電動輔助轉向系統仿真分析研究

莫建平 許世超

摘 要：該文闡述了電動輔助轉向系統的一般結構和工作原理，利用ADAMS構建了的包含轉向系統、前后懸架、輪胎及地面的整車模型。分析了模型在不同速度下的轉彎半徑情況，擬合出了其助力轉向特性曲線，對相關技術研究有一定參考意義。

關鍵詞：轉向系統;ADAMS;建模;助力特性

中圖分類號：U463.4? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）13-136-03

Research on Simulation Analysis of Electric Auxiliary Steering System*

Mo Jianping， Xu Shichao

（ Guangxi Science & Technology Normal University， Guangxi Laibin 546199 ）

Abstract： The paper describes the general structure and working principle of the electric auxiliary steering system， and constructs a vehicle model including steering system， front and rear suspensions， tires and ground by ADAMS. The turning radius of the model at different speeds is analyzed， and the power steering characteristic curve is fitted， which has a certain reference significance for the related technical research.

Keywords： Steering system; ADAMS; Modeling; Boost characteristics

CLC NO.： U463.4? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）13-136-03

前言

助力轉向系統發展到現在一般有三種類型，它們包括機械式液壓動力轉向系統、電子液壓輔助轉向系統和電動輔助轉向系統[1]。電動輔助轉向系統確保了汽車在低速狀態下較為輕松轉向，調和了輕便和靈敏之間的矛盾，兼顧行駛安全和舒適，以其優越的經濟性能為各大車企所青睞[2-3]。本文采用ADAMS構建了的包含轉向系統、前后懸架、輪胎及地面的整車模型進行轉向分析研究。

1 電動輔助轉向系統

圖1所示為電動輔助轉向系統的原理圖。電動輔助轉向系統由機械轉向器、電動機、離合器、控制器、轉矩傳感器、車速傳感器等組成。在方向盤轉動時，轉矩傳感器參考輸入轉矩的大小，生成一定的電信號，與車速傳感器獲得的車速信號進入控制器，產生信號來控制電動機轉動[4]。

實際車輛的運動需要對其運動進行簡化，車輛向前運行可以簡化為輪胎上的轉矩。電動輔助轉向的工作可以簡化為方向盤上的一個力矩。減速機構的功能可以通過改變力矩的大小來實現。本文中建立模型是為了分析車輛轉向問題，整車模型的大部分裝飾和結構部件可省略不畫。部分結構部件、功能部件可以簡化為基礎的幾何體，以簡化模型，絕大部分部件可以簡化為桿件等基礎部件。分析轉向問題，重要的是轉向機構的參數，更重要的是懸架的參數，這些參數包括主銷長度、上下橫臂長度、主銷內傾角、拉臂長度、轉向拉桿長度、轉向節長度。另外還有幾個定位參數，包括軸距、輪距和車身質心位置。

ADAMS是多體運動分析軟件，建立模型后還要進行仿真分析，考慮構建之間的連接（運動副）的問題。方向盤與轉向軸是鎖死的，轉向軸和轉向傳動軸保持同步運轉，可以考慮使用萬向節或同速副來實現。轉向機和轉向搖臂之間運動復雜，可以用多個轉動副實現。轉向搖臂同轉向橫拉桿之間可以用轉動副或球副連接。轉向橫拉桿和轉向拉臂之間也可以使用萬向節等連接。轉向機部分結構運動復雜，一般使用球副連接。上下橫臂和車身之間，直接使用轉動副固定。最后輪胎和懸架之間使用轉動副限制輪胎的運動。

2 ADAMS建模

2.1 參數的收集

構建ADAMS模型需要大量的參數，這里需要車輛尺寸參數、外部環境參數、部件的特性參數。車輛尺寸參數包括但不限于車輛運動部件的幾何尺寸、固定部件的幾何尺寸、部件運動的配合尺寸。外部環境參數主要為地面譜。部件的特性參數包括部件質量、慣量，特殊部件的阻尼、剛度等。表1所示為本文所用模型的主要參數。

2.2 模型的建立

本文建立的三維模型斜側圖如圖2所示。相比于實際車輛，本文所使用的模型進行了大量的簡化。包括：將動力系統、傳動系部分，以兩個加載在后輪的固定旋轉驅動來代替。將車身部分徹底忽略，車身主體并不表示出來。將底盤簡化為一個小球等。此外，需要額外驅動的部分，在模型也只是以臨時添加力矩、驅動的方式實現，大大簡化了模型的復雜程度。

3 仿真分析

3.1 變量的確定

本文使用的模型以后輪的運動副驅動來代替車輛動力系統。車速v使用的單位為mm/s。已知：輪胎半徑r=350mm，輪胎轉速ω=30rad/s。可得車速v=10500mm/s。助力大小與車速及方向盤轉矩相關，需要建立采集轉矩、車速、和助力大小的函數。轉矩是由人工從方向盤輸入的，需要構建一個隨時間變化而變化的函數以及一個常函數。本文中構建的轉矩函數為STEP（time，2，0，4，105d）表示函數自變量為時間，自變量的函數開始值為2，函數的初始值為0，自變量的結束值為4，函數的結束值為105d。即該力矩在仿真開始的2秒內是沒有運動的，在2到4秒內將轉矩從0勻速提升到105d。

3.2 轉向助力特性

對于電動輔助轉向系統而言，轉向助力的大小直接受控于電動機輸出轉矩的大小，而電動機轉矩的大小一般受制于輸入電動機的電流大小[5]。這也是電動輔助轉向系統的控制單元收集方向盤轉矩和速度信號，控制輸入電動機的電流大小，以完成調節助力大小的功能。方向盤轉矩為STEP（time，2，0，54，105d），后輪轉矩為STEP（time，0，0，50，30000d）時分別得到瞬時轉彎半徑和瞬時車速如圖3和圖4所示。

以樣條函數處理以上數據，得到相關數據。選取助力觸發閥值為[1，5]，得到部分直線型助力特性曲線如圖5所示。助力大小一般要求隨著方向盤轉矩的增大而增大，車速的增大而減小。而在原地轉向和超低速行駛等特殊情況下，需要有較大的助力，以增加轉向控制的輕便性。在高速行駛時則希望只有少量的助力甚至沒有，以保持良好的路感，防止發生交通事故。

4 結論

電動輔助轉向系統在未來幾年還會持續發展，直到車輛制造理念發生重大革新。本文針對電動輔助轉向系統仿真分析研究，完成了ADAMS整車模型的創建，包括車輪、前后懸架、轉向系統等，并且以該模型為基礎，成功的以轉矩-

車速關系擬合直線型助力特性曲線，認識到車輛在高速、變速等狀態下轉彎半徑會改變，對進一步的實踐研究有指導意義。

參考文獻

[1] 陶松，張維維.汽車轉向系統的關鍵技術與發展探析[J].時代汽車，2019（04）：45-46.

[2] 馮櫻，肖生發，羅永革.汽車電子控制式電動助力轉向系統的發展[J].湖北汽車工業學院學報，2001（01）：4-8.

[3] 劉培培，程源，羅威，鄧英富，王宗偉.汽車電動助力轉向系統建模及助力特性[J].汽車工程師，2015（10）：34-37+59.

[4] 仇屹玨，陳靖芯.汽車電動助力轉向系統實驗臺架的設計[J].揚州大學學報（自然科學版），2010，13（01）：71-74.

[5] 周章海.叉車電動助力轉向控制器的研究與設計[D].合肥工業大學，2010.