汽車前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)畢業(yè)論文.doc

1汽車前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)畢業(yè)論文汽車主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)：機(jī)械工程及自動(dòng)化摘要2主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在轉(zhuǎn)向盤和齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)之間的轉(zhuǎn)向柱上集成了一套雙行星齒輪機(jī)構(gòu)，用于向前輪提供疊加轉(zhuǎn)向角，從而實(shí)現(xiàn)變傳動(dòng)比功能。與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，其技術(shù)核心就是車輛在低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向更輕便、靈活；高速時(shí)，通過附加一個(gè)前輪轉(zhuǎn)角來提高操縱穩(wěn)定性。首先，建立了整車動(dòng)力學(xué)模型和主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及輪胎模型等。在建立模型的基礎(chǔ)上，分析了主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向的機(jī)械轉(zhuǎn)向主要部件雙行星齒輪機(jī)構(gòu)的工作原理和工作模式，設(shè)計(jì)了理想變傳動(dòng)比特性曲線并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，其結(jié)果與實(shí)際寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變傳動(dòng)比曲線相吻合。其次，從行車安全角度方面，根據(jù)主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特性，提出了附加前輪轉(zhuǎn)交控制、橫擺角速度反饋控制、主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向與直接橫擺力矩協(xié)調(diào)控制策略，并分別進(jìn)行仿真，其結(jié)果良好。然后，論文介紹了主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向與電子穩(wěn)定程序、主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向與主動(dòng)懸架集成控制的思想，充分體現(xiàn)了主動(dòng)安全的設(shè)計(jì)理念。另外，從行車的舒適性和安全性等角度，參考主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向與電子穩(wěn)定程序性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，對主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)，包括客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)。尤其是對主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向變傳動(dòng)比功能、轉(zhuǎn)向靈活性等特性方面做出評(píng)價(jià)。最后，根據(jù)主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特性，對比幾種加載方式，確定了用磁粉制動(dòng)器加載系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，試驗(yàn)項(xiàng)目包括：電流特性試驗(yàn)、低速時(shí)輕便性試驗(yàn)、高速時(shí)穩(wěn)定性試驗(yàn)。另外利用labVIEW編寫了數(shù)據(jù)采集程序，設(shè)計(jì)了界面。關(guān)鍵詞：主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向；雙行星齒輪；變傳動(dòng)比AbstractActivefrontsteeringsystemisthroughthefrontwheelsteeringangle3adjustment,changetheforceandtorquedistributionfronttoimprovevehiclehandlingandstability,especiallywhentravelingtheroadadhesioncoefficientintheisolated,windorroadbythelargelateralrolleffect,thevehiclebrakinganddrivesystemswithouttheneedtoparticipate,onlythroughtheactivefrontsteeringcanimprovevehiclehandlingandstability,theothermisusecanbethedriverssteeringtocompensate.ActiveSteeringstudyabroadasearlyasthelate6Ointhelastcenturybegan.Inrecentyears,morepartoftheapplicationofthistechnologytotherealvehicle,suchastheGermanBMWIZFjointlydevelopedasetofactivefrontsteeringsystem,thissystemhasbeenequippedwiththepartoftheBMW3Seriesand5Seriescars.Thesystemthroughasystemofdoubleplanetarygearmechanismtoachievetheindependentsuperpositionofthedriverssteeringcapabilities,theperfectsolutiontothecarlightandhigh-speedlow-speedsteeringtheconflictturnedtostableandeffectiveundertheinterferenceoflateralinhibitiontoimprovevehiclestability.Takingalightvehicleforthestudyofactivefrontsteeringtechnologyhasmadeasummaryofthemainalgorithmforthestabilitycontrolsystem,hardwaresystemdesign,structureandroleofthecharacteristicsandconclusionsandprospectstostart,andseveralotherpartsseparately.ThisstudyfortheActiveFrontSteeringstabilitycontrolalgorithmandhardwaresystemdesignanddevelopmentprovidesanimportantreference.Keywords:ActiveFrontSteering；Hardwaresyetem；StabilityControlAlgorithm目錄4第一章緒論.91.1汽車主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述.91.2汽車主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目的和.意義.91.3汽車主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.91.4汽車主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要研究內(nèi)容.12第二章主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和理想可變傳動(dòng)比.132.1轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)動(dòng)效率.242.2轉(zhuǎn)向系的轉(zhuǎn)動(dòng)比變化特性.242.3轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)間隙特性.25第三章奧迪動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng).263.1汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng).263.1.1機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介.263.1.2動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng).283.2奧迪動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能.333.2.1可變的傳動(dòng)比.333.2.2轉(zhuǎn)向靈活性功能.343.3奧迪動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu).343.3.1主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制單元.343.3.2執(zhí)行元件.353.3.3動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向鎖.373.3.4基準(zhǔn)傳感器.383.3.5ESP傳感器1與ESP傳感器2.3853.4奧迪動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作過程以及控制策略.383.5疊式傳動(dòng)裝置的構(gòu)造.403.6隨速助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng).413.7奧迪動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與ESP系統(tǒng)的配合優(yōu)勢.413.8奧迪動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的對比.45第四章主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)控制.484.1橫擺角速度的控制.484.22D*控制.514.3側(cè)傾穩(wěn)定性控制.514.4可變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的控制.52第五章主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)控制展望.53參考文獻(xiàn).55致謝.566第一章緒論1.1汽車主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來改變汽車行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu)的總稱。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功用是保證能按駕駛員的意愿進(jìn)行直線或轉(zhuǎn)向行駛。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的好壞直接影響汽車的操作穩(wěn)定性，對于保證汽車的安全行駛、減少交通事故、保護(hù)駕駛員的工作條件起著十分重要的作用。按轉(zhuǎn)向能源的不同，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類。機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，所有傳遞力的構(gòu)件是機(jī)械的，主要由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是兼用駕駛員體力和發(fā)動(dòng)機(jī)（或電動(dòng)機(jī)）的動(dòng)力作為轉(zhuǎn)向能源的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在前輪負(fù)荷過大時(shí)往往導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重，很難協(xié)調(diào)輕便性和靈敏性二者之間的矛盾，采用變傳動(dòng)比的轉(zhuǎn)向器只能部分地緩解二者之間的矛盾，并不能從根本上解決問題；動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加設(shè)一套動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置（如液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向油罐、油泵、控制閥、動(dòng)力缸）而形成的。由于液壓作用較大，駕駛員施加于轉(zhuǎn)向盤上很小的力矩，便可克服地面作用于轉(zhuǎn)向輪上的轉(zhuǎn)向阻力距，這樣便可很大程度上減輕駕駛員的操縱力。在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向盤到前輪的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比是嚴(yán)格固定的。轉(zhuǎn)向系定傳動(dòng)比設(shè)計(jì)的缺陷主要表現(xiàn)為：低速或停車工況下駕駛員需要大角度地轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，而高速時(shí)又不能滿足低轉(zhuǎn)向靈敏度的要求，否則車輛的穩(wěn)定性和安全性會(huì)隨之下降。因此，同時(shí)滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在低速時(shí)的靈活性要求與高速時(shí)的穩(wěn)定性要求是當(dāng)今車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題之一。1.2汽車主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的目的和意義主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向力大小，同時(shí)還可根據(jù)駕駛情況對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向比進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)。在高速行駛狀態(tài)下，間接轉(zhuǎn)向比和高轉(zhuǎn)向扭矩可保證卓越的駕駛舒適性和直線穩(wěn)定性。相反，在蜿蜒道路及中低速行駛狀態(tài)下（如調(diào)頭或泊車入位），轉(zhuǎn)向比會(huì)更加直接，以便實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)向精度和輕松的轉(zhuǎn)向操作。此外，寶馬主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還可與ESP電子穩(wěn)定程序相配合，提供雙重主動(dòng)安全保護(hù)：寶馬主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主動(dòng)轉(zhuǎn)向修正和ESP電子穩(wěn)定程序的主動(dòng)制動(dòng)介入。當(dāng)車輛高速緊急變道時(shí)，主動(dòng)轉(zhuǎn)向修正會(huì)立刻產(chǎn)生作用，根據(jù)不同的情況自動(dòng)選擇最佳轉(zhuǎn)向角度、輔助力、糾正力和轉(zhuǎn)向比，使輪胎一直保持足夠安全的抓地力，主動(dòng)轉(zhuǎn)向修正反應(yīng)時(shí)間僅為主動(dòng)制動(dòng)介入的三分之一，速度甚至要比富有經(jīng)驗(yàn)的職業(yè)車手更為迅速，車輛通常無需制動(dòng)便能平穩(wěn)的轉(zhuǎn)危為安。論文研究的理論價(jià)值在于：通過一系列的理論研究以及對比國外同行的先進(jìn)7技術(shù)，通過對主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種機(jī)制進(jìn)行分析，為我國的相關(guān)領(lǐng)域提供借鑒。論文研究的現(xiàn)實(shí)意義在于：以為駕駛者提供更好的操控性與安全性并且能夠根據(jù)不同的情況自動(dòng)選擇最佳轉(zhuǎn)向輔助力和轉(zhuǎn)向比，使輪胎一直保持足夠安全的抓地力。操控更為輕便，使轉(zhuǎn)向更為直接的駕駛體驗(yàn)的主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的理論和結(jié)構(gòu)研究，為國內(nèi)的相關(guān)行業(yè)提供借鑒，具有重大的意義。1.3主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1國外研究及發(fā)展現(xiàn)狀國外對主動(dòng)轉(zhuǎn)向的研究早在上世紀(jì)60年代末就開始了，德國寶馬公司也一直走在前列，一直致力于主動(dòng)轉(zhuǎn)向的研究，德國寶馬公司和ZF公司聯(lián)合開發(fā)了一套主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。2003年寶馬公司在部分寶馬3系、5系轎車上裝備了主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并成功上市；2004年初，寶馬公司憑借其主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)問鼎德國工業(yè)創(chuàng)新獎(jiǎng)；近幾年，隨著寶馬5系新款不斷推出，也標(biāo)志著寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)逐漸成熟。緊隨寶馬公司推出5系之后，保時(shí)捷公司也在997系列旗艦上裝配了一款可變傳動(dòng)比轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必然會(huì)逐漸出現(xiàn)在新一代豪華轎車和運(yùn)動(dòng)車中。近些年來，國外一些學(xué)者對主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制做了一些深入的研究。YoshikiKawaguchi計(jì)算出了一種基于被動(dòng)適應(yīng)非線性控制器的主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。改善了轉(zhuǎn)向輪橫向力的不穩(wěn)定性和非線性。FuKao.T.等考慮了輪胎滑移率和側(cè)向力的非線性關(guān)系以及路面摩擦力的不確定性。研究分析了基于模型參考自適應(yīng)非線性控制的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，實(shí)時(shí)仿真結(jié)果表明了該方法的有效性。BingZheng.PahngrocOh等通過對橫擺角速度和前輪轉(zhuǎn)角的反饋控制，使轉(zhuǎn)向時(shí)側(cè)向力和橫擺力矩間的關(guān)系等到了協(xié)調(diào)，獲得了理想橫擺角速度和橫擺力矩。改善了主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性，但并沒有考慮車輛行駛狀態(tài)，因此，車輛狀態(tài)識(shí)別正確與否會(huì)極大影響協(xié)調(diào)控制算法的能力。KunsooHuh主要研究了在低附著路面上車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，根據(jù)輪胎側(cè)向力參考值，提出一種對預(yù)測輪胎側(cè)向力進(jìn)行補(bǔ)償?shù)闹鲃?dòng)轉(zhuǎn)向控制方法，通過設(shè)計(jì)模糊邏輯控制器進(jìn)行硬件在環(huán)仿真，證明了該方法對主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過模型預(yù)測控制器計(jì)算前輪轉(zhuǎn)角來跟蹤車輪在低附著路面上的運(yùn)動(dòng)軌跡，試驗(yàn)仿真證明了此方法的可行性。Nagai等人考慮了主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向和直接橫擺力矩聯(lián)合控制對改善開環(huán)汽車的操縱穩(wěn)定性的作用。運(yùn)用跟蹤理想非線性車輛模型的控制