汽車主動懸架與電動助力轉向結構研究

黃立君 高志剛

摘?要：汽車底盤系統中主動懸架和電動助力轉向系統作為重要環節，它們相互影響、相互作用。基于此，文章以汽車相關結構概述為切入點，通過建立汽車系統動力學模型，設計汽車控制器，實現主動懸架和電動助力轉向系統的協調控制，提高汽車運行舒適性和穩定性。

關鍵詞：汽車;主動懸架;電動助力轉向;轉向結構

汽車行業的迅速發展，使得人們對汽車性能提出了更高要求，特別是操縱穩定性與行駛平穩性最受人們關注。而汽車懸架系統、轉向系統作為關鍵部件，對車輛行駛具有直接影響，也是廠商提高車輛性能的重點，主要是車輛行駛中，受限于不平整路面，可能會引發振動，通過懸架、車輪、座椅及車身傳遞至人員身上，需通過懸架系統、轉向系統減少駕駛員疲勞感。汽車作為復雜整體，行駛中轉向和懸架系統具有相互耦合影響，需加強集成控制，保證車輛行駛性能。

1?汽車相關結構概述

1.1?主動懸架

汽車系統較為復雜，行駛中由于轉向，受到路面不平和車速影響，導致發動機、車輪產生振動，降低車輛經濟性，還會對車輛平順性造成影響，導致駕駛員操作車輛出現不適感，損壞車輛承載物及零部件，需以懸架作為保穩減震的部件。車輛底盤中懸架是重要部分，也是車身和車輪傳力、連接裝置總稱，利用懸架能夠連接車橋和車身，傳遞車輪與車身力矩，減緩車輛行駛于不平路面的沖擊，確保駕駛員舒適和貨物完好（見圖1）。

根據圖片可知，彈性元件能夠緩和不平路面引發沖擊，保證車輪與車身彈性聯系;減震器能夠加快衰減車身與車架振動，保證車輛穩定行駛;導向機構由橫向、縱向推力桿組成，能夠傳遞車輪、車身力矩，保證車輪根據軌跡保持車架、車身穩定。汽車行駛狀態不同，懸架性能要求不同，正常行駛要求懸架柔軟，轉彎制動要求懸架堅硬。本文研究主動懸架，使得懸架系統阻尼特性和剛度可結合汽車行駛情況實現自適應調節，保證系統處于減震最佳狀態，具有控制車身高度，兼顧操作穩定性與平順性的優點。

1.2?電動助力轉向

汽車轉向系統是車輛底板重要環節之一，能夠改變或恢復車輛行駛方向，結合不同轉向動力源，將系統分為機械式、動力式類型。本文以電動助力轉向系統為研究對象，人們對汽車轉向靈敏、輕便性能要求較高，機械轉向無法滿足需求，傳統腋芽系統盡管能夠解決輕便轉向系統，卻易導致駕駛員高速行駛下喪失路感，也會增加油耗。采取電動助力轉向，能夠利用ECU調節，滿足行駛工況對系統需求，應用前景廣泛。

2?建立汽車系統動力學模型

車輛底板作為振動的復雜模型，建立動力學模型，是探究車輛行駛穩定、平順的基礎前提，底盤系統較為復雜，需搭建相應模型，便于仿真研究。

2.1?路面模型

車輛振動是道路不平造成影響，不平度道路具有隨機性，路面平整作為復雜、隨機過程，難以統計分析。為簡化研究，按照國際標準ISO文件劃分路面不平度等級，功率譜密度公式如下：

Gq（n）=nn0-wGq（n0）（1）

其中，n0是參考空間頻率，為0.1m-1;n是空間頻率;Gq（n0）是路面不平度系數;w是頻率指數，取2。路面功率譜密度是垂直方向位移功率譜密度，引入速度公路普密度，能夠補充統計路面不平度特性，一定范圍中幅值是常數，僅和Gq（n0）相關，可采取白噪聲通過成型濾波進行描述，公式如下：

q1（t）=2πn0?Gq（n0）W（t）v-2πfn00q1（t）（2）

其中，n00是路面空間截止頻率;q1（t）是前輪路面激勵;v是車速;W（t）是白噪聲;f是時間頻率。

2.2?主動懸架模型

模型建立中考慮整車轉向、側傾、俯仰運動的氣度自由動力學模型。公式如下：

Mv（φ+β·）-haM·aθ¨-sij=0（3）

其中，M是整車質量;θ是俯仰角;Ma是簧載質量;β是質心側偏角;φ是橫擺角速度;sij是輪胎側偏力。前輪由于轉角小，輪胎線性模型?。?/p>

Fbij=（zbij-zcij）kbij（4）

其中，kbij是垂直剛度;zbij是非簧載質量;Fbij是垂直荷載;zcij是路面輸入。

2.3?電動助力轉向模型

車輛轉向系統中，電動助力轉向系統是基于機械轉向結構，添加電動機提供助力扭矩，輔以電控單元與扭矩傳感器，使得EPS工作中，ECU能夠接受車速、轉矩新藥控制電動機，以此為轉向提供助力。

電動機模型：

Bmθm·+Jmθm¨=Tm-（θm-Gθe）km（5）

轉向柱模型：

Bsθs·+Jsθs¨+Ts=Th（6）

輸出軸模型：

Beθe·+Jeθe¨=Ts+（θm-Gθe）Gkm-Tw（7）

其中，Jm是電動機轉動慣量;Js是轉向柱轉動慣量;Je是減速機構轉動慣量;Ts是轉矩傳感器獲得數值;Bs是轉向柱阻尼系數;Be是減速機構阻尼系數;Bm是電動機阻尼系數;θm是電動機旋轉角;θs是轉向柱旋轉角;θe是輸出軸旋轉角;Th是轉向盤轉矩;Tm是電動機電磁轉矩;Tw是輸出軸轉矩;Ts轉矩傳感器測得數值;G是減速比。

3?汽車控制器設計

3.1?半主動懸架控制

（1）模糊控制算法。模糊控制數利用豐富經驗總結的自然語言進行控制，能夠通過實際操作歸納數據，獲得控制規律，借助計算機實現自動控制，無需了解控制對象模型，容易被人員接受，控制器設計不依賴精準模型，適應性良好。模糊語言值由多個模糊集和組成，描述輸出量和輸入量，以控制系統精準度決定集合樹木，集合正負對稱，遵循模糊控制規則，將操作者控制經驗獲得的模糊條件集合為控制語句，以此完成模糊控制。

（2）模型不確定參數。整車模型中輪胎有4個，能夠引入不確定參數，以乘性不確定代表參數不確定性，公式如下：

ms=（emδm+1）ms—（8）

其中，-是公稱參數，|δm|<1，kn、ms代表輪胎剛度，分析實際模型變動情況，取em數值0.3，應用LFT將系統中δm不確定參數輸入輸出進行計算。

（3）懸架性能指標。汽車詢價系統對于汽車操作穩定、平順具有直接影響，設計懸架系統需考慮性能指標，具體指動撓度、平順性、等效控制力、輪胎動載荷。

（4）搭建模糊控制模型。建立SFunction接口，搭建懸架模糊控制器與路面模型戶運行仿真，添加LMS?AMESim前綴代表順利連接接口，根據AMESSim采集的車身垂向速度、垂向加速度信號，利用模糊控制，以此輸出懸架阻力控制力，反饋阻尼控制力至軟件減震系統，提高車輛穩定性。

為保證結果準確，選用兩種路面輸入激勵仿真，B級路面和C級路面，選擇速度50km/h，利用軟件仿真車輛模型。以此可知，B級路面輸入模型垂直加速度降低，改善了動行程比，輪胎動荷載無顯著變化;C級路面下垂直加速度、動行程比也有所改善，保證了車輛行駛穩定性。

3.2?電動助力轉向控制

（1）PID控制算法。PID控制是采取比例、積分、微分控制規律方式，吸取PD和PI控制優點，提高系統穩定性，減少超調量，應用PID控制器中，比例控制能夠穩定系統，以微分控制調節偏差，以積分控制消除余差，合理調節控制參數后，能夠將PID控制優點充分發揮出來。PID控制應用廣泛，靈活使用，僅需設置參數值，即可實現多樣化控制，具有原理簡單、控制便捷、適應性強、魯棒性好的優點，根據系統控制對象調節參數，不會隨被控對象特性產生較大變化，適用于工業工程。

（2）控制系統。車輛轉向中，為增強車輛轉向穩定性，需合理控制電動助力轉向系統。車輛行駛時出現轉向，輸入轉向盤轉角信號向轉矩信號轉變，ECU接收轉矩信號和車輛速度信號，處理分析即可獲得電流信號，減去助力電機運轉的電流信號，可通過信號轉換進行控制轉矩輸出，經過執行機構達到控制效果。根據實際轉向系統情況，利用PID控制助力轉向，在AMESim軟件構建模型，創建接口，輸入量助力特性曲線圖和反饋電流，從模型輸入值接口，設置系統參數，進入仿真模式，PID結合軟件采集助力特性曲線及反饋電流，借助PID控制電壓信號，提高車輛穩定性。

4?汽車主動懸架和電動助力轉向結構集成控制

4.1?提出集成控制

懸架和轉向系統集成控制中，能夠利用轉向系統提供助力矩，經過轉向機構作用至車輪，地面能夠產生橫向力，加快車輛橫向加速度，使得車輛進行離心運動，存在慣性作用會使得車輛傾斜，影響懸架控制側傾角與動撓度。懸架系統中，輸入路面干擾會造成側傾、俯仰、簧載質量垂向運動，需重新分配車輛車輪荷載，影響轉向控制。而集成控制中，可分為協調、分散及集中控制，其中，集中控制是對整體子系統構件數學模型，設置控制器實現集成控制，子系統互相耦合，可采取現代控制理論設計控制器，卻由于控制器與系統模型階數高，難以有效實施;協調控制能夠單獨建立子系統模型，設置控制器，以上層協調方式調節系統耦合關系。協調控制便于擴展系統，提高可靠性，設計便捷，本文采取協調控制方式，實現主動懸架和電動助力轉向集成控制。

4.2?協調控制過程

在協調懸架和轉向系統中，需設計獨立懸架控制器，增強系統魯棒性與模型精確性，建模中考慮不確定因素，對于轉向和懸架系統相互影響、作用不考慮，簡化設計控制器任務，降低系統建模難度。在單獨涉及轉向控制器中，也不考慮相互影響，采取簡單線性二自由度模型和轉向系統模型設計控制器，完成獨立控制器后，考慮系統耦合關系，以此實現集成控制，直接將獨立控制器接入整車系統，無需對控制器重新設計，利用上層協調器對系統耦合關系加以協調（見圖2）。

汽車轉彎中，EPS系統結合方向盤操縱轉矩與轉角輸入調節助力轉矩，SAS控制器結合車輛狀態進行詢價系統調節，不考慮協調控制，系統將根據最佳性能完成單獨控制，使得車輛橫擺角速、側傾角及懸架動擾度難以達到優化狀態，較大的車身側傾角，會導致汽車產生危險情況。利用協調控制中，控制器需結合車身俯仰角、橫擺角速度、側傾角度等狀態信號，協調EPS與SAS系統，以模糊控制設計協調控制器。在控制中，汽車信號輸入控制器，輸出額外作用力用于SAS系統，產生作用力控制懸架，車輛左轉中，以左前輪為例，協調控制器的輔助作用將會根據懸架動撓度增大逐漸減小。

協調控制器采取單輸出、輸入一維控制器，根據輸入信號設置單獨控制器，各有規則庫與隸屬度函數，使得助力系統和往外作用力均由4個輸出量疊加構成，通過調節加權系數，協調控制中控制輸入信號大小，通過轉變甲醛稀釋，增加對橫擺加速度與側傾角度控制。例如，車輛左前輪，以懸架動撓度為輸入量，基本變化量是[-0.1，0.1]，量化因子選擇10，控制偏差E論域，劃分語言變量為模糊集，隸屬函數應用三角函數。輸出量論域Z同樣劃分語言變量為模糊集，以重心法計算，輸出比例系數是150，獲得等效輔助數值，重復上述計算過程，進行協調控制。

結語

綜上所述，本文建立路面模型、主動懸架模型及電動助力轉向模型，立足于模糊控制閥與PID控制措施，設計汽車控制器，采取單輸出、輸入一維控制器，根據輸入信號設置單獨控制器，實現協調控制，可有效降低輪胎動位移與懸架動撓度，改善汽車穩定性。

參考文獻：

[1]紀文煜.基于模型驅動架構的電動汽車電動助力轉向系統可靠性研究[J].太原城市職業技術學院學報，2021（07）：205207.

[2]張文杰，劉言強.解析新能源車輛電動助力轉向系統控制策略[J].內燃機與配件，2020（22）：203205.

[3]李志鵬，那少聃，常子凡.自抗擾控制的車輛電動助力轉向系統回正控制[J].哈爾濱工程大學學報，2020，41（07）：10661072.

[4]張志勇，蔣文杰，李博浩，王建波.輪轂驅動電動汽車的差動助力轉向與回正控制[J].長沙理工大學學報（自然科學版），2019，16（04）：8593.

[5]陳瀟凱，王晨宇，施國標.車輛主動懸架與電動助力轉向系統協同優化[J].吉林大學學報（工學版），2020，50（04）：11531159.

[6]劉志尚，段敏.四輪獨立驅動電動汽車EPS轉向特性研究[J].汽車實用技術，2019（04）：3235.

[7]王文慶，李鋒，魏紅梅.電動自行車重力感應轉向燈設計[J].智富時代，2018（11）：144.

[8]曹景勝，李剛，段敏，師合迪，劉叢浩.基于駕駛模擬器硬件在環的EPS助力特性研究[J].中國科技論文，2018，13（16）：18641870.

[9]于永初.關注未來汽車技術，讓汽車轉向器更智能[J].汽車工藝師，2018（06）：4547.

[10]曾建力，程海濤.液罐車電動助力轉向和主動懸架集成控制研究[J].汽車零部件，2016（03）：2326.