汽车系统动力学转向系统动力学及控制课件

主讲：胡爱军汽车系统动力学1主讲：胡爱军汽车系统动力学1第十六章第十六章 转向系统动力学及控制转向系统动力学及控制16.116.1转向系统结构及转向几何学转向系统结构及转向几何学16.216.2转向系统振动分析转向系统振动分析16.316.3四轮转向系统四轮转向系统16.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统2第十六章转向系统动力学及控制16.1转向系统结构及转向几16.116.1转向系统结构及转向几何学转向系统结构及转向几何学转向系统结构转向系统结构典型转向系统结构典型转向系统结构车辆转向时，为获得左右不等的转向角，转向杆系构成的几何形车辆转向时，为获得左右不等的转向角，转向杆系构成的几何形状通常设计成不等边四边形，称做状通常设计成不等边四边形，称做“转向梯形转向梯形”，通过转向梯形，通过转向梯形使两侧转向轮绕主销转动，实现车辆转向的目的。使两侧转向轮绕主销转动，实现车辆转向的目的。316.1转向系统结构及转向几何学转向系统结构典型转向系统结转向几何学转向几何学阿克曼转向几何原理阿克曼转向几何原理 为外侧转向轮转角，为外侧转向轮转角，为内侧转向轮转为内侧转向轮转角，角，为车辆轴距，为车辆轴距，为两主销轴线与为两主销轴线与地面交点间的距离。地面交点间的距离。车辆转向时，满足上式，车轮才作纯滚动。车辆转向时，满足上式，车轮才作纯滚动。实际的内、外轮转角关系曲线通常在平行实际的内、外轮转角关系曲线通常在平行几何关系曲线和阿克曼几何关系曲线之间几何关系曲线和阿克曼几何关系曲线之间变化。变化。16.116.1转向系统结构及转向几何学转向系统结构及转向几何学4转向几何学阿克曼转向几何原理为外侧转向轮转角，16.216.2转向系统振动分析转向系统振动分析转向振动系统主要由转向杆系、转向轮、转向器以及悬架和簧载质量转向振动系统主要由转向杆系、转向轮、转向器以及悬架和簧载质量组成。建模之前，做如下假设：组成。建模之前，做如下假设：1)将转向系统简化为总体扭转刚度系数将转向系统简化为总体扭转刚度系数Ks表示的单自由度系统。并假表示的单自由度系统。并假定系统质量集中于转向盘，驾驶员控制的转向盘固定不动；定系统质量集中于转向盘，驾驶员控制的转向盘固定不动；2)忽略簧载质量的振动，即假设簧载质量也固定不动；忽略簧载质量的振动，即假设簧载质量也固定不动；3)轮胎特性仅考虑侧向刚度及侧偏刚度，车轮定位参数只考虑车轮后轮胎特性仅考虑侧向刚度及侧偏刚度，车轮定位参数只考虑车轮后倾拖距，而不考虑车轮外倾角和主销内倾角的影响；倾拖距，而不考虑车轮外倾角和主销内倾角的影响；为转向盘转角与车轮转角的比值。为转向盘转角与车轮转角的比值。称为转向系总转向比。称为转向系总转向比。1.转向振动系统的组成转向振动系统的组成516.2转向系统振动分析转向振动系统主要由转向杆系、转向轮、车辆前轴的侧倾振动车辆前轴的侧倾振动16.216.2转向系统振动分析转向系统振动分析 为车辆前轴的侧倾转动惯量，为车辆前轴的侧倾转动惯量，为悬架变形产生的恢复力矩，为悬架变形产生的恢复力矩，为轮胎变形产生的恢复力矩。为轮胎变形产生的恢复力矩。6车辆前轴的侧倾振动16.2转向系统振动分析为 前轮绕主销的摆振前轮绕主销的摆振16.216.2转向系统振动分析转向系统振动分析 为前轮绕主销的转动惯量，为前轮绕主销的转动惯量，为前轮绕主销的转向角刚度，为前轮绕主销的转向角刚度，为前轮绕主销的摆振角。为前轮绕主销的摆振角。7前轮绕主销的摆振16.2转向系统振动分析为前16.316.3四轮转向系统四轮转向系统 概述概述低速时行驶轨迹对比低速时行驶轨迹对比四轮转向的基本原理是：利用车辆行驶中的某些信息来控制后轮的转角输入，四轮转向的基本原理是：利用车辆行驶中的某些信息来控制后轮的转角输入，以提高车辆的操纵性和稳定性。以提高车辆的操纵性和稳定性。低速时，为减小转弯半径，后轮转向方向与前轮相反，即低速时，为减小转弯半径，后轮转向方向与前轮相反，即“反相转向反相转向”。高速转向时，为提高车辆的稳定性和加快车辆的侧向响应速度，后轮将产生高速转向时，为提高车辆的稳定性和加快车辆的侧向响应速度，后轮将产生与前轮同向的转角，即与前轮同向的转角，即“同相转向同相转向”。高速时行驶轨迹对比高速时行驶轨迹对比816.3四轮转向系统概述低速时行驶轨迹对比四轮转向的基本原16.316.3四轮转向系统四轮转向系统 转向运动学分析转向运动学分析为前、后轮转向角的比例系数，负号表示前后轮转向方向相反。为前、后轮转向角的比例系数，负号表示前后轮转向方向相反。假设假设4ws系统对后轮转向的控制策略为系统对后轮转向的控制策略为假设前、后轮转向角非常小，转弯半径足够大，则有：假设前、后轮转向角非常小，转弯半径足够大，则有：916.3四轮转向系统转向运动学分析为前、后轮转向角的比例系16.316.3四轮转向系统四轮转向系统4ws 动力学分析动力学分析1016.3四轮转向系统4ws动力学分析10 动力学分析动力学分析16.316.3四轮转向系统四轮转向系统正的正的 具有增加车辆不足转向的作用，并使某些具有增加车辆不足转向的作用，并使某些处于过度转向的车辆超过临界转速后也能保持稳定。处于过度转向的车辆超过临界转速后也能保持稳定。11动力学分析16.3四轮转向系统正的具有增加车辆 动力学分析动力学分析16.316.3四轮转向系统四轮转向系统12动力学分析16.3四轮转向系统12 动力学分析动力学分析16.316.3四轮转向系统四轮转向系统13动力学分析16.3四轮转向系统1316.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 概述概述 电动助力转向系统电动助力转向系统(ElectricPowerSteeringSystem,EPS)是在机械式转是在机械式转向系统的基础上，用电池作能源，电动机为动力装置，直接依靠电动机提供向系统的基础上，用电池作能源，电动机为动力装置，直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统辅助转矩的动力转向系统。整个系统由转矩传感器、车速传感器、电控单元、助力电机、减速机构等几部分组成整个系统由转矩传感器、车速传感器、电控单元、助力电机、减速机构等几部分组成。1416.4电动助力转向系统概述电动助力转向系16.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 概述概述 工作原理工作原理:转向盘转动时，转矩传感器检测转向盘转矩的大小和方向，产转向盘转动时，转矩传感器检测转向盘转矩的大小和方向，产生一个转矩电信号；同时，车速传感器也产生一个车速电信号。转矩信号和车生一个转矩电信号；同时，车速传感器也产生一个车速电信号。转矩信号和车速信号传给控制单元，控制单元根据转矩信号和车速信号并通过一定的控制算速信号传给控制单元，控制单元根据转矩信号和车速信号并通过一定的控制算法决定助力电机的旋转方向和助力电流的大小，从而完成实时控制助力转向法决定助力电机的旋转方向和助力电流的大小，从而完成实时控制助力转向。转向盘转矩越大，助力电机提供的助力力矩也越大，提高汽车的转向轻便转向盘转矩越大，助力电机提供的助力力矩也越大，提高汽车的转向轻便性；同时，控制单元根据车速的大小来控制路感，车速低时提供较大的助力，性；同时，控制单元根据车速的大小来控制路感，车速低时提供较大的助力，车速高时提供较小的助力，增强驾驶员的路感。车速高时提供较小的助力，增强驾驶员的路感。1516.4电动助力转向系统概述工作原理:转向16.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 概述概述电动助力转向系统具有以下优点电动助力转向系统具有以下优点：1)降低了燃油消耗降低了燃油消耗 2)提供可变的助力特性提供可变的助力特性 3)系统结构简单，占用空间小，方便安装系统结构简单，占用空间小，方便安装4)环保性环保性5)低温工作性能好低温工作性能好1616.4电动助力转向系统概述电动助力转向系统具有以下优点：16.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 概述概述 EPS系统根据电动机助力位置的不同，可以分为：转向轴助力式、齿系统根据电动机助力位置的不同，可以分为：转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种轮助力式、齿条助力式三种：1716.4电动助力转向系统概述EPS系统根据电16.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 电动助力转向系统建模电动助力转向系统建模假定转向盘固定，以齿条所受地面冲击为假定转向盘固定，以齿条所受地面冲击为输入，并以转向盘固定不动所需的力矩为输入，并以转向盘固定不动所需的力矩为输出。输出。电动机助力力矩电动机助力力矩电动机电磁转矩电动机电磁转矩1816.4电动助力转向系统电动助力转向系统建模假定转向盘固定 助力特性的概念助力特性的概念 助力特性是指助力随汽助力特性是指助力随汽车运动状况（车速和转向盘车运动状况（车速和转向盘手力）变化而变化的规律。手力）变化而变化的规律。I直线行驶区直线行驶区II强路感区强路感区III轻便转向区轻便转向区1016.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 关键技术关键技术19助力特性的概念助力特性是指助力随汽车运动状 EPS对助力特性的基本要求对助力特性的基本要求1)1)当转向盘输入力矩小于某一特定值（通常设为当转向盘输入力矩小于某一特定值（通常设为1Nm1Nm）时，助力矩为零，）时，助力矩为零，EPSEPS不起作用。不起作用。2)2)在转向盘输入力矩较小的区域，助力部分的输在转向盘输入力矩较小的区域，助力部分的输出应较小，以保持较好的路感。出应较小，以保持较好的路感。3)在转向盘输入力矩较大的区域，为使转向轻便，助在转向盘输入力矩较大的区域，为使转向轻便，助力效果要明显。力效果要明显。1216.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 关键技术关键技术20EPS对助力特性的基本要求1)当转向盘输入力矩小于某一4)在在转转向向盘盘输输入入力力矩矩达达到到驾驾驶驶员员体体力力极极限限的的区区域域时时，应尽可能发挥较大的助力应尽可能发挥较大的助力效果。效果。5)随着车速的增高，助力应减小。随着车速的增高，助力应减小。6)符合国家标准对动力转向作用在转向盘上的最大符合国家标准对动力转向作用在转向盘上的最大操纵力要求。操纵力要求。EPS对助力特性的基本要求对助力特性的基本要求1316.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 关键技术关键技术214)在转向盘输入力矩达到驾驶员体力极限的区域时，应尽可能发 EPS助力特性的曲线特征助力特性的曲线特征EPS的助力特性具有多种曲线形式，下图为三种典的助力特性具有多种曲线形式，下图为三种典型助力特性曲线。图中助力特性曲线可以分成三个区，型助力特性曲线。图中助力特性曲线可以分成三个区，分别为无助力区，助力变化区和助力不变区。分别为无助力区，助力变化区和助力不变区。a）直线型 b）折线型 c）曲线型 1516.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 关键技术关键技术22EPS助力特性的曲线特征EPS的助力特性具有多种曲直线型助力特性曲线直线型助力特性曲线特点在助力变化区，特点在助力变化区，助力与转向盘力矩成线助力与转向盘力矩成线性关系。性关系。1616.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 关键技术关键技术23直线型助力特性曲线特点在助力变化区，助力与直线型助力特性曲线的函数表示直线型助力特性曲线的函数表示 式中，式中，I I为电动机的目标电流；为电动机的目标电流；I Imaxmax为电动机的为电动机的最大工作电流；最大工作电流；T Td d为转向盘输入力矩；为转向盘输入力矩；K K（V V）为助）为助力特性曲线的梯度，随车速增加而减小；力特性曲线的梯度，随车速增加而减小；T Td d0 0为转向为转向系统开始助力时的转向盘输入力矩；系统开始助力时的转向盘输入力矩；T Td dmaxmax为转向系为转向系统提供最大助力时的转向盘输入力矩。统提供最大助力时的转向盘输入力矩。1716.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 关键技术关键技术24直线型助力特性曲线的函数表示式中，I为电动机的目折线型助力特性曲线折线型助力特性曲线 它的特点是在助力变它的特点是在助力变化区，助力与转向盘力矩化区，助力与转向盘力矩成分段线性关系。成分段线性关系。1816.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 关键技术关键技术25折线型助力特性曲线它的特点是在助力变化区，助力与折线型助力特性曲线的函数表示折线型助力特性曲线的函数表示 式中，式中，K1（V）、）、K2（V）分别为助力特性曲线的）分别为助力特性曲线的梯度，随车速增加而减小；梯度，随车速增加而减小；Td1为助力特性曲线梯度由为助力特性曲线梯度由K1（V）变为）变为K2（V）时的转向盘输入力矩。）时的转向盘输入力矩。1916.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 关键技术关键技术26折线型助力特性曲线的函数表示式中，K1（V）、K曲线型助力特性曲线曲线型助力特性曲线 它的特点是在助力它的特点是在助力变化区，助力与转向盘变化区，助力与转向盘力矩成非线性关系。力矩成非线性关系。2016.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 关键技术关键技术27曲线型助力特性曲线它的特点是在助力变化区，助力与曲线型助力特性曲线的函数表示曲线型助力特性曲线的函数表示 比较上述三种助力特性曲线，直线型助力特性最比较上述三种助力特性曲线，直线型助力特性最简单，有利于控制系统设计，并且在实际中调整容易；简单，有利于控制系统设计，并且在实际中调整容易；曲线型助力特性复杂，调整不方便；折线型助力特性曲线型助力特性复杂，调整不方便；折线型助力特性则介于两者之间。则介于两者之间。2116.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 关键技术关键技术28曲线型助力特性曲线的函数表示比较上述三种助力特性 EPS EPS的助力特性有多种曲线形式。直线型助力特的助力特性有多种曲线形式。直线型助力特性最简单，有利于控制系统设计，并且在实际中调整性最简单，有利于控制系统设计，并且在实际中调整容易；曲线型助力特性复杂，调整不方便；折线型助容易；曲线型助力特性复杂，调整不方便；折线型助力特性则介于两者之间。力特性则介于两者之间。2316.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 关键技术关键技术29EPS的助力特性有多种曲线形式。直线型助力特性最简单16.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 基本控制方法基本控制方法(1)助力控制助力控制 根据转矩根据转矩-电机目标电流表，确定电机助力的目标电流，驱动电机产电机目标电流表，确定电机助力的目标电流，驱动电机产生合适的助力，低速行驶时提供较大的助力，使转向操纵轻便灵敏。生合适的助力，低速行驶时提供较大的助力，使转向操纵轻便灵敏。(2)回正控制回正控制高速行驶时，为防止回正超调。当转向盘转到中间位置时，电控单高速行驶时，为防止回正超调。当转向盘转到中间位置时，电控单元将使电动机电流逐渐减少，电动机将产生一个与转速成正比的阻力矩，元将使电动机电流逐渐减少，电动机将产生一个与转速成正比的阻力矩，使其对转向轮产生回正阻尼，使汽车获得稳定的转向特性。使其对转向轮产生回正阻尼，使汽车获得稳定的转向特性。(3)阻尼控制阻尼控制高速行驶时，如果路面有高频的干扰，转向盘便会在中间位置附近高速行驶时，如果路面有高频的干扰，转向盘便会在中间位置附近抖动，使驾驶员感觉紧张，同时手感变差。为改善汽车高速行驶时转向抖动，使驾驶员感觉紧张，同时手感变差。为改善汽车高速行驶时转向盘在中位附近的性能，利用电机对转向系统施加一定阻尼，以减少转向盘在中位附近的性能，利用电机对转向系统施加一定阻尼，以减少转向盘的抖动。盘的抖动。3016.4电动助力转向系统基本控制方法(1)助力控制16.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 控制策略控制策略(1)比例助力控制比例助力控制 电动机电流与转向盘电动机电流与转向盘转矩传感器输出转矩传感器输出的转矩信号成比例。的转矩信号成比例。3116.4电动助力转向系统控制策略(1)比例助力控制16.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 控制策略控制策略(1)比例助力控制比例助力控制 令状态变量为令状态变量为 输入为输入为 输出为输出为 3216.4电动助力转向系统控制策略(1)比例助力控制令状333316.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 控制策略控制策略(2)比例、微分助力控比例、微分助力控制制 电动机电流与转向盘电动机电流与转向盘转矩传感器输出转矩传感器输出的转矩信号成比例，引入电动机的的转矩信号成比例，引入电动机的转速。转速。3416.4电动助力转向系统控制策略(2)比例、微分助力控制16.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 控制策略控制策略令状态变量为令状态变量为 输入为输入为 输出为输出为(2)比例、微分助力控比例、微分助力控制制 3516.4电动助力转向系统控制策略令状态变量为输入为输出36363737