汽車轉向系統的柔性化改進設計研究*

王昌璽，吳彬云，牛禮民

(安徽工業大學機械工程學院，安徽馬鞍山243002)

0 引 言

隨著汽車技術的發展，線控轉向系統(SBW)是當前最新一代的汽車電子轉向系統，其設計原理是在傳統轉向系統中取消了轉向盤和轉向輪之間的機械連接，轉向盤只是作為轉向系統的一個轉角信號輸入裝置，且取消了轉向系統中的梯形結構，在節省汽車空間的同時使兩個轉向輪達到轉向理想狀態［1-2］。然而，線控轉向系統的執行元件為伺服電機，由于伺服電機的轉速輸出在一定程度上會受到阻力矩影響，尤其在阻力矩不斷變化的轉向工況下，伺服電機的轉速輸出特性會受到較為嚴重的影響，不能達到理想的轉速輸出，從而影響轉向系統的響應。有研究表明伺服電機轉矩輸出小，在轉向阻力矩大的工況下不能獲得理想的轉向特性，甚至不能實現轉向精確。

為了克服線控轉向中伺服電機帶來的各種缺陷，本研究提出利用液壓系統作為執行元件的液壓線控轉向系統，擬對轉向系統進行柔性化改進設計，以期提高轉向時系統的瞬時性和跟隨性。

1 轉向系柔性改進與優化過程

由于傳統轉向系統中轉向盤與轉向輪均存在機械連接，一旦發生車禍時駕駛室中的轉向剛性構件可能對駕駛人員造成傷害［3］，且由于存在機械連接，轉向器和轉向傳動機構會因磨損產生間隙，間隙難以消除［4］;轉向系統角傳動比一定，在車速不同時轉向阻力矩不同，轉向會產生太輕或者太重的不利影響，故此存在“輕”與“靈”的矛盾，即轉向“輕”時轉向系統角傳動比大，轉向輪轉一定角度時轉向盤轉過的角度大不能靈活控制;轉向“靈”時轉向角系統角傳動比小，所需的轉向盤輸入的轉矩大。線控轉向系統取消了轉向盤與轉向輪之間的機械連接，轉向力矩不再由駕駛員提供因此駕駛員施加的轉向力矩小，操縱輕便。并且駕駛室不再布置轉向傳動機構節約駕駛空間，駕駛員獲得了更大的駕駛空間，提高駕駛舒適性和安全性［3］。

本研究在線控轉向系統的基礎上進行優化設計，采用液壓系統作為執行元件，液壓線控轉向示意圖如圖1 所示。

由于液壓系統的位移輸出特性只與流量相關，液壓系統輸出不隨負荷變化、輸出穩定可靠、輸出力矩大、體積小、便于布置，克服了伺服電機的缺點，在轉向阻力矩不斷變化的轉向工況下有理想的轉向特性，完善了線性轉向系統，達到快速、精確的響應。

圖1 液壓線控轉向示意圖

2 轉向系統模型的建立

為進一步驗證轉向系改進的可行性，本研究對轉向系在AMESim 軟件環境下進行了仿真建模。

2．1 AMESim 軟件簡介

AMESim(advanced modeling environment for performing simulations of engineering systems)為工程系統仿真高級建模環境，基于直接圖形接口使用圖標符號代表各種系統的元件，這些圖標符號即可為國際標準組織ISO 確定的液壓元部件標準符號，或可為控制系統確定的方塊圖符號，亦可由用戶自定義非標準圖形特征，可以方便進行模型的模塊化搭建。用戶可在此單一平臺上建立復雜的多學科領域系統模型，并據此進行仿真計算和深入分析，也可在該平臺研究任何元件和系統的穩態和動態性能［5］。

2．2 轉向系子模型建立步驟

汽車液壓線控轉向系統由轉向盤總成、轉向執行總成件和主控制器(ECU)3 個主要部分以及自動容錯系統和電源等輔助系統組成。轉向盤總成包括轉向盤、轉向盤轉角傳感器、力矩傳感器和轉向盤回正力矩電機。轉向盤總成的主要功能是將駕駛員的轉向意圖(通過測量轉向盤轉角)轉換成數字信號，并傳遞給主控制器;同時接受主控制器送來的力矩信號，產生轉向盤回正力矩，以提供給駕駛員相應的路感信息。

本研究建立轉角信號采集模型:根據實際情況運用兩個轉角傳感器和一個彈簧扭桿建立信號采集模型如圖2 所示。由兩個轉角傳感器的數值差得出轉向盤轉角的變化值。

圖2 轉角信號采集模型

主控制器對采集的信號進行分析處理，判別汽車的運動狀態，向轉向盤回正力電機和轉向液壓缸發送指令，控制兩個執行機構的工作，保證各種工況下都具有理想的車輛響應，以減少駕駛員對汽車轉向特性隨車速變化的補償任務，減輕駕駛員負擔［6-7］。同時控制器還可以對駕駛員的操作指令進行識別，判定在當前狀態下駕駛員的轉向操作是否合理。當汽車處于非穩定狀態或駕駛員發出錯誤指令時，線控轉向系統會將駕駛員錯誤的轉向操作屏蔽，而自動進行穩定控制，使汽車盡快地恢復到穩定狀態。

轉向執行總成包括前輪轉角傳感器、轉向液壓系統、轉向液壓控制器和前輪轉向組件等組成。轉向執行總成的功能是接受主控制器的命令，通過轉向液壓控制器控制轉向車輪轉動，實現駕駛員的轉向意圖［8-9］。液壓執行元件為一個完整的液壓系統，它由油缸、油泵、電機、油路、節流閥、溢流閥、液壓缸構成。所建的車輪AMESim 模型如圖3 所示。

該模型包括根據轉向輪實際情況運用質量塊、阻尼器、力傳感器、轉角信號轉換器等。

圖3 車輪AMESim 模型

2．3 轉向系整體模型

本研究著重研究液壓作為動力輸出裝置(即以液壓系統作為轉向機構的動力來源)方案的可行性分析，研究液壓系統在響應時間方面的可行性問題。為方便研究，筆者以AMESim 自帶的液壓助力轉向模型為基礎進行如下改進［10］。

(1)首先，本研究取消了轉向盤與車輪之間的機械連接，轉向盤轉角信號由傳感器接收，傳到轉向ECU 中進行處理，ECU 發出信號打開節流閥控制液壓缸的位移，從而控制轉向輪的轉向角度［11］。與此同時，轉向輪的實際轉向角度反饋給ECU，經ECU 計算處理后給轉向盤一個適當的阻尼，使轉向盤的轉向角度與車輪轉向角度同步，并防止轉向力矩過輕造成轉向不精確，轉向控制流程如圖4 所示。

圖4 轉向控制示意圖

(2)其次，本研究在AMESim 中建立液壓轉向系統模型，用模擬信號代替轉向盤轉角輸入，經轉角傳感器采集后由轉向ECU 處理，再由ECU 發出指令控制液壓系統節流閥流量推動液壓缸的產生一定位移，液壓缸的位移帶動轉向節臂和轉向輪發生偏轉，完成的簡化系統如圖5 所示。其中由于本研究最終研究轉向輪轉向角度和輸入信號之間的時間響應，筆者參照原有轉向輪結構，搭建一個能輸出角度的轉向輪系統。轉向輪由車輪質量塊、彈簧減震器、力傳感器等組成，然后通過傳感器將力轉換成角度，得到車輪的轉角。

(3)最后，進行參數設置。液壓系統參數的設置用于調試，設置主要部件參數如下。

節流閥參數:

增益倍率為1，最大流量系數為0．7，臨界流量為100，輸入信號下限為－100 000，輸入信號上限為100 000。

圖5 基于AMESim 的液壓線控轉向系統

液壓泵參數:

泵的排量為10 cc/rev，泵的額定轉速為2 000 rev/min。電機的額定轉速為2 000 rev/min。

溢流閥參數:

溢流閥安全閥值為100 bar，溢流閥流量壓力梯度為500 L/min/bar。

液壓缸參數:柱塞位移為0． 25 m，活塞直徑為28 mm，活塞油路口1 直徑為12 mm，活塞油路口2 直徑為12 mm，活塞行程長度為0．5 m，活塞油口1 的死腔體積為5 cm3，活塞油口2 的死腔體積為5 cm3，柱塞總質量為3 kg，粘性摩擦系數為5 000 N/(m·s－1)。

轉向輪參數:

車輪質量為61 kg，摩擦力2 000 N，黏著力為2 000 N，車輪彈簧剛度為200 000 N/m，車輪阻尼比為20 000 N/(m·s－1)。

3 仿真與結果分析

為模擬轉向盤輸入信號的真實性，本研究采用階躍信號和脈沖信號兩種形式模擬輸入，并分別分析轉向系統對信號的跟隨性，得到兩種模式下系統的響應，然后對響應時間進行分析，判斷系統的快速反應能否達到轉向要求。

本研究在轉向盤模擬輸入信號端輸入一個階躍信號，為使響應時間更加精確，將取點間隔時間設置為0．00 001 s，將仿真結束時間設置為2 s，進行仿真模擬，得到階躍信號輸入與車輪轉角響應的對比圖如圖6 所示。

圖6 階躍信號系統響應

由結果分析知，轉向輪輸入信號時間為1 s，轉向輪響應并達到穩態的時間(當響應達到穩態值的98%即視為達到穩態)為1．245 88 s，即系統響應時間比輸入信號滯后0．245 88 s。在瞬時響應滿足轉向的要求。

本研究參照上述仿真步驟，將階躍信號改為脈沖信號，分析轉向系統轉角跟隨輸入信號的情況。因為人從外界獲得信息，經過大腦加工分析發出指令到運動器官開始執行動作所需的時間為0．15 s～0．4 s，設置脈沖信號的頻率為1 Hz，在保證時間響應精確的情況下分析3～4 組變化的情況，設置取點間隔時間調為0．000 01 s，仿真的總時間為4 s。進行仿真運算得到的結果如圖7 所示。

圖7 脈沖信號系統響應

結合對階躍信號的分析可知，在信號發生改變時(0．5 s 時)系統已經達到穩態，而第二次穩態的時間為0．834 41 s，可見改進的轉向系統跟隨輸入轉角變化滿足靈敏性的同時也滿足精確性的要求。

4 結束語

本研究采用液壓系統作為執行機構，對轉向系統進行了柔性化改進設計，并進行了仿真驗證。研究結果表明，液壓系統的瞬時性(滯后0．245 88 s)完全滿足轉向要求，并且響應跟隨隨靈敏性和精確性也符合轉向設計的要求，因此本研究改進的液壓線控轉向系統能夠滿足預期設計要求，為轉向系統研發提供了新的設計思路。

［1］胡麗楠，陳國金，陳慧鵬，等．基于模型的線控轉向執行電機測試研究［J］．機電工程，2014，31(3):330-333．

［2］于秀濤，李 博．汽車線控轉向系統分析［J］．中小企業管理與科技，2010(10):269．

［3］劉惟信．汽車設計［M］．北京:清華大學出版社，2001．

［4］胡愛軍，呂寶占．汽車轉向系統發展趨勢［J］．拖拉機與農用運輸車，2011，38(1):3-6．

［5］付永領，祁曉野．IMAGINE LMS． Lab AMESim 系統建模仿真參考手冊［M］． 北京:北京航空航天大學出版社，2011．

［6］田 杰，陳 寧，吳 瑾．基于分數階PIλDμ控制器的線控轉向系統路感研究［J］．機械設計，2012，29(10):23．

［7］田 杰，高 翔，陳 寧．基于分數階微積分的線控轉向系統的控制研究［J］． 機械科學與技術，2010，29(9):1176．

［8］管 欣，姬 鵬，詹 軍．液壓助力轉向系統剛度和路感特性分析［J］．科學技術與工程，2008，8(21):58-75．

［9］蒲顯坤，孔 鵬．新型直驅式液壓轉向系統的研究［J］．機械，2013(10):28-30，58．

［10］HSU Y H，GERDES J C． Stabilization of a Steer-by-wire Vehicle at the Limits of Handling Using Feedback Linearization［C］． Orlando，USA:Proceedings of MECE2005 2005 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition，2005:5－11．

［11］MA Cheng-bin，HORI Y． Backlash Vibration Suppression in Torsional System Based on the Fractional Order Q-filter of Disturbance Observer［C］． Proceedings of the 8thIEEE International Workshop on Advanced Motion Control，Piscataway Japan:IEEE Press，2004:577-582．