某中型商用車電動助力轉(zhuǎn)向的建模與仿真

摘要：首先分析了電動助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Assist Steering，簡稱EPAS）的系統(tǒng)原理，然后以某中型商用車為對象，利用ADAMS軟件構(gòu)建了該車的虛擬樣機模型，并分別對三種不同的助力方式進行了仿真計算，確定了三種助力方式的優(yōu)缺點，并為后續(xù)電控開發(fā)提供了電動助力轉(zhuǎn)向MAP的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向；ADAMS；虛擬樣機；建模仿真

中圖分類號：U463.44 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號：1005-2550（2013）04-0025-05

近年來，隨著用戶對汽車駕駛舒適性要求的提高，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能需求也進一步提高。由于電動助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Assist Steering，簡稱EPAS）在燃油消耗、安全性、可控性方面的優(yōu)勢，國外汽車的電動助力轉(zhuǎn)向有逐步取代傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向（Hydraulic Power Steering，簡稱HPS）的趨勢。EPAS 用電動機直接提供助力，助力大小由電控單元（ECU）控制。由于它取消了需要發(fā)動機帶動的轉(zhuǎn)向油泵，所以在一定程度上它能夠降低燃油消耗，且有利于環(huán)保，并且為提高主動安全性提供了可能，是一項緊扣現(xiàn)代汽車發(fā)展主題的高新技術(shù)。

電動助力轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵是建立與目標(biāo)車型相適應(yīng)的助力MAP。獲取此MAP的途徑有兩種：一種是通過反復(fù)試驗標(biāo)定的方式獲取；一種是通過仿真計算的方式獲取。試驗方式成本高、時間長，而仿真方式卻具有成本和時間上的高效率。通過仿真方式獲取助力MAP需要首先獲得目標(biāo)車型的整車模型，利用該模型可以對不同車速下的助力曲線進行分析修正，直到仿真結(jié)果滿足控制要求。此時得到的車速、轉(zhuǎn)向盤輸入力矩、助力矩的三維對應(yīng)關(guān)系，就是合乎目標(biāo)車型的助力MAP。本文針對東風(fēng)某中型商用車，通過ADAMS建立了整車動力學(xué)模型，然后利用該模型分別對三種助力MAP進行了仿真計算，確定了三種方式的優(yōu)缺點，為后續(xù)電控開發(fā)提供了助力MAP的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 電動助力轉(zhuǎn)向的原理

電動助力轉(zhuǎn)向的基本原理是由電動助力轉(zhuǎn)向控制器獲取方向盤扭矩信號（也可以認(rèn)為是角度信號或轉(zhuǎn)動速度信號）及整車車速信號，按照預(yù)先設(shè)定的助力模型對直流助力電機實施控制。通過控制改變電機電流的大小，從而改變輸出力矩。該輸出力矩通過減速機構(gòu)放大后與駕駛員手力一起作用于轉(zhuǎn)向器輸入軸，進而控制車輛轉(zhuǎn)向。電機的輸出力矩實際上是對操縱手力起到了助力作用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

汽車電動助力轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵在于控制器控制程序的設(shè)計，而控制程序設(shè)計什么樣的助力模型，是關(guān)乎電動轉(zhuǎn)向助力性能的關(guān)鍵。根據(jù)前人實踐經(jīng)驗和理論知識，一種電動助力轉(zhuǎn)向的理想轉(zhuǎn)向助力模型正被越來越多的工程人員接受。該模型遵循汽車轉(zhuǎn)向原理和要求來實現(xiàn)操縱穩(wěn)定性，其助力特性隨方向盤轉(zhuǎn)動手力和車速變化而變化，有以下規(guī)律：

1）隨方向盤力矩增大，電機電流（扭矩）按一定規(guī)律增大；

2）隨方向盤轉(zhuǎn)動速度增大，電機轉(zhuǎn)速增加；

3）隨方向盤轉(zhuǎn)動方向不同，電機轉(zhuǎn)動方向不同，換向時不得有滯后現(xiàn)象；

4）隨汽車車速增大，電機電流（扭矩）按一定規(guī)律減小。

如圖2所示，為電動轉(zhuǎn)向助力的手力特性，共有三種形式：直線式、折線式及曲線式。其中縱坐標(biāo)為助力力矩，橫坐標(biāo)為手力力矩。可以看出，手力越大，助力也越大。該特性是否合理主要是看其形狀是否利于駕駛員操縱。圖3為轉(zhuǎn)向助力的速度特性，其中車速感應(yīng)系數(shù)指隨著車速的變化，助力大小所需要的修正系數(shù)。圖4為以曲線助力為例，轉(zhuǎn)向力特性和速度特性相結(jié)合后產(chǎn)生的立體曲線圖。它顯示的就是一種電動助力轉(zhuǎn)向器的理想轉(zhuǎn)向助力模型。χ軸為方向盤扭矩座標(biāo)，у軸為車速座標(biāo)，z軸為電機助力座標(biāo)。在每一個車速上都有一個轉(zhuǎn)向特性，該模型就是不同車速下無數(shù)轉(zhuǎn)向力特性的組合。

2 整車模型

2.1 整車三維圖及重要參數(shù)

ADAMS是全球運用最為廣泛的機械系統(tǒng)仿真軟件，用戶可以利用其在計算機上建立和測試虛擬樣機，實現(xiàn)事實再現(xiàn)仿真，了解復(fù)雜機械系統(tǒng)設(shè)計的運動性能。該軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。本文利用該軟件通過導(dǎo)入現(xiàn)有東風(fēng)某中型商用車的CAD模型，建立了該商用車的整車模型。圖5為該商用車的CAD模型。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置形式如圖6所示，圖7為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點坐標(biāo)示意圖。表1為整車主要參數(shù)。

2.2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

本文所涉及商用車轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)采用了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，其傳動比為28。它將與鋼板彈簧子系統(tǒng)、非獨立前懸架子系統(tǒng)組裝成帶有轉(zhuǎn)向系的前鋼板彈簧非獨立懸架仿真模型。

轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向桿、循環(huán)球轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向垂臂等部件組成。轉(zhuǎn)向器通過轉(zhuǎn)向器殼與車架固定相連，轉(zhuǎn)向柱固定在車身上。轉(zhuǎn)向垂臂與前懸架中的直拉桿通過轉(zhuǎn)動鉸鏈相連。

為了模擬助力電機對轉(zhuǎn)向器的助力作用，在轉(zhuǎn)向桿上施加一助力矩。助力矩的大小與變化規(guī)律根據(jù)所采用的助力特性曲線的不同而改變。圖10為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型。

2.2.2 動力總成模型及整車模型

由于動力總成不對整車操穩(wěn)性產(chǎn)生直接影響，動力總成模型采用了ADAMS/car軟件自帶的通用簡單模型。該模型可根據(jù)節(jié)氣門開度和變速器換檔指令計算出動力總成輸出轉(zhuǎn)矩，通過通信器可直接將該轉(zhuǎn)矩施加到驅(qū)動輪上。簡單動力總成模型的拓撲結(jié)構(gòu)如圖11所示，主要由代表動力總成和變速器質(zhì)量的外形圖以及三個將動力總成與車架連接的bushing組成。

各個模型構(gòu)建完后，組裝到一起，就形成了整車模型，如圖12所示。由于本文主要研究轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操穩(wěn)性，因此其它子系統(tǒng)的建模就不一一介紹。

3 仿真分析

ADAMS/SolverTM 提供了功能強大的求解器，本文利用前述整車模型分別對直線型、折線型和曲線型三種助力模型進行了仿真。最終確定了三種助力MAP，如圖13所示。圖14為某車速下的雙紐線仿真結(jié)果，表2為部分仿真數(shù)據(jù)。表3為蛇形工況的仿真數(shù)據(jù)。

對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的評價主要有兩個方面：

1）輕便性：用轉(zhuǎn)向盤平均作用力和轉(zhuǎn)向盤最大作用力兩項指標(biāo)來評價轉(zhuǎn)向輕便性。

2）轉(zhuǎn)向盤中間位置區(qū)域性能評價：

①轉(zhuǎn)向盤力矩為0 nm時的側(cè)向加速度：表征了汽車的回正性能。此加速度值越小表明汽車的回正性能越好，但它受到系統(tǒng)阻尼與車輛響應(yīng)滯后的影響，這個評價指標(biāo)不宜過大或過小；

②側(cè)向加速度為0 g時的轉(zhuǎn)向盤力矩：表征了轉(zhuǎn)向系中的庫侖干摩擦，但它也受到系統(tǒng)阻尼與車輛相位滯后的影響；

③側(cè)向加速度為0 g時的轉(zhuǎn)向盤上的力矩梯度：它是0 g 處轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩隨汽車側(cè)向加速度的變化率，表征了“路感”。它主要受主銷幾何參數(shù)與轉(zhuǎn)向系總傳動比的影響；

④側(cè)向加速度為0.1 g時轉(zhuǎn)向盤力矩梯度：它是0.1 g 處轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩隨汽車側(cè)向加速度的變化率，表征了剛離開直線行駛狀況時的“路感”；

⑤0度轉(zhuǎn)角時的轉(zhuǎn)向盤力矩和0度轉(zhuǎn)角時的轉(zhuǎn)向盤力矩梯度：表征了轉(zhuǎn)向系的“剛度”。

4 結(jié)論

本文通過ADAMS軟件構(gòu)建了某中型商用車虛擬樣機模型，按照電動助力的原理，利用該模型，分別使用三種助力方式進行了整車操穩(wěn)仿真計算，試驗結(jié)果表明，直線型助力的輕便性最好，但路感相對較差；曲線型助力路感最好，但輕便性相對差一些；折線型助力處于兩者之間。同時通過該仿真，為后續(xù)電控開發(fā)提供了助力MAP的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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