基于AMESim的EHPS系統(tǒng)的仿真及試驗(yàn)研究

王喬

(重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

基于AMESim的EHPS系統(tǒng)的仿真及試驗(yàn)研究

王喬

(重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

基于AMESim軟件建立了電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向(EHPS)系統(tǒng)的仿真模型，制定控制策略、導(dǎo)入樣機(jī)參數(shù)運(yùn)行仿真，仿真結(jié)果證明該EHPS系統(tǒng)可使車輛低速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向輕便以及高速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)有合適的路感反饋。結(jié)合仿真結(jié)果，搭建試驗(yàn)臺(tái)架并進(jìn)行試驗(yàn)，證明臺(tái)架試驗(yàn)與仿真結(jié)果一致。

電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；AMESim仿真；試驗(yàn)臺(tái)架

0 前言

電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向(Electro-Hydraulic Power Steering,EHPS)系統(tǒng)由傳統(tǒng)機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向(Hydraulic Power Steering,HPS)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，不同于HPS系統(tǒng)，它使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵工作，并增加了控制單元，從而獲得了更好的控制性能。克服了HPS系統(tǒng)助力特性單一、能量損耗大的缺點(diǎn)，在近年來得到了廣泛應(yīng)用[1]。

文中使用AMESim多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真軟件，基于已開發(fā)的EHPS系統(tǒng)樣機(jī)參數(shù)，搭建了EHPS的仿真模型，同時(shí)，搭建了EHPS試驗(yàn)臺(tái)架，將仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比研究。

1 EHPS系統(tǒng)建模

EHPS系統(tǒng)由控制器、電動(dòng)泵、扭桿、轉(zhuǎn)向控制閥、助力缸、儲(chǔ)油罐及油管等部件組成。AMESim軟件元件庫中提供了豐富的元件，EHPS系統(tǒng)大部分部件可在元件庫中直接得到，對于較為復(fù)雜的部件，需建立數(shù)學(xué)模型并通過AMESim超級元件功能生成。

1.1 扭桿及轉(zhuǎn)向控制閥

系統(tǒng)使用轉(zhuǎn)閥式轉(zhuǎn)向控制閥。車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)使扭桿產(chǎn)生變形，帶動(dòng)閥體繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，改變連接助力缸左右腔開口的過流面積，從而控制油液流量，在助力缸左右腔建立壓力差。

基于轉(zhuǎn)閥工作原理，可采用類似惠斯通電橋的等效模型來仿真轉(zhuǎn)向控制閥，采用4個(gè)受控節(jié)流閥元件替代轉(zhuǎn)閥進(jìn)油與回油開口，控制流入與流出助力缸的油液流量，如圖1所示。

車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩使扭桿產(chǎn)生變形，帶動(dòng)轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使連接助力缸一側(cè)油腔開口的過流面積減小，連接另一側(cè)油腔開口的過流面積增大。根據(jù)薄壁小孔節(jié)流公式，不計(jì)過流面積增大的開口的節(jié)流作用，可得到助力油壓Δp計(jì)算公式：

(1)

式中:ρ為液壓油動(dòng)力黏度，Q為轉(zhuǎn)閥進(jìn)油孔進(jìn)油流量，n為轉(zhuǎn)閥閥口數(shù)，φ為扭桿形變角度，S(φ)為閥口過流面積[2-3]。

轉(zhuǎn)閥閥口過流面積S(φ)的變化特性與轉(zhuǎn)閥刃口類型及加工參數(shù)有關(guān)，該EHPS系統(tǒng)采用長坡口轉(zhuǎn)閥，其閥口過流面積與轉(zhuǎn)閥繞其軸線轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖2所示。

1.2 電動(dòng)泵

區(qū)別于傳統(tǒng)液壓助力系統(tǒng)，電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵工作。系統(tǒng)采用有刷直流電機(jī)，其電機(jī)參數(shù)和液壓泵參數(shù)之間存在定量關(guān)系。

電動(dòng)泵流量Q與電樞電壓U關(guān)系為：

(2)

電機(jī)輸出力矩T與電樞電流Ia的關(guān)系為：

T=CT×Φ×Ia

(3)

式中：Ce,CT和Φ為與電機(jī)有關(guān)的常數(shù)。

為使系統(tǒng)在起制動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程中，在最大的電流約束條件下獲得直流電動(dòng)機(jī)最佳速度調(diào)節(jié)過程，需對希望獲得最佳控制的物理量都實(shí)行負(fù)反饋控制，故采用轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制方法進(jìn)行電機(jī)調(diào)速[4-5]。

1.3 轉(zhuǎn)向阻力矩

按轉(zhuǎn)向阻力矩產(chǎn)生機(jī)制的不同，車輛轉(zhuǎn)向阻力矩可分為原地轉(zhuǎn)向阻力矩和行駛轉(zhuǎn)向阻力矩。

原地轉(zhuǎn)向時(shí)，考慮輪胎接地印記的實(shí)際情況以及重力回正力矩和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)摩擦，總的轉(zhuǎn)向阻力矩?fù)Q算到轉(zhuǎn)向盤時(shí)，可用下式計(jì)算：

(4)

式中:Mf為折算到轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)摩擦力矩，Mkptf為折算到主銷上的輪胎與路面的滑動(dòng)摩擦力矩，MkpFz為折算到主銷上的重力自回正力矩，ig為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比。

車輛原地轉(zhuǎn)向時(shí)，輪胎與路面之間的滑動(dòng)摩擦力矩占主導(dǎo)因素，而在行駛過程中，轉(zhuǎn)向阻力矩主要由作用與輪胎上的六分力產(chǎn)生，行車時(shí)轉(zhuǎn)向阻力矩折算到轉(zhuǎn)向盤上時(shí)的轉(zhuǎn)向阻力矩可用下式計(jì)算：

(5)

式中：Mf為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)摩擦力矩，Mkp為輪胎六分力在主銷軸上的投影，ig為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比[6]。

2 助力轉(zhuǎn)向控制策略的制定

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需具有兩項(xiàng)基本功能：一是供駕駛員用來控制汽車運(yùn)動(dòng)方向；二是供駕駛員用來感受車輛與地面之間的受力及車輛的運(yùn)動(dòng)狀況，即獲得“路感”，路感一般通過轉(zhuǎn)向盤反饋給駕駛員的轉(zhuǎn)向力矩的變化來度量。

為使駕駛員在不同車速下都能獲得清晰良好的路感，需設(shè)計(jì)可變助力特性，即原地轉(zhuǎn)向時(shí)助力系統(tǒng)提供更多助力，使轉(zhuǎn)向輕便；中速行駛時(shí)，隨著車速的增加，轉(zhuǎn)向時(shí)所需轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角逐漸減小，所需轉(zhuǎn)向力矩也逐漸減小，助力系統(tǒng)提供的助力應(yīng)該逐漸減小，從而在保證轉(zhuǎn)向輕便的同時(shí)保持合適的轉(zhuǎn)向路感；高速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向盤大部分時(shí)間處于中間位置，此時(shí)為了保證合適的路感和操縱穩(wěn)定性，要求轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)提供的助力進(jìn)一步減小[7]。

基于理論設(shè)計(jì)并配合實(shí)車試驗(yàn)，可得到車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速三者間的對應(yīng)關(guān)系表格，通過插值算法即可得到EHPS系統(tǒng)轉(zhuǎn)向控制策略，見圖3。

3 仿真結(jié)果及分析

基于以上EHPS系統(tǒng)各部分?jǐn)?shù)學(xué)模型的研究，在AMESim軟件中搭建系統(tǒng)各部分仿真模型，同時(shí)導(dǎo)入課題組開發(fā)的SORKT01-02M01電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵樣機(jī)參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示。

將系統(tǒng)各部分組合，得到最后總體仿真模型如圖4所示。

設(shè)定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速為勻速10 r/min，單向行程300°，運(yùn)行仿真，得到EHPS系統(tǒng)助力特性曲線及轉(zhuǎn)向盤輸入力矩與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線。

圖5為車輛在原地、中速和高速情況下經(jīng)仿真生成的助力特性曲線。仿真結(jié)果顯示：原地轉(zhuǎn)向時(shí)，同一轉(zhuǎn)向盤輸入力矩下轉(zhuǎn)向器助力輸出最大，這表明此時(shí)完成轉(zhuǎn)向過程所需駕駛員手力最小，符合低速下轉(zhuǎn)向輕便的要求；隨著車速的升高，轉(zhuǎn)向器助力輸出逐漸減小，說明在高速時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤需要更大的駕駛員手力，提升了路感，保證了駕駛員行車安全。同時(shí)，由于采用了轉(zhuǎn)角控制，助力特性曲線中存在助力死區(qū)，在這一區(qū)域內(nèi)，轉(zhuǎn)向器不助力或僅輸出極小助力，增強(qiáng)了汽車的直線行駛性能。

圖6為車輛在原地、中速和高速情況下經(jīng)仿真生成的駕駛員手力與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線。仿真結(jié)果顯示：隨著車速的提高，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過同一角度所需的駕駛員手力逐漸升高，進(jìn)一步說明了EHPS系統(tǒng)符合低速時(shí)轉(zhuǎn)向輕便、高速時(shí)路感清晰的要求。

4 臺(tái)架試驗(yàn)及結(jié)果分析

EHPS試驗(yàn)臺(tái)架由控制器、電動(dòng)泵總成、測力方向盤總成、液壓油路以及負(fù)載彈簧等結(jié)構(gòu)組成。其中，負(fù)載彈簧采用實(shí)車前懸架彈簧，液壓油路采用實(shí)車液壓油管，同時(shí)在電動(dòng)泵高壓油管回路中串入壓力、流量及溫度傳感器，監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并采用IMC采集儀對傳感器信息進(jìn)行采集，便于數(shù)據(jù)分析。

圖7為試驗(yàn)臺(tái)架整體結(jié)構(gòu)。

采用與仿真運(yùn)行時(shí)相同的轉(zhuǎn)向盤輸入，得到臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖8為出油口油壓與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，圖9為車輛在原地、中速和高速情況下轉(zhuǎn)向盤輸入力矩與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的關(guān)系圖線。考慮到人轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)的操作誤差及實(shí)際系統(tǒng)液壓油路泄油誤差，可認(rèn)為臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

基于現(xiàn)有EHPS系統(tǒng)參數(shù)，結(jié)合對EHPS各組成結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型分析，在AMESim軟件中建立了仿真模型。通過引入EHPS控制策略并進(jìn)行仿真，得到了助力轉(zhuǎn)向器的助力特性曲線和手力矩與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線。結(jié)合仿真結(jié)果，搭建EHPS試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，與仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，表明該仿真模型的數(shù)學(xué)模型和仿真算法是正確的、符合實(shí)際的。同時(shí)，通過對EHPS系統(tǒng)控制策略的仿真驗(yàn)證，為EHPS系統(tǒng)臺(tái)架及實(shí)車的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了參考。

【1】王豪,丁潤濤,李志杰,等.電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2008,41(5):627-630.

【2】郭曉林,季學(xué)武,陳奎元.流量控制式ECHPS系統(tǒng)轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009,39(11):26-29.

【3】高峰,劉亞輝,季學(xué)武,等.電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的初步匹配計(jì)算[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2007,33(5):605-607.

【4】黃勇,陳全世,仇斌,等.電動(dòng)汽車電動(dòng)液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制[J].公路交通科技,2005,22(10):147-150.

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【6】呂英超.PMSM EPS控制策略的研究[D].北京：清華大學(xué),2011.

【7】劉亞輝,季學(xué)武.汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可變助力特性的設(shè)計(jì)[J].汽車工程,2010(3):238-243.

豐田策略調(diào)整更注重汽車設(shè)計(jì)和操作性

豐田新全球架構(gòu)戰(zhàn)略強(qiáng)調(diào)繼續(xù)保持汽車的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，但是會(huì)更加注重汽車的設(shè)計(jì)以及操作性。豐田新的生產(chǎn)平臺(tái)將使用節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)和堅(jiān)固的輕質(zhì)框架，專家預(yù)計(jì)這些新特性將在第四代普銳斯混動(dòng)車上體現(xiàn)出來。

同時(shí)，通過整合車型系列的生產(chǎn)和研發(fā)，豐田計(jì)劃將新車生產(chǎn)的成本削減20%。豐田準(zhǔn)備利用零件共用來減少制造工藝的復(fù)雜性，以降低資本投入。據(jù)豐田表示，這些改變將使建設(shè)新工廠的資本投入減少至少40%。豐田還表示，新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性將提高25%，并比當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)提供多15%的動(dòng)力。升級版的普銳斯也將采用新的混合動(dòng)力系統(tǒng)。

(來源：互聯(lián)網(wǎng))

SimulationandExperimentStudyofElectro-HydraulicPowerSteeringSystemBasedonAMESim

WANG Qiao

(Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

A model of electro-hydraulic power steering (EHPS) system was established by using the AMESim software,and the assistance law was developed,imported the parameters of prototype to run simulation.The results show that the EHPS system can make the vehicle steer light in low speed and have positive road feel in high speed.Combined with the results of simulation,a test bench was built.The bench test results was coincide with the simulation.

Electro-hydraulic power steering；AMESim simulation；Test bench

2015-02-09

王喬(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。E-mail：qieziqiao@outlook.com。