汽車系統(tǒng)動力學轉向系統(tǒng)動力學及控制PPT課件

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

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

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

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

5、10 動力學分析16.316.3四輪轉向系統(tǒng)正的 具有增加車輛不足轉向的作用，并使某些處于過度轉向的車輛超過臨界轉速后也能保持穩(wěn)定。2第10頁/共37頁11 動力學分析16.316.3四輪轉向系統(tǒng)第11頁/共37頁12 動力學分析16.316.3四輪轉向系統(tǒng)第12頁/共37頁1316.416.4電動助力轉向系統(tǒng) 概述 電動助力轉向系統(tǒng)(Electric Power Steering System ,EPS)是在機械式轉向系統(tǒng)的基礎上，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矩的動力轉向系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由轉矩傳感器、車速傳感器、電控單元、助力電機、減速機構等幾部分組成。第13頁/共

6、37頁1416.416.4電動助力轉向系統(tǒng) 概述 工作原理: 轉向盤轉動時，轉矩傳感器檢測轉向盤轉矩的大小和方向，產生一個轉矩電信號；同時，車速傳感器也產生一個車速電信號。轉矩信號和車速信號傳給控制單元，控制單元根據轉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方向和助力電流的大小，從而完成實時控制助力轉向。 轉向盤轉矩越大，助力電機提供的助力力矩也越大，提高汽車的轉向輕便性；同時，控制單元根據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電動助力轉向系統(tǒng) 概述電動助力轉向系統(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)結構簡單，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電動助力轉向系統(tǒng) 概述 EPS系統(tǒng)根據電動機助力位置的不同，可以分為：轉向軸助力式、齒輪助力式、齒條助力式三種 ：第16頁/共37頁1716.416.4電動助力轉向系統(tǒng) 電動助力轉向系統(tǒng)建模假定轉向盤固定，以齒條所受地面沖擊為輸入，并以轉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 輕便轉向區(qū)1016.416.4電動助力轉向系統(tǒng) 關鍵技術第18頁/共37頁19 EPS對助力特性的基本要求1)1) 當轉向盤輸入力矩小于某一特定值（通常設為1N1Nm m）時，助力矩為零，EPSEPS不起作用。2)2) 在轉向盤輸入力矩較小的區(qū)域，助力部分的輸出應較小，以保持較好的路感。3) 在轉向盤輸入力矩較大的區(qū)域，為使轉向輕便，助力效果要明顯。1216.416.4電動助力轉向系統(tǒng) 關鍵技術第19頁/共37頁204) 在轉向盤輸入力矩達

9、到駕駛員體力極限的區(qū)域時，應盡可能發(fā)揮較大的助力 效果。5) 隨著車速的增高，助力應減小。6) 符合國家標準對動力轉向作用在轉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電動助力轉向系統(tǒng) 關鍵技術第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電動助力轉向系統(tǒng) 關鍵技術第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)，助力與轉向盤力矩成線性關系。 1616.416.

11、4電動助力轉向系統(tǒng) 關鍵技術第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?。籘 Td d0 0為轉向系統(tǒng)開始助力時的轉向盤輸入力矩；T Td dmaxmax為轉向系統(tǒng)提供最大助力時的轉向盤輸入力矩。 171

12、6.416.4電動助力轉向系統(tǒng) 關鍵技術第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)，助力與轉向盤力矩成分段線性關系。 1816.416.4電動助力轉向系統(tǒng) 關鍵技術第24頁/共37頁25 折線型助力特性曲線的函數表示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）時的轉向盤輸入力矩。 1916.416.4電動助力轉向系統(tǒng) 關鍵技術第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)，助力與轉向盤力矩成非線性關系。 2016.416.4電動助

14、力轉向系統(tǒng) 關鍵技術第26頁/共37頁27 曲線型助力特性曲線的函數表示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)設計，并且在實際中調整容易；曲線型助力特性復雜，調整不方便；折線型助力特性則介于兩者之間。 2116.416.4電動助力轉向系統(tǒng) 關鍵技術第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)設計，并且在實際中調整容易；曲線型助力特性復雜，調整不方便；折線型助力特性則介于兩者之間。 2316.416.4電動助力轉向系統(tǒng) 關鍵技術第28頁/共37頁2916.416.4電動助力轉向系統(tǒng) 基本控制方法(1) 助力控制 根據轉矩-電機目標電流表，確定電機助力的目標電流，驅動電機產生合適的助力，低速行駛時提供較大的助力，使轉向操縱輕便靈敏。(2) 回正控制 高速行駛時，為防止回正超調。當轉向盤轉到中間位置時，電控單元將使電動機電流逐漸減少，電動機將產生一個與轉速成正比的阻力矩，使其對轉向輪產生回正阻尼，使汽車獲得穩(wěn)定的轉向特性。(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向盤在中位附近的性能，利用電機對轉向系統(tǒng)施加一定阻尼，以減少轉向盤的抖動。第29頁/共37頁3016.416.4電動助力轉向系統(tǒng) 控制策略(1) 比例助力控制 電動機電流與轉向盤轉矩傳感器輸出的轉矩信號成比例。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 電動機電流與轉向盤轉矩傳感器輸出的轉矩信號成比例，引入電動機的轉速。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