線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想傳動(dòng)比控制研究

朱恒偉 張建臣 孟俊煥 劉豪睿 鄭全 蘇世耀

摘 要：傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多為固定傳動(dòng)比或是傳動(dòng)比變化值較小的形式，汽車在實(shí)際轉(zhuǎn)向時(shí)由于路況不同、車速的變化以及整車其他系統(tǒng)的非線性變化，對(duì)汽車轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性影響較大，駕駛員在轉(zhuǎn)向操作時(shí)，常常需要通過(guò)時(shí)時(shí)校正方向盤來(lái)補(bǔ)償汽車橫向行駛的穩(wěn)定性，增加了操作負(fù)擔(dān)和行駛風(fēng)險(xiǎn)。而文章試圖通過(guò)對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同工況下的理想傳動(dòng)比進(jìn)行研究，找到理想傳動(dòng)比變化規(guī)律，改善汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛安全性。

關(guān)鍵詞：線控轉(zhuǎn)向;轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性;操縱穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：U463.4? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）22-110-03

Abstract： Traditional automobile steering system for fixed ratio or smaller values of the ratio changes of forms， due to different road conditions and the speed of the car when the car in the actual to the change of the nonlinear changes， and other systems for vehicle steering response for cars， drivers in steering operation， often need to pass all the correction of the steering wheel to compensate for the cars drive lateral stability， increased the burden and risk. By studying the ideal transmission ratio under different working conditions of the drive-by-wire steering system， this paper tries to find out the changing law of the ideal transmission ratio and improve the vehicle handling stability and form safety.

Keywords： SBW; Steering response characteristic; Handling stability

CLC NO.： U463.4? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）22-110-03

前言

傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于整個(gè)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都是由機(jī)械結(jié)構(gòu)連接，其在轉(zhuǎn)向操作過(guò)程中傳動(dòng)比很難改變，因此在不同工況下很難保證汽車都具有良好的轉(zhuǎn)向特性，并且也不容易實(shí)現(xiàn)基于無(wú)人駕駛的主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制。而線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于斷開(kāi)了汽車輪胎和方向盤之間的機(jī)械連接，轉(zhuǎn)向控制器可以根據(jù)駕駛員意圖和車輛當(dāng)前狀態(tài)時(shí)時(shí)控制汽車轉(zhuǎn)向，傳動(dòng)比可以根據(jù)行駛工況自主設(shè)計(jì)，進(jìn)一步改善汽車的操縱穩(wěn)定性和形式安全性，已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成及工作原理

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角及力矩傳感器、減速器、路感電機(jī)構(gòu)成的轉(zhuǎn)向盤總成，轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)、減速器、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器等構(gòu)成的轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制器（ECU）三部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

轉(zhuǎn)向盤總成主要是將駕駛員的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角等輸入信號(hào)傳給ECU，同時(shí)通過(guò)ECU計(jì)算獲取的路感信號(hào)輸入給路感電機(jī)，路感電機(jī)模擬路感反饋給轉(zhuǎn)向盤;轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是通過(guò)ECU根據(jù)各傳感信號(hào)判別汽車行駛狀況，轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)通過(guò)不同工況下的理想傳動(dòng)比來(lái)控制車輪轉(zhuǎn)向。

2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想傳動(dòng)比控制研究

傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多為固定傳動(dòng)比或是傳動(dòng)比變化值較小的形式，汽車在實(shí)際轉(zhuǎn)向時(shí)由于路況不同、車速的變化以及整車其他系統(tǒng)的非線性變化，對(duì)汽車轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性影響較大，駕駛員在轉(zhuǎn)向操作時(shí)，常常需要通過(guò)時(shí)時(shí)校正方向盤來(lái)補(bǔ)償汽車橫向行駛的穩(wěn)定性，增加了操作負(fù)擔(dān)和行駛風(fēng)險(xiǎn)。而線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則可以通過(guò)設(shè)計(jì)合理的傳動(dòng)比變化規(guī)律，保證汽車在不同車速和方向盤轉(zhuǎn)角下，都有著相同的轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性，改善汽車的操縱穩(wěn)定性和形式安全性。

2.1 傳統(tǒng)固定傳動(dòng)比汽車轉(zhuǎn)向特性分析

圖2所示為傳統(tǒng)汽車在不同車速下的汽車橫擺角速度增益仿真曲線，由圖可知，汽車橫擺角速度增益先是急劇增加，最后趨于穩(wěn)定，不同車速下的汽車橫擺角速度增益響應(yīng)不同，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的汽車橫擺角速度增益先是隨車速的增加而增加，80km/h時(shí)達(dá)到最大，隨后隨車速的增加而逐漸減小，表現(xiàn)為不足轉(zhuǎn)向特性。

當(dāng)車速最高時(shí)，汽車達(dá)到穩(wěn)態(tài)響應(yīng)所需的時(shí)間明顯增加，瞬態(tài)響應(yīng)曲線發(fā)生了劇烈振蕩，此時(shí)，汽車在轉(zhuǎn)向過(guò)程中由于響應(yīng)劇烈極易失去穩(wěn)定性且難以準(zhǔn)確掌控。這就要求駕駛員時(shí)刻保持高度專注，汽車轉(zhuǎn)向時(shí)常常需要通過(guò)時(shí)時(shí)校正方向盤來(lái)補(bǔ)償汽車橫向行駛的穩(wěn)定性，進(jìn)一步增加了汽車橫向操縱的難度和安全隱患。本文結(jié)合傳統(tǒng)固定傳動(dòng)比轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不足，對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的理想傳動(dòng)比進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 基于穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益不變的理想傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

為了滿足不同工況下，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的不同要求，理想傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)應(yīng)使線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)滿足以下要求：

（1）設(shè)置合理傳動(dòng)比變化規(guī)律，保證汽車在不同車速下具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向增益。

（2）汽車在低速段轉(zhuǎn)向操作時(shí)，應(yīng)保證汽車應(yīng)該具有較大的轉(zhuǎn)向靈敏度，所以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)該具有較小的理想傳動(dòng)比，駕駛員在進(jìn)行大角度轉(zhuǎn)彎時(shí)，只需要轉(zhuǎn)動(dòng)較小的方向盤轉(zhuǎn)角，以滿足低速時(shí)轉(zhuǎn)向靈敏性和操作輕便性的要求，但是考慮到轉(zhuǎn)向時(shí)前輪所能的的極限位置，應(yīng)該設(shè)置一個(gè)最小值。

（3）汽車在高速段轉(zhuǎn)向操作時(shí)，應(yīng)保證汽車應(yīng)該具有較小的轉(zhuǎn)向靈敏度，所以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的理想傳動(dòng)比要大，使汽車轉(zhuǎn)向“遲鈍”，給駕駛員一定的緩沖和判斷的時(shí)間，從而降低駕駛員在高速段轉(zhuǎn)向操作時(shí)的操作難度和精神壓力，以滿足操作穩(wěn)定性要求。同時(shí)，為了避免轉(zhuǎn)向過(guò)于“遲鈍”，影響超車等駕駛行為，應(yīng)該設(shè)置一個(gè)最大值。

3 基于Simulink和Carsim的聯(lián)合仿真

將 Matlab/Simulink中建立的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型替換 CarSim軟件中傳動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向模型，搭建基于Simulink和Carsim的聯(lián)合仿真模型，如圖5所示，對(duì)基于理想傳動(dòng)比控制的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

選擇雙移線試驗(yàn)工況，來(lái)測(cè)定汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性，比較線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整車模型加入理想傳動(dòng)比控制后和傳統(tǒng)定傳動(dòng)比汽車的控制效果。

4 結(jié)論

論文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)固定傳動(dòng)比汽車轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出一種基于橫擺角速度增益不變的理想傳動(dòng)比變化曲線，并建立理想傳動(dòng)比控制模型。選擇雙移線試驗(yàn)工況，通過(guò)聯(lián)合仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了模型具有良好的操縱穩(wěn)定性，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

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