汽車系統(tǒng)動力學(xué)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)及控制PPT課件

1、1第十六章 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)及控制16.116.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)向幾何學(xué)16.216.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動分析16.316.3四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)16.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第1頁/共37頁216.116.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)向幾何學(xué)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)車輛轉(zhuǎn)向時，為獲得左右不等的轉(zhuǎn)向角，轉(zhuǎn)向桿系構(gòu)成的幾何形狀通常設(shè)計成不等邊四邊形，稱做“轉(zhuǎn)向梯形”，通過轉(zhuǎn)向梯形使兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向的目的。第2頁/共37頁3轉(zhuǎn)向幾何學(xué)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何原理cotcot/oikptL 為外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角， 為內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角， 為車輛軸距， 為兩主銷軸線與地面交點間的距離。oiLkpt車輛轉(zhuǎn)向時，滿足上式，

2、車輪才作純滾動。實際的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線通常在平行幾何關(guān)系曲線和阿克曼幾何關(guān)系曲線之間變化。16.116.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)向幾何學(xué)第3頁/共37頁416.216.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動分析轉(zhuǎn)向振動系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向桿系、轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向器以及懸架和簧載質(zhì)量組成。建模之前，做如下假設(shè)：2SCSLSsSCSLKKKi KK1)將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡化為總體扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)Ks表示的單自由度系統(tǒng)。并假定系統(tǒng)質(zhì)量集中于轉(zhuǎn)向盤，駕駛員控制的轉(zhuǎn)向盤固定不動；2)忽略簧載質(zhì)量的振動，即假設(shè)簧載質(zhì)量也固定不動；3)輪胎特性僅考慮側(cè)向剛度及側(cè)偏剛度，車輪定位參數(shù)只考慮車輪后傾拖距，而不考慮車輪外傾角和主銷內(nèi)傾角的影響； 為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與車

3、輪轉(zhuǎn)角的比值。si稱為轉(zhuǎn)向系總轉(zhuǎn)向比。1.轉(zhuǎn)向振動系統(tǒng)的組成第4頁/共37頁5 車輛前軸的側(cè)傾振動22fxxfstdIMMdt 16.216.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動分析 為車輛前軸的側(cè)傾轉(zhuǎn)動慣量， 為懸架變形產(chǎn)生的恢復(fù)力矩， 為輪胎變形產(chǎn)生的恢復(fù)力矩。xxfIsMtM222sstfaxxfd KB KI第5頁/共37頁6 前輪繞主銷的擺振22wkptpwdIKdt16.216.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動分析 為前輪繞主銷的轉(zhuǎn)動慣量， 為前輪繞主銷的轉(zhuǎn)向角剛度， 為前輪繞主銷的擺振角。kpIkpKw2()sSCSLwkpkpsSCSLKKKIIi KK第6頁/共37頁716.316.3四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 概述低速時行駛軌

4、跡對比四輪轉(zhuǎn)向的基本原理是：利用車輛行駛中的某些信息來控制后輪的轉(zhuǎn)角輸入，以提高車輛的操縱性和穩(wěn)定性。低速時，為減小轉(zhuǎn)彎半徑，后輪轉(zhuǎn)向方向與前輪相反，即“反相轉(zhuǎn)向”。高速轉(zhuǎn)向時，為提高車輛的穩(wěn)定性和加快車輛的側(cè)向響應(yīng)速度，后輪將產(chǎn)生與前輪同向的轉(zhuǎn)角，即“同相轉(zhuǎn)向”。高速時行駛軌跡對比第7頁/共37頁816.316.3四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 轉(zhuǎn)向運動學(xué)分析為前、后輪轉(zhuǎn)向角的比例系數(shù)，負號表示前后輪轉(zhuǎn)向方向相反。假設(shè)4ws系統(tǒng)對后輪轉(zhuǎn)向的控制策略為rf 0假設(shè)前、后輪轉(zhuǎn)向角非常小，轉(zhuǎn)彎半徑足夠大，則有：00tantanfrLRR第8頁/共37頁916.316.3四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)4ws 動力學(xué)分析第9頁/共37頁

5、10 動力學(xué)分析16.316.3四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正的 具有增加車輛不足轉(zhuǎn)向的作用，并使某些處于過度轉(zhuǎn)向的車輛超過臨界轉(zhuǎn)速后也能保持穩(wěn)定。2第10頁/共37頁11 動力學(xué)分析16.316.3四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第11頁/共37頁12 動力學(xué)分析16.316.3四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第12頁/共37頁1316.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 概述 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering System ,EPS)是在機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用電池作能源，電動機為動力裝置，直接依靠電動機提供輔助轉(zhuǎn)矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電控單元、助力電機、減速機構(gòu)等幾部分組成。第13頁/共

6、37頁1416.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 概述 工作原理: 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的大小和方向，產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩電信號；同時，車速傳感器也產(chǎn)生一個車速電信號。轉(zhuǎn)矩信號和車速信號傳給控制單元，控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩信號和車速信號并通過一定的控制算法決定助力電機的旋轉(zhuǎn)方向和助力電流的大小，從而完成實時控制助力轉(zhuǎn)向。 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩越大，助力電機提供的助力力矩也越大，提高汽車的轉(zhuǎn)向輕便性；同時，控制單元根據(jù)車速的大小來控制路感，車速低時提供較大的助力，車速高時提供較小的助力，增強駕駛員的路感。第14頁/共37頁1516.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 概述電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：1) 降低了燃

7、油消耗 2) 提供可變的助力特性 3) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，方便安裝4) 環(huán)保性5) 低溫工作性能好 第15頁/共37頁1616.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 概述 EPS系統(tǒng)根據(jù)電動機助力位置的不同，可以分為：轉(zhuǎn)向軸助力式、齒輪助力式、齒條助力式三種 ：第16頁/共37頁1716.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模假定轉(zhuǎn)向盤固定，以齒條所受地面沖擊為輸入，并以轉(zhuǎn)向盤固定不動所需的力矩為輸出。1()()sxKgxrm mrMxFCxK xgrrrtrrr rmmrrrrppppK()xrJCKgTmmmmmmmmrp ()rammmpxTKgr電動機助力力矩mieTK I電動

8、機電磁轉(zhuǎn)矩第17頁/共37頁18 助力特性的概念 助力特性是指助力隨汽車運動狀況（車速和轉(zhuǎn)向盤手力）變化而變化的規(guī)律。 I 直線行駛區(qū)II 強路感區(qū)III 輕便轉(zhuǎn)向區(qū)1016.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù)第18頁/共37頁19 EPS對助力特性的基本要求1)1) 當(dāng)轉(zhuǎn)向盤輸入力矩小于某一特定值（通常設(shè)為1N1Nm m）時，助力矩為零，EPSEPS不起作用。2)2) 在轉(zhuǎn)向盤輸入力矩較小的區(qū)域，助力部分的輸出應(yīng)較小，以保持較好的路感。3) 在轉(zhuǎn)向盤輸入力矩較大的區(qū)域，為使轉(zhuǎn)向輕便，助力效果要明顯。1216.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù)第19頁/共37頁204) 在轉(zhuǎn)向盤輸入力矩達

9、到駕駛員體力極限的區(qū)域時，應(yīng)盡可能發(fā)揮較大的助力 效果。5) 隨著車速的增高，助力應(yīng)減小。6) 符合國家標準對動力轉(zhuǎn)向作用在轉(zhuǎn)向盤上的最大操縱力要求。 EPS對助力特性的基本要求1316.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù)第20頁/共37頁21 EPS助力特性的曲線特征T Td d/ /N Nm mI I/ /A AT Td dmaxmaxI ImaxmaxT Td d0 0V=V=0 0V V=V=VmaxmaxT Td dmaxmaxI ImaxmaxT Td d0 0V V=0=0V=VV=VmaxmaxT Td d/ /NmNmI I/ /A AT Td d1 1T Td dmaxm

10、axI ImaxmaxT Td d0 0V V=0=0V=VV=Vm maxaxT Td d/ /NmNmI I/ /A A EPS的助力特性具有多種曲線形式，下圖為三種典型助力特性曲線。圖中助力特性曲線可以分成三個區(qū)，分別為無助力區(qū)，助力變化區(qū)和助力不變區(qū)。a）直線型 b）折線型 c）曲線型 1516.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù)第21頁/共37頁22T Td d/ /N Nm mI I/ /A AT Td dmaxmaxI ImaxmaxT Td d0 0V=V=0 0V V=V=Vmaxmax 直線型助力特性曲線 特點在助力變化區(qū)，助力與轉(zhuǎn)向盤力矩成線性關(guān)系。 1616.416.

11、4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù)第22頁/共37頁23T Td d/ /N Nm mI I/ /A AT Td dmaxmaxI ImaxmaxT Td d0 0V=V=0 0V V=V=Vmaxmax 直線型助力特性曲線的函數(shù)表示maxmax00max00)()(0dddddddddTTTTTTTITTVKI 式中，I I為電動機的目標電流；I Imaxmax為電動機的最大工作電流；T Td d為轉(zhuǎn)向盤輸入力矩；K K（V V）為助力特性曲線的梯度，隨車速增加而減??；T Td d0 0為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開始助力時的轉(zhuǎn)向盤輸入力矩；T Td dmaxmax為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供最大助力時的轉(zhuǎn)向盤輸入力矩。 171

12、6.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù)第23頁/共37頁24 折線型助力特性曲線T Td dmaxmaxI ImaxmaxT Td d0 0V V=0=0V=VV=VmaxmaxT Td d/ /NmNmI I/ /A AT Td d1 1 它的特點是在助力變化區(qū)，助力與轉(zhuǎn)向盤力矩成分段線性關(guān)系。 1816.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù)第24頁/共37頁25 折線型助力特性曲線的函數(shù)表示T Td dmaxmaxI ImaxmaxT Td d0 0V V=0=0V=VV=VmaxmaxT Td d/ /NmNmI I/ /A AT Td d1 1maxmax1100max0111201

13、0)()()()()()(0ddddddddddddddddTTTTTTTTTTITTVKTTVKTTVKI 式中，K1（V）、K2（V）分別為助力特性曲線的梯度，隨車速增加而減??；Td1為助力特性曲線梯度由K1（V）變?yōu)镵2（V）時的轉(zhuǎn)向盤輸入力矩。 1916.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù)第25頁/共37頁26 曲線型助力特性曲線T Td dm ma ax xI Im ma ax xT Td d0 0V V= =0 0V V= =V Vm ma ax xT Td d/ /N Nm mI I/ /A A 它的特點是在助力變化區(qū)，助力與轉(zhuǎn)向盤力矩成非線性關(guān)系。 2016.416.4電動助

14、力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù)第26頁/共37頁27 曲線型助力特性曲線的函數(shù)表示T Td dm ma ax xI Im ma ax xT Td d0 0V V= =0 0V V= =V Vm ma ax xT Td d/ /N Nm mI I/ /A Amaxmax00max0)()(0ddddddddTTTTTTTITfVKI 比較上述三種助力特性曲線，直線型助力特性最簡單，有利于控制系統(tǒng)設(shè)計，并且在實際中調(diào)整容易；曲線型助力特性復(fù)雜，調(diào)整不方便；折線型助力特性則介于兩者之間。 2116.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù)第27頁/共37頁28 EPS EPS的助力特性有多種曲線形式。直線型助力特

15、性最簡單，有利于控制系統(tǒng)設(shè)計，并且在實際中調(diào)整容易；曲線型助力特性復(fù)雜，調(diào)整不方便；折線型助力特性則介于兩者之間。 2316.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 關(guān)鍵技術(shù)第28頁/共37頁2916.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 基本控制方法(1) 助力控制 根據(jù)轉(zhuǎn)矩-電機目標電流表，確定電機助力的目標電流，驅(qū)動電機產(chǎn)生合適的助力，低速行駛時提供較大的助力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便靈敏。(2) 回正控制 高速行駛時，為防止回正超調(diào)。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)到中間位置時，電控單元將使電動機電流逐漸減少，電動機將產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)速成正比的阻力矩，使其對轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生回正阻尼，使汽車獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向特性。(3) 阻尼控制 高速行駛時，如果路面有

16、高頻的干擾，轉(zhuǎn)向盤便會在中間位置附近抖動，使駕駛員感覺緊張，同時手感變差。為改善汽車高速行駛時轉(zhuǎn)向盤在中位附近的性能，利用電機對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)施加一定阻尼，以減少轉(zhuǎn)向盤的抖動。第29頁/共37頁3016.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 控制策略(1) 比例助力控制 電動機電流與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩信號成比例。reaisaispxIK TK Kr()rmieiaisiaispxTK IK K TK K Kr1()()sxKgxrm mrMxFCxK xgrrrtrrr rmmrrrrppppKrrmmmmmmmmiaisppxxJCKgKK KKrr ()rmmmmmmiaispxCKKgK KKr

17、 2()22KKgKgsm mm mCxKxFrrrrmtrrprrpp 第30頁/共37頁3116.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 控制策略(1) 比例助力控制 令狀態(tài)變量為 ()TrrmmXxx輸入為 trUF輸出為 rspxYKrXAXBUYC XD U2()220100010()0010mmrrprmmmmiaispmmmKKKgrsmmmm rm rppKgCmr mACKKgK KKr JJJ 1000rmB000spKCr 0D 第31頁/共37頁320123456012345678tTs k1=0.5k2=2.5第32頁/共37頁3316.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 控制策略(2)

18、 比例、微分助力控制 電動機電流與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩信號成比例，引入電動機的轉(zhuǎn)速。eaiscimIK TK()rmieiaisiaisicimpxTK IK K TK K KK Kr1()()sxKgxrm mrMxFCxK xgrrrtrrr rmmrrrrppppKrrmmmmmmmmiaisicimppxxJCKgKK KKK Krr ()rmmmmmmiaisicimpxCKKgK KKK Kr 2()22KKgKgsm mm mCxKxFrrrrmtrrprrpp 第33頁/共37頁3416.416.4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 控制策略令狀態(tài)變量為 ()TrrmmXxx輸入為 trUF輸出為 rspxYKrXAXBUYC XD U2()220100010()()0010mmrrprmicimmmiaispmmmKKKgrsmmmm rm rppKgC