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线控转向系统理想传动比控制研究

2020-12-15朱恒伟张建臣孟俊焕刘豪睿郑全苏世耀

汽车实用技术 2020年22期

朱恒伟 张建臣 孟俊焕 刘豪睿 郑全 苏世耀

摘 要:传统的汽车转向系统多为固定传动比或是传动比变化值较小的形式,汽车在实际转向时由于路况不同、车速的变化以及整车其他系统的非线性变化,对汽车转向响应特性影响较大,驾驶员在转向操作时,常常需要通过时时校正方向盘来补偿汽车横向行驶的稳定性,增加了操作负担和行驶风险。而文章试图通过对线控转向系统不同工况下的理想传动比进行研究,找到理想传动比变化规律,改善汽车的操纵稳定性和行驶安全性。

关键词:线控转向;转向响应特性;操纵稳定性

中图分类号:U463.4  文献标识码:A  文章编号:1671-7988(2020)22-110-03

Abstract: Traditional automobile steering system for fixed ratio or smaller values of the ratio changes of forms, due to different road conditions and the speed of the car when the car in the actual to the change of the nonlinear changes, and other systems for vehicle steering response for cars, drivers in steering operation, often need to pass all the correction of the steering wheel to compensate for the cars drive lateral stability, increased the burden and risk. By studying the ideal transmission ratio under different working conditions of the drive-by-wire steering system, this paper tries to find out the changing law of the ideal transmission ratio and improve the vehicle handling stability and form safety.

Keywords: SBW; Steering response characteristic; Handling stability

CLC NO.: U463.4  Document Code: A  Article ID: 1671-7988(2020)22-110-03

前言

传统的汽车转向系统由于整个转向传动机构都是由机械结构连接,其在转向操作过程中传动比很难改变,因此在不同工况下很难保证汽车都具有良好的转向特性,并且也不容易实现基于无人驾驶的主动转向控制。而线控转向系统由于断开了汽车轮胎和方向盘之间的机械连接,转向控制器可以根据驾驶员意图和车辆当前状态时时控制汽车转向,传动比可以根据行驶工况自主设计,进一步改善汽车的操纵稳定性和形式安全性,已成为国内外研究的热点。

1 线控转向系统组成及工作原理

线控转向系统主要是由转向盘、转向盘转角及力矩传感器、减速器、路感电机构成的转向盘总成,转向执行电机、减速器、齿轮齿条转向器等构成的转向执行机构以及控制器(ECU)三部分组成,其基本结构如图1所示。

转向盘总成主要是将驾驶员的转矩、转角等输入信号传给ECU,同时通过ECU计算获取的路感信号输入给路感电机,路感电机模拟路感反馈给转向盘;转向执行机构主要是通过ECU根据各传感信号判别汽车行驶状况,转向执行电机通过不同工况下的理想传动比来控制车轮转向。

2 线控转向系统理想传动比控制研究

传统的汽车转向系统多为固定传动比或是传动比变化值较小的形式,汽车在实际转向时由于路况不同、车速的变化以及整车其他系统的非线性变化,对汽车转向响应特性影响较大,驾驶员在转向操作时,常常需要通过时时校正方向盘来补偿汽车横向行驶的稳定性,增加了操作负担和行驶风险。而线控转向系统则可以通过设计合理的传动比变化规律,保证汽车在不同车速和方向盘转角下,都有着相同的转向响应特性,改善汽车的操纵稳定性和形式安全性。

2.1 传统固定传动比汽车转向特性分析

图2所示为传统汽车在不同车速下的汽车横摆角速度增益仿真曲线,由图可知,汽车横摆角速度增益先是急剧增加,最后趋于稳定,不同车速下的汽车横摆角速度增益响应不同,达到稳态的汽车横摆角速度增益先是隨车速的增加而增加,80km/h时达到最大,随后随车速的增加而逐渐减小,表现为不足转向特性。

当车速最高时,汽车达到稳态响应所需的时间明显增加,瞬态响应曲线发生了剧烈振荡,此时,汽车在转向过程中由于响应剧烈极易失去稳定性且难以准确掌控。这就要求驾驶员时刻保持高度专注,汽车转向时常常需要通过时时校正方向盘来补偿汽车横向行驶的稳定性,进一步增加了汽车横向操纵的难度和安全隐患。本文结合传统固定传动比转向系统不足,对线控转向系统的理想传动比进行设计。

2.2 基于稳态横摆角速度增益不变的理想传动比设计

为了满足不同工况下,对转向系统的不同要求,理想传动比的设计应使线控转向系统满足以下要求:

(1)设置合理传动比变化规律,保证汽车在不同车速下具有稳定的转向增益。

(2)汽车在低速段转向操作时,应保证汽车应该具有较大的转向灵敏度,所以转向系统应该具有较小的理想传动比,驾驶员在进行大角度转弯时,只需要转动较小的方向盘转角,以满足低速时转向灵敏性和操作轻便性的要求,但是考虑到转向时前轮所能的的极限位置,应该设置一个最小值。

(3)汽车在高速段转向操作时,应保证汽车应该具有较小的转向灵敏度,所以转向系统的理想传动比要大,使汽车转向“迟钝”,给驾驶员一定的缓冲和判断的时间,从而降低驾驶员在高速段转向操作时的操作难度和精神压力,以满足操作稳定性要求。同时,为了避免转向过于“迟钝”,影响超车等驾驶行为,应该设置一个最大值。

3 基于Simulink和Carsim的联合仿真

将 Matlab/Simulink中建立的线控转向系统动力学模型替换 CarSim软件中传动汽车转向模型,搭建基于Simulink和Carsim的联合仿真模型,如图5所示,对基于理想传动比控制的线控转向系统进行仿真分析。

选择双移线试验工况,来测定汽车线控转向系统的操纵稳定性,比较线控转向系统整车模型加入理想传动比控制后和传统定传动比汽车的控制效果。

4 结论

论文通过对传统固定传动比汽车转向特性进行分析,设计出一种基于横摆角速度增益不变的理想传动比变化曲线,并建立理想传动比控制模型。选择双移线试验工况,通过联合仿真试验,验证了模型具有良好的操纵稳定性,可以满足设计要求。

参考文献

[1] 王常友,董爱杰.汽车转向系统的现状及发展趋势[J].北京汽车, 2007(03).

[2] 宗长富,韩衍东,何磊等.汽车线控转向变角传动比特性研究[J].中国公路学报,2015,28(09).

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[4] 王俊.基于变角传动比的汽车线控主动转向控制策略研究[D].合肥:合肥工业大学,2017.

[5] 杨胜兵.线控转向系统控制策略研究[D].武汉:武汉理工大学, 2008.