车辆论文中型商用车电动助力转向的建模

　　近年来，随着用户对汽车驾驶舒适性要求的提高，动力转向系统的性能需求也进一步提高。由于电动助力转向（ElectricPowerAssistSteering，简称EPAS）在燃油消耗、安全性、可控性方面的优势，国外汽车的电动助力转向有逐步取代传统液压动力转向（HydraulicPowerSteering，简称HPS）的趋势。EPAS用电动机直接提供助力，助力大小由电控单元（ECU）控制。由于它取消了需要发动机带动的转向油泵，所以在一定程度上它能够降低燃油消耗，且有利于环保，并且为提高主动安全性提供了可能，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术。

　　摘要：首先分析了电动助力转向（ElectricPowerAssistSteering，简称EPAS）的系统原理，然后以某中型商用车为对象，利用ADAMS软件构建了该车的虚拟样机模型，并分别对三种不同的助力方式进行了仿真计算，确定了三种助力方式的优缺点，并为后续电控开发提供了电动助力转向MAP的基础数据。

　　关键词：电动助力转向,ADAMS,虚拟样机,建模仿真

　　电动助力转向的关键是建立与目标车型相适应的助力MAP。获取此MAP的途径有两种：一种是通过反复试验标定的方式获取；一种是通过仿真计算的方式获取。试验方式成本高、时间长，而仿真方式却具有成本和时间上的高效率。通过仿真方式获取助力MAP需要首先获得目标车型的整车模型，利用该模型可以对不同车速下的助力曲线进行分析修正，直到仿真结果满足控制要求。此时得到的车速、转向盘输入力矩、助力矩的三维对应关系，就是合乎目标车型的助力MAP。本文针对东风某中型商用车，通过ADAMS建立了整车动力学模型，然后利用该模型分别对三种助力MAP进行了仿真计算，确定了三种方式的优缺点，为后续电控开发提供了助力MAP的基础数据。

　　1电动助力转向的原理

　　电动助力转向的基本原理是由电动助力转向控制器获取方向盘扭矩信号（也可以认为是角度信号或转动速度信号）及整车车速信号，按照预先设定的助力模型对直流助力电机实施控制。通过控制改变电机电流的大小，从而改变输出力矩。该输出力矩通过减速机构放大后与驾驶员手力一起作用于转向器输入轴，进而控制车辆转向。电机的输出力矩实际上是对操纵手力起到了助力作用。系统结构如图1所示。

　　汽车电动助力转向的关键在于控制器控制程序的设计，而控制程序设计什么样的助力模型，是关乎电动转向助力性能的关键。根据前人实践经验和理论知识，一种电动助力转向的理想转向助力模型正被越来越多的工程人员接受。该模型遵循汽车转向原理和要求来实现操纵稳定性，其助力特性随方向盘转动手力和车速变化而变化，有以下规律：

　　1）随方向盘力矩增大，电机电流（扭矩）按一定规律增大；

　　2）随方向盘转动速度增大，电机转速增加；

　　3）随方向盘转动方向不同，电机转动方向不同，换向时不得有滞后现象；

　　4）随汽车车速增大，电机电流（扭矩）按一定规律减小。

　　如图2所示，为电动转向助力的手力特性，共有三种形式：直线式、折线式及曲线式。其中纵坐标为助力力矩，横坐标为手力力矩。可以看出，手力越大，助力也越大。该特性是否合理主要是看其形状是否利于驾驶员操纵。图3为转向助力的速度特性，其中车速感应系数指随着车速的变化，助力大小所需要的修正系数。图4为以曲线助力为例，转向力特性和速度特性相结合后产生的立体曲线图。它显示的就是一种电动助力转向器的理想转向助力模型。χ轴为方向盘扭矩座标，у轴为车速座标，z轴为电机助力座标。在每一个车速上都有一个转向特性，该模型就是不同车速下无数转向力特性的组合。

　　2整车模型

　　2.1整车三维图及重要参数

　　ADAMS是全球运用最为广泛的机械系统仿真软件，用户可以利用其在计算机上建立和测试虚拟样机，实现事实再现仿真，了解复杂机械系统设计的运动性能。该软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。本文利用该软件通过导入现有东风某中型商用车的CAD模型，建立了该商用车的整车模型。图5为该商用车的CAD模型。电动助力转向系统的布置形式如图6所示，图7为转向系统硬点坐标示意图。表1为整车主要参数。

　　2.2.1转向系统模型

　　本文所涉及商用车转向子系统采用了循环球式转向器，其传动比为28。它将与钢板弹簧子系统、非独立前悬架子系统组装成带有转向系的前钢板弹簧非独立悬架仿真模型。

　　转向子系统主要由转向盘、转向杆、循环球转向器和转向垂臂等部件组成。转向器通过转向器壳与车架固定相连，转向柱固定在车身上。转向垂臂与前悬架中的直拉杆通过转动铰链相连。

　　为了模拟助力电机对转向器的助力作用，在转向杆上施加一助力矩。助力矩的大小与变化规律根据所采用的助力特性曲线的不同而改变。图10为转向系统模型。

　　2.2.2动力总成模型及整车模型

　　由于动力总成不对整车操稳性产生直接影响，动力总成模型采用了ADAMS/car软件自带的通用简单模型。该模型可根据节气门开度和变速器换档指令计算出动力总成输出转矩，通过通信器可直接将该转矩施加到驱动轮上。简单动力总成模型的拓扑结构如图11所示，主要由代表动力总成和变速器质量的外形图以及三个将动力总成与车架连接的bushing组成。各个模型构建完后，组装到一起，就形成了整车模型，如图12所示。由于本文主要研究转向系统操稳性，因此其它子系统的建模就不一一介绍。

　　3仿真分析

　　ADAMS/SolverTM提供了功能强大的求解器，本文利用前述整车模型分别对直线型、折线型和曲线型三种助力模型进行了仿真。最终确定了三种助力MAP，如图13所示。图14为某车速下的双纽线仿真结果，表2为部分仿真数据。表3为蛇形工况的仿真数据。

　　对电动助力转向系统的评价主要有两个方面：

　　1）轻便性：用转向盘平均作用力和转向盘最大作用力两项指标来评价转向轻便性。

　　2）转向盘中间位置区域性能评价：

　　①转向盘力矩为0nm时的侧向加速度：表征了汽车的回正性能。此加速度值越小表明汽车的回正性能越好，但它受到系统阻尼与车辆响应滞后的影响，这个评价指标不宜过大或过小；

　　②侧向加速度为0g时的转向盘力矩：表征了转向系中的库仑干摩擦，但它也受到系统阻尼与车辆相位滞后的影响；

　　③侧向加速度为0g时的转向盘上的力矩梯度：它是0g处转向盘转矩随汽车侧向加速度的变化率，表征了“路感”。它主要受主销几何参数与转向系总传动比的影响；

　　④侧向加速度为0.1g时转向盘力矩梯度：它是0.1g处转向盘转矩随汽车侧向加速度的变化率，表征了刚离开直线行驶状况时的“路感”；

　　⑤0度转角时的转向盘力矩和0度转角时的转向盘力矩梯度：表征了转向系的“刚度”。

　　4结论

　　本文通过ADAMS软件构建了某中型商用车虚拟样机模型，按照电动助力的原理，利用该模型，分别使用三种助力方式进行了整车操稳仿真计算，试验结果表明，直线型助力的轻便性最好，但路感相对较差；曲线型助力路感最好，但轻便性相对差一些；折线型助力处于两者之间。同时通过该仿真，为后续电控开发提供了助力MAP的基础数据。

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