转向驱动信号至后轮转向 执行机构,后轮转向执行机构执行动作并通过后轮转向传动机构驱动后轮偏转。 同时,不断地监测车辆运行状况,计算目标后轮转角与实际后轮转角的差值, 以实时调节后轮转角。 在技术相对成熟的四轮转向汽车中,大多采用电控液压式四轮转向系统。由 于液压系统的固有缺陷,将制约电控液压式四轮转向系统的进一步发展。随着电 子技术、电机技术的飞速发展,电控电动式四轮转向系统在技术上的不断完善, 在转向控制性能、系统布置、节能等方面越来越显示了其优越性,应用前景广阔, 必将取代电控液压式四轮转向系统,成为四轮转向系统发展的主流【。 主动前轮转向系统 主动前轮转向系统 是改善汽车操纵性能的另一种汽 车底盘主动控制技术。主动前轮转向技术的核心在于通过对前轮施加一个不依赖 驾驶员转向盘输入的附加转角来提高车辆的操纵性、稳定性和轨迹保持性能【。 根据附加转角叠加方式的不同,可分为机械式和电子式【,。机械式的代表为德 国宝马公司与公司联合开发的主动转向系统;电子式的代表就是线控转向系统 。 宝马机械式主动转向系统保留了传统转向系统中的机械构件转向盘、转向 管柱、齿轮齿条式方向机和转向横拉杆,通过集成在转向柱上的行星齿轮机构增 加一个输入自由度从而实现附加转向。图.为宝马机械式主动转向系统原理图。 图.机械式主动转向系原理图类菱形车电控后轮随动转向系统研制 低速时,伺服电机驱动的行星架转动方向与转向盘转动相同,叠加后增加了 实际的转向角度,可以减少转向力的需求。高速时,伺服电机驱动的行星架转动 方向与转向盘相反,叠加后减少了实际的转向角度,转向过程变得更为间接,提 高了车辆的稳定性和安全性【,。 线控转向系统与传统的机械式刚性转型系统的不同之处在于转向盘和转向轮 之间使用电子线路连接。典型的前轮线控转向系统主要由转向盘模块、转向执行 模块和电控单元三个部分组成。图.为线控转向系统结构示意图。 图.线控转向系统结构不意图 线控转向系统的工作原理是,转向盘转角传感器将检测到的转向数据信号以 及汽车运动中的各种信息通过数据总线传递给电控单元,电控单元对这些信息综 合分析,根据自身的内部控制策略,向转向执行系统发出指令,进行转向操作。 与此同时,电控单元通过分析转向盘转角、车轮转角等信号,控制转向盘回正电 机,从而模拟出相应的“路感”’。 线控转向和机械式主动转向系统最大的区别体现在当系统发生故障时,机械 式主动转向系统仍能通过转向盘与车轮间的机械连接确保其转向性能,而线控转 向必须通过系统主要零件的冗余设计来保证车辆的安全性。此外,由于机械式主 动转向系统中保留了完整的机械转向结构,在转向过程中可以获得真实的路感, 这一点是线控转向所不具备的。因此,从转向系统安全性和路感的角度出发,机 械式主动转向是当前转向系统发展的一个重要方向。线控转向技术由于受到法规 硕士学位论文 的约束,可靠性是阻碍其投入实际应用的最关键因素【?。目前只有少量的量产 车装备机械式主动前轮转向系统,而线控转向系统尚处于研究阶段,只出现在一 些概念车或原型车上。 ..类菱形车转向系统研究现状 钟志华教授提出类菱形概念至今已有十余年,其科研团队对类菱形车进行了 大量研究,已成功开发了类菱形轿车、类菱形混合动力车、类菱形电动车、类菱 形客车及类菱形月球车。其科研团队在类菱形车转向系统方面,主要进行了如下 研究: 郑军对首款类菱形概念车进行了前期理论分析【:针对类菱形概念车与传统 车辆的舒适性与操纵性展开对比分析,对比结果表明新概念车在这两方面是完全 ’ 可行的,为类菱形概念车的应用研究打下了良好的理论基础。 黄智对类菱形车转向性能进行了分析【:采用线性三轮模型分析菱形新概念 车的转向性能,并推导出转向稳定性因子和横摆角速度增益传递函数,最后通过 自由度非线性模型的仿真,分析了菱形车的阶跃转向响应特性。 查云飞对类菱形车的转向传动机构进行了设计与分析【】:提出前后轮联动的 转向机构,通过解析法推导出整个转向传动机构间的相互关系,最后通过 仿真验证了其的正确性。查云飞还对类菱形车转向回正问题进行了分析【】: 采用弹簧回正机构驱动菱形车转向系统的转筒回转,实现转向轮的回正。通过对 菱形车的转向阻力矩和回正力矩的分析,得出要使转向轮实现回正需要施加的外 加力矩,并推导出弹簧回正机构的曲线方程。 .主要研究内容 本文以设计满足类菱形车低速行驶机动性和高速行驶稳定性要求的电控后 轮 随动转向系统为目标,提出的设计方案,基于研究对车 辆操纵稳定性影响,研制类菱形车电控后轮随动转向系统。 具体研究内容及组织结构如下: 第一章绪论,论文研究背景,介绍当前车辆转向技术方面的发展现状与趋势 及类菱形车转向技术的研究现状,提出本文的研究内容。 第二章提出电控后轮随动转向系统的设计方案,并进行相应的匹配 设计。 第三章推导电控后轮随动转向系统的数学模型,建立相应的 仿真模型。提出最小侧偏角为目标的随动转向控制策略,并与机械联动转向 系统 进行了对比仿真分析。 第四章分析后轮随动转向电控系统的功能需求,设计电控系统的软硬件 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 设计。 第五章对类菱形车电控后轮随动转向系统进行初步测试,验证了设计的可行 性,转向系统达到设计要求。 第六章对全文进行总结和展望,概述本文完成的主要工作及创新点,并指出 需进一步开展的研究工作。 硕士学位论文 第章电控后轮随动转向系统设计 由于类菱形车底盘结构的特殊形式,无法直接采用传统车辆的转向系统,必 须设计一套符合类菱形底盘要求的转向系统,该转向系统应达到以下主要目 标: 使前后轮联动转向; 系统运行稳定可靠,抗干扰性强; 转向轮能快速响应驾驶员的操作指令; 方向盘在无需转向时应及时回正; . 使车辆满足低速机动性和高速稳定性的要求; 执行效率高,结构紧凑,布置方便; 保证驾驶员对车辆的可靠操纵。 .前后轮机械联动转向系统分析 类菱形车转向系统经过十多年的发展, 目前已开发出一套简洁高效、符合类 菱形底盘要求的前后轮机械联动转向系统。 转向系统及其底盘布置分别如 图.、 .所示。 图.前后轮机械联动转向系统 一前轴;一前转向节;,,一前轮转向杆系;一转向管柱;一转向齿扇; 一转向小齿轮;一转向回正辅助机构;一方向盘;,,一中间传动杆系; ,一后轮转向杆系;一后轴;一后转向节 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 ,??,??,??,???????,?? 图.前后轮机械联动转向系统底盘布置主视图 ?,??? 图.前后轮机械联动转向系统底盘布置俯视图 一前转向轮;一前轮转向传动机构:一方向机;一转向回正辅助机构; 一方向盘:一中轮:一前后联动机构;一后轮转向传动机构;一后转向轮 装备前后轮机械联动转向系统的类菱形车转向示意图如图.所示。图.为 传统车辆的转向示意图。 .,??,????? 图.传统车辆转向示意图 图.类菱形车转向示意图 由转向中心到外转向轮与地面接触点的距离称为汽车转弯半径。转弯半径 尉哒小,则汽车转向所需场地就越小即具备更优的机动性。下面对比分析类 菱形 硕士学位论文 底盘与传统底盘的转弯最小半径。 对于类菱形车而言,转向轮无内外之分,如中轮所在的轴位于前后轮连线的 中垂线上,则其转弯半径尺为: . 尺:上一 万 对于传统底盘布置形式,当外转向轮偏转角达到最大值时,转弯半径最小。 由图.可知,传统车辆转弯半径为: . ? 拶 由式.和式.可知,在相同轴距和转角的情况类菱形车的转弯半径仅为传 统轿车的一半。因此采用前后轮联动转向的最大优点就是能使能使类菱形车 获得 较小的转弯半径,具备良好的机动性。 所设计的前后轮机械联动转向系统还具备如下优点: 系统紧凑、高效; 具备良好的回正性能。 但存在如下不足: 前后轮转向角比例系数为固定值.,为使类菱形车获得与普通车相 似的高速转向性能,所需的转向传动机构复杂; 转向系布置困难。类菱形车的前后轮为转向轮,中轮为驱动轮,转向传 动机构受悬架、动力布置及地板高度的限制,设计难度大。 .电控后轮随动转向系统技术方案 为克服前后轮机械联动转向系统的不足之处现提出电控后轮随动转向系统 的 设计方案,即保留原有前轮机械转向,后轮采用电控随动转向,前后轮转向角 比 例系数可根据车辆的工况自动调整。通过调整前后轮转向角比例系数可以大 大地 提高类菱形车高速时的转向稳定性【。 .. 的基本组成 电控后轮随动转向系统主要由前轮转角传感器、后轮转角传感器、 车速传感器、电控单元、转向电机、减速器、齿轮齿条式机械转向 机构等组成。类菱形车电控后轮随动转向系统底盘布置如图.所示。类菱形车电控后轮随动转向系统研制 ,, :.?.,????? 图.类菱形车电控随动转向底盘布置图 一前轮;一方向机;一前轮转角传感器;一组合开关;一方向盘:一中轮; 一控制器;一直流电机;一减速机构;一齿轮齿条传动机构; 一后轮转角传感器;一车速传感器:一后轮 .. 的工作原理 车辆转向时,车轮转角传感器和车速传感器实时检测前后车轮的转角及车速, 控制器根据传感器输入信号计算后轮目标转角和电机输出力矩。电机的输出力矩 由减速机构减速增扭后通过齿轮齿条式机械转器驱动后轮转向,直至后轮转向至 目标角度。当电气故障时,安装在驾驶室的故障指示灯将不断地闪烁以提醒 驾驶 员及时排查故障源,同时后轮在回正力矩的作用下仍可回正,由前轮机械转 向实 ?,.:,?,,?,????,??,????硕七学位论文 现对车辆的操纵。 蓄电池 .? 后轮转向 ?叫后轮 叫转向电机卜 传动机构 僦黼能器 后轮转角传感器?? 一故障指示灯 车速传感器, 图. 工作原理图 .. 的优点 后轮电控随动转向系统的前后轮转角比例系数可变,低速时前后轮转向 相反,具有较小转弯半径,中高速时后轮随动转向角减小甚至同向,改善高速 操 纵稳定性。 后轮随动转向机构传动具有可逆性,当电气故障时,后轮在回正力矩的 作用下仍可保持直线行驶,由前轮机械转向实现对车辆的操纵。 前后转向轮间无传动机构,避免与悬架、传动机构及地板等干涉。 .机构设计 ..转向阻力矩的测试 汽车的最大转向力矩发生在汽车原地转向时,目前国内普遍采用公式.】 进行原地转向阻力矩估算。 . 乙一吾?譬??所 式中,产一轮胎与地面的滑动摩擦系数,一般. 广一一后轴轴荷,满载工况: 尸一一轮胎气压,尸 由式.计算的原地最大转向阻力矩为.,为保证可靠地选取电机进 行后轮原地转向阻力矩的测试满载工况下,测试结果如表.所示: 表.原地转向阻力矩测试结果 为保证类菱形车具备良好的回正性能,设计时取后轮主销后倾角为。,较 传统车辆大,因此实际测试的结果比经验公式估算的结果大,以实际测试结 果进类菱形车电控后轮随动转向系统研制 行系统的匹配设计。 ..转向执行机构的设计 转向电机的输出扭矩经减速机减速增扭后输入转向执行机构, 转向执行机 构 通过转向拉杆驱动转向节绕主销转动,实现后轮转向。 转向拉杆及后 采用齿轮齿条传动机构作为转向执行机构。将转向执行机构、 转向节等效为摇杆滑块机构进行分析,系统简图如图.所示。 在设计中应避免发生死点的情况,通过作图法可确定车轮转动过程中齿条的 行程和转向拉杆的长度。 利用/建立齿轮齿条、转向拉杆及转向节的仿真模型,得到单位 转向小齿轮位移所对应的转向小齿轮与转向节的角传动比幻。在转向过程 中, 该传动比为变化值,变化曲线如图.所示。取中间值 用于随动转向驱动电机 的匹配设计,最后再校验取最小值幻时能否满足工作要求。 :?,: 图.转向执行机构运动简图 一主销:一转向节;一转向拉杆;一齿条;一转向小齿轮;一后轴 ./ \ 。\ // / ./ ? 。 后轮转角西/。 硕士学位论文 图.角传动比变化曲线 ..转向电机的匹配 转向电机是后轮随动转向机构的动力源,对其的选择将直接影响系统性能的 优劣。为满足后轮转向的要求,在结构和使用性能上,转向电机和汽车上其它 通 用电机相比有更高的要求。不仅要求低速大转矩、波动小、转动惯量小、尺 寸小、 重量轻,而且要求可靠性高、易于控制。 永磁直流有刷电机技术成熟,过载能力大,在电动助力转向应用中的使用寿 命和成本优势得到了认可。因此本课题选用额定电压为的永磁直流有刷电 机。 为可靠地实现后轮随动转向,电机所需输出的扭矩应满足: . ,乙一?向导 式中,幻一一系统安全系数,取幻.; 广一一减速机的传动比; 厂?一转向器的角传动比; 瑁广一一减速机的效率; 珂厂?一转向器的效率。 在驾驶员急打方向盘的情况下,取后轮单侧转动。所需时间为.,则后 轮转动角速度国,为: 织:竺×旦:.钳/ 缈,??×??.矿/ . 依据车辆原地转向测得的最大转向阻力矩和后轮转动角速度,可得在驾驶员 急打方向盘的情况下,实现后轮转动所需的输入功率为:? 。。:生也:塑兰丝:.脚 ~一 则电机所需的输出功率应满足: . ‰懈?如地堕 亡 式中,幻一一系统安全系数,取幻.; 『?..,. 初步选取电机减速机的减速速比,转向器的效率瑁为%,减速机的效 率叩,为%。由式.和式.可得: 嗍?.?,己础? ?.? 结合该车蓄电池配置以及确定的转向电机类型,选择国内某厂生产的永磁直 流有刷电机作为转向电机。电机主要性能参数如表.所示。类菱形车电控后 轮随动转向系统研制 当转向小齿轮与转向节的角传动比取最小值幻时,验证电机转角能否满足 需求: 竺 三坠: :.?.砌 ××.×. ‘刁 电机输出转矩能满足低速大转角工况要求,因此所选电机及所设计的转向传 动机构满足要求。 ..减速机的匹配 转向电机减速机的传动比是匹配设计的重要参数,其主要从以下几个方 面影响着系统的性能: 减速器的传动比对转向电机的输出扭矩起到放大作用,从而间接影响 系统的力学特性; 减速器的传动比还对转向电机的转动惯量等电机参数起放大作用,将间 接影响到系统的动态响应性能; 减速器传动比的大小还会影响减速器的尺寸、布置空间以及传动效率和 逆效率。 选择电机时初步选取转向电机减速机的减速比为,同时为保证在发生电气 故障时后轮能在回正力作用下能够回正,减速机必须具备可逆性。 目前机械传动中常用到的减速传动方案主要有蜗杆蜗轮传动、圆柱齿轮传 动、 锥齿轮传动、链传动、带传动等。各种传动方案各有优缺点,考虑后轮转向 机构 必须具备可逆性及布置空间,选用由尼龙材料制成的蜗杆蜗轮传动机构加一级齿 轮传动方案。具体减速机参数如表.所示: 表.转向电机减速机性能参数 ..传感机构的设计 在的开发中,前后轮转角传感器的选择是一个十分重要的部分。转角传 感器的匹配应主要考虑传感器的类型、量程、精度、工作条件等因素。本设计采 用的传感器为精密导电塑料角位移传感器,其电气角度。,机械角度 硕士学位论文 。,线形精度.%。为将前后轮转角信号转化为传感器输出的电信号,需为 前后轮各设计一套传感机构。 类菱形车前转向轮转角行程为?。,由于前轮与前轴结构的特殊性,无法 将转角传感器直接安装在前轮转向主销处。设计时将前轮转角传感器通过支座安 装在转向管柱上。同时为实现对前轮转角的间接测量,需建立起传感器与前轮之 间的对应关系。通过设计一对传动比为.的传感齿轮副,将前轮转角信号传递至 前轮转角传感器。前轮转角传感器的安装如图.所示。前轮转角传感器读数与前 轮转角之间的对应关系如图.所示。将此关系建立表格,在程序设计中通过查 询该表格即可获得前转向的转向角。 图.前轮转角传感器安装图 一转向管柱;一前轮转角传感器;一传感齿轮;一转向回正辅助机构; 一转向齿扇;一转向小齿轮;一方向盘 / / ? / 趵 / / 加 / 。 奇 ??.???『 / 嘏 一 / 们 婢 袋 / 一 伽 盂 / 一 ? 。 一 如 / 前轮传感器读数, 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 图.前轮传感器与转角对应关系 图.后轮转向模块 一转向电机:一减速机构;一安装块;一柔性联轴器;一齿轮齿条方向机; 一转角齿轮;一传感器防护板;一后轮转角传感器 / 、 、、 吣 援 辞 辩 崾 .? 后轮传感器读数川 图.后轮传感器读数与转角对应关系 类菱形车后转向轮转角行程为?。,由于后转向轮与后轴结构的特殊性, 硕士学位论文 无法将转角传感器直接安装在后轮转向主销处。设计时将后轮转角传感器通过支 座安装在后轮转向模块安装座上通过传感齿轮副测量转向小齿轮的转角。由于转 向小齿轮与后转向轮的角传动比为非恒值,因此分析后轮转角的变化与转向小齿 轮转角的变化之间的对应关系。后轮转向模块如图.所示。 利用/建立齿轮齿条、转向拉杆及转向节的仿真模型。通过分析 单位齿轮转角对应的车轮转角即可获得二者之间的变化关系,由此可推得后轮转 角传感器读数与后轮转角之间的对应关系,如图.所示。将结果建立表格,在 程序设计中通过查询该表格即可获得后转向轮的转角值。 .本章小结 本章主要对随动转向系统方案进行介绍。首先,分析前后轮机械联动转向系 统的优点与不足之处。然后,提出电控后轮随动转向系统的设计方案。最后,对 后轮随动转向系统进行详细的设计与匹配。 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 第章随动转向系统控制策略与算法 数学模型是控制系统设计的基础,可用于控制系统的分析、仿真计算以及实 时控制等。建立电控后轮随动转向系统的数学模型对于提高系统的控制特性、选 择合适的控制算法具有重要的意义。 电控后轮随动转向系统的转向执行系统由转向执行电机,减速器,齿轮齿条 转向器,转向横拉杆等组件组成。本章采用降阶建模方法建立转向执行系统数学 模型,并通过与试验结果对比验证模型的正确性;以提高整车操纵稳定性为出发 点提出电控后轮随动转向系统目标后轮的控制策略,最后进行仿真分析。 .电控后轮随动转向系统数学模型 后轮随动转向系统由多个质量、惯性元件以及弹簧、阻尼或摩擦元件组 成的,为简化问题的处理,采用降阶建模的方法来建立系统的物理模型【 。将随 动转向系统简化为只包含三个重要动力学元件的物理系统模型。这三个动力学元 件为:转向电机、齿轮齿条机构、转向轮组件。图.为系统的物理简化模型。 车速 前轮转角 后轮转角 图.后轮随动转向系统简化模型 ???????????? ? ..转向电机模型 电控后轮随动转向系统采用永磁直流电动机,电机的端电压与电感三、电枢 电阻尺、反电动势常数、电机转速彦脚、电枢电流厶和时间之间的关系【如 下: . 以眠瓯 对直流电动机而言,电动机的电磁转矩与电枢电流具有如下关系: . 硕士学位论文 . 乙 式中,广一电机电磁转矩系数。 设电机的转动惯量、阻尼系数、转角、电机阻力矩、转向小齿轮输入力矩、 和电机输出轴与转向小齿轮之间的传动比分别为厶、埘、万肿‰、乃和。则 电 机输出力矩%: . 乙厶氏瓯%乙/ 式中,厶一一电机转动惯量; 一一电机阻尼系数; 一一电机转角; ‰一一电机阻力矩; 乃一一做用在转向小齿轮上的等效输入力矩; 厂一一电机输出轴与转向小齿轮之间的传动比。 ..齿轮齿条动力学模型 对转向小齿轮进行动力学分析可得出: . 乙以‘%‘%乃/之 式中,厶一一等效到转向小齿轮的转动惯量: 口一一等效到转向小齿轮的阻尼系数; 如一一转向传动机构向转向小齿轮等效后的转角; 砀一一作用在转向小齿轮的等效摩擦力矩; 乃一一作用在后轮上的转向力矩; 厂一一转向小齿轮与后轮之间的传动比。 ..转向轮组件动力学模型 对转向轮组件进行动力学分析可得出: . 乃以%乃 式中,以一一后轮的转动惯量; 现一一后轮绕主销的阻尼系数; 统一一实际后轮转角; %一一后轮绕主销转动阻力矩; 易一一地面对后轮的阻力矩。 考虑到电机、转向小齿轮与后转向轮的速度匹配则有: . ,? %%最 / 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 ..线性轮胎模型 汽车正常行驶时,侧向加速度不超过.,轮胎侧偏角不超过。~。,可以认 为侧偏角与侧偏力成线性关系【。在轮胎发生侧偏的同时,作用在后轮的阻 力矩 为: . 易巳砖晖 式中,一一后轮侧偏刚度; 一一轮胎拖距,由轮胎的侧偏特性决定; 口,一一后轮侧偏角。 .整车二自由度动力学模型 为研究电控后轮随动转向系统对整车的侧向运动和横向运动的影响,需建立 整车动力学模型。本文采用简化的线性三轮车辆模型‘,,模型给予如下假设: 忽略转向系统的间隙、阻尼、弹性变形; 直接以车轮转角作为输入; 采用主动悬架,认为车辆平行于地面运动; 轮胎处于线性区域。 因此,车辆只有沿轴的侧向运动和绕轴的横摆运动两个自由度,整车二自 由度模型如图.所示。 图.整车二目田厦模型 其动力学方程如下: . 以咖 吩恕砖妒阱一珏一疋,考一哆芬一弓 啦一?告心七诎、 . 毋 一 硕士学位论文 . 其中: 口,:‖一万,生 匕 . 口。:‖一生 工 . 口,‖一一堕 工 式中,聊一一整车质量; 厶一一整车绕质心轴惯量; 广一横摆角速度; 夕一一车辆质心侧偏角; 卜一车辆质心处速度矢量; 卜一前轮与车辆质心的距离; 厶一一中轮与车辆质心的距离; ‘一一后轮与车辆质心的距离; 七广一前轮侧偏刚度; ‰一一中轮侧偏刚度; 岛一一后轮侧偏刚度; 厂一前轮侧偏角; 及。一一中轮侧偏角; ,一后轮侧偏角; 厂一前轮转向角; 万厂一后轮转向角。 取系统状态变量为‖门,由式.和.可得类菱形车的系统标准状态 方程即:似召,眵,】为系统的输入量,彳为系统控制矩阵,曰为 输入矩阵如下: . ?三 三嘏三; 耄蚴 根据所需要研究考察的具体输出信息确定系统标准状态方程的输出表达式, 即: . 产料 式中,为输出矩阵,为直接传递矩阵,、均为待定矩阵 其中:口。:竺二坠,口::竺型皇掣一,岛兰 竺二掣, 朋, : 』, 类菱形车电控后轮随动转向系统研制 口监掣心:生,』:匕 历屹 ‰蔫一芋,%等 胁? 装备前后轮机械联动转向系统时, 后轮转角与前轮转角成比例: ? . 将式.代入.,则车辆的转向状态空间方程变为: . ?矧?小 其中:吗口一口 口口一口 取系统输出量,习,:,则系统输出表达式为降凹 求得前轮转角到横摆角速度的传递函数: 口口口一口 一 . 碉一万下而瓦翮 前轮转角到质心侧偏角的传递函数: 口口口一口口 臼一 . 万, .口一口砖口口一口口 将类菱形车系统 车辆的侧向加速度是表征车辆操纵性的另一个重要标准, 状态方程的输出式.改写为侧向加速度的表达式: 口也??户工 . 。,?三三?【。卜: 叱× 由式.可求得前轮转角到侧向加速度的传递函数: . 瑞让×等等看巍等 .转向电机伺服控制 车辆转向电机控制采用的控制方法主要有比例控制、比例加微分控制、最优 二次型控制、鲁棒性控制、模糊控制和人工神经网络控制等,考虑到便于嵌 入式 控制系统实现,论文采用控制算法用于转向电机伺服控制【们。 电控后轮随动转向系统的上层控制决策出目标后轮转角以后,转向电机必须 产生相应的电磁力矩,使转向执行系统输出的实际后轮转角实时地跟随目标 后轮 转角。实际转角的跟随效果直接影响到随动转向系统的性能,要求电机具有 快速 的力矩和速度响应。硕士学位论文 控制器输入为后轮转角差彳,输出为电机控制电压: . 厶\厶硒 . 厶一 式中,?一一后轮转角差; 厂一目标后轮转角; ,一实际后轮转角; 肠一一比例控制系数; 墨一一积分控制系数; 产一微分控制系数。 一:竺厂 。?万 ? 叫剖 橱料习砸砩一 图. 控制原理图 在控制中,引入积分环节的目的主要是为了消除静差,提高控制精度。 但在过程的启动、结束或大幅度增减设定时,短时间内系统输出有很大的偏 差, 会造成运算的积分积累,致使控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围 对应的极限控制量,引起系统较大的超调,甚至引起系统较大的振荡‘,这在 随 动转向控制中是绝对不允许的,因此论文采用积分分离的控制算法。具体步 骤如下: .设定阈值 ; .当?万 时,采用控制,可避免过大的超调,又使系统有较快的响应; .当?别? 时,采用控制,以保证系统的控制精度。 改进后的控制算法为: . 尺?占旯 ?万巧?万 式中,入项为积分项的开关系数 ., :会喜三: 允三 在实际应用中,受蓄电池电压限制,须对控制器的输出电压幅值进行限 制: .?? .