1、十三章十三章 转向系统动力学及控制转向系统动力学及控制第一节第一节 概述概述 第二节第二节 转向系统振动分析转向系统振动分析 第三节第三节 四轮转向系统四轮转向系统 第四节第四节 电动助力转向系统电动助力转向系统第五节第五节 主动前轮转向系统主动前轮转向系统第一节第一节 概述概述转向系统的功能是遵循驾驶人的输入指令使转向轮转向,以获得总体上的车辆方向控制。从前面的章节中可知,在车辆转向过程中,实际获得的转向角不仅与转向系统的结构有关,还与悬架系统的结构及其与转向系统之间的相互作用有关。本章首先简单介绍转向系统的结构及转向几何学,然后根据转向系统动力学的分析要求,分析转向系统的振动及其与悬架的耦
2、合振动问题,包括一个线性分析实例和应用分岔理论的非线性分析实例。最后,以两自由度操纵动力学模型为例,介绍三种典型的转向控制系统:四轮转向系统、电动助力转向系统和主动前轮转向系统。第一节第一节 概述概述一、转向系统结构 转向系统的典型结构1转向摇臂2转向器3转向直拉杆4转向节臂5转向传动轴6转向梯形臂7横拉杆8转向盘第一节第一节 概述概述二、转向几何系根据阿克曼几何学原理,如图13-2所示,前轮转向的车辆在转向时,其外侧车轮转向角o和内侧车轮转向角i应符合如下关系:第一节第一节 概述概述阿克曼转向几何关系内、外轮转向角关系曲线第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析一、振动系统的组成本节中对
3、车辆前轴与转向系统的振动问题进行最基本的分析,所研究的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。在建模之前,首先做如下简化2:1)将转向系统简化为由总体扭转刚度系数KST表示的单自由度系统,参见式(12-29)和图12-4。并假定系统质量集中于转向盘,驾驶人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。3)轮胎特性仅考虑侧向刚度y和侧偏刚度C。车轮定位参数只考虑轮胎的机械拖距(即主销后倾拖距)tm,而不考虑车轮外倾角和主销内倾角的影响。第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析车辆前轴绕车辆坐标系x轴的自由振动第二节转向系统振动分析第二节转向系统
4、振动分析1.车辆前轴的侧倾振动在忽略系统阻尼的情况下,车辆前轴绕车辆坐标系x轴的自由振动如图13-4所示。设车辆前轴的侧倾转动惯量为Ixxf,前轴侧倾角为?f,则前轴绕x轴转动的运动方程为:第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析2.前轮绕主销的摆振转向前轮与转向机构及杆系组成的绕主销的摆振系统如图所示。第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析二、系统的外界激振1.周期性变化激励转向系统受到的周期性变化激励可以是由车轮不平衡质量引起的离心惯性力,也可以是由悬架与转向杆系运动关系不协调产生的激励,这里对这两种情况分析如下。车轮与轮胎可能由于制造上的误差、材料的不均匀性而产生不平衡质量mg
5、。当车轮转动时,不平衡质量将产生沿车轮半径方向的离心惯性力Fg,如图所示。第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析 车轮不平衡质量引起的周期性外界激励a)不平衡质量引起的离心惯性力b)不平衡质量的位置第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析某货车转向机构与悬架的运动干涉第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析2.偶然离散激励当车辆直线行驶时,可能受到的侧向阵风或车轮受到路面凸凹引起的离散侧向输入作用,这些偶然的离散激励都会引发车轮的偏转摆振。一种情况是,当外界激励消除后,若系统的阻尼足够,振动会逐渐衰减,系统表现为通常的有阻尼自由振动。另一种情况则是,当外界激励消除后,振动并不衰减
6、,相反却因此激发系统内部的某种周期性交变力,从而引起持续的振动,系统表现为自激振动。尽管实际中车轮自激摆振机理很复杂,但是仍可以通过最基本的能量输入输出关系来进行简单的分析和解释。考虑到使车辆转向系统产生自激振动的能量输入来自发动机,激励源由地面与弹性轮胎的相互作用输入到前轮转向系统。由于轮胎固有的迟滞特性,当轮胎发生侧向振动时,轮胎弹性恢复力Fye滞后于轮胎变形y,二者的关系如图13-8所示第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析轮胎的侧向弹性恢复力与变形的滞后关系及示功图第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析三、前轴与前轮的耦合振动前面我们分别介绍了车辆前轴的侧倾振动和前轮绕主销
7、的摆振问题。然而,车辆在实际行驶中,前轴侧倾振动和前轮摆振可能相互耦合,并对车辆操纵性和行驶稳定性的影响很大。虽然摆振的机理和影响因素很复杂,用于摆振研究的数学模型也很多,然而为了便于说明摆振现象,可以在模型建立过程中对一些数学上难于处理的非线性问题进行简化处理,如忽略悬架弹性和阻尼的非线性特性及一些如零部件的间隙和干摩擦等次要因素。这里,首先建立考虑前轮和前轴耦合振动的线性模型,再给出一些典型的分析结果2,3。第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析1.模型的建立实际经验表明,通常两转向轮之间的转向梯形机构的刚度对车轮的摆振影响显著,因此可将左右两轮间转向杆系视为具有一定阻尼的弹性元件,
8、左、右两轮绕主销的摆振作为两自由度系统来考虑。仍采用本章第二节中的三个假设条件,对某非独立悬架汽车建立考虑车辆前轴与前轮耦合振动的摆振模型,如图13-9所示。模型中包含了前桥绕其纵轴线的侧摆运动?f和左右车轮绕主销摆动w,L、w,R三个自由度。第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析非独立悬架的转向轮摆振模型第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析2.一些典型的仿真计算结果根据建立的系统运动方程,即可分析转向系结构参数对前轮摆振的影响。这里以国产某非独立悬架汽车的转向系统参数为例(表13-1),并设右前轮不平衡量为0.43kgm。在进行仿真计
9、算时,记录了系统各自由度摆振的幅值以及路面对轮胎的侧向反作用力。并在初始激励的情况下测量了系统的衰减率,从而计算出系统的相对阻尼系数。给出主要的分析结果如下。第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析某非独立悬架汽车摆振模型参数第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析首先考察随横拉杆刚度K0和转向机构刚度Kp的影响,在不同K0和Kp的条件下,前轮摆振振幅随车速变化的关系分别如图13-11和图13-12所示。由图可见,前轮摆振的幅值将随横拉杆刚度K0和转向机构刚度Kp的增加而减小。此外,考察转向机构刚度对系统的固有频率fns和相对阻尼系数的影响,如图13-13所示。由图可见,系统的固有频率
10、fns和相对阻尼系数将随转向机构刚度的增加而提高。当转向机构刚度Kp低于7kNm/rad时,前轮摆振系统进入不稳定区。最后,考察系统可能出现自激型摆振的车速范围。系统的相对阻尼系数随车速的变化关系如图13-14所示。当车速在3269km/h范围内时,系统相对阻尼系数0,系统为受迫振动系统。第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析具有不同横拉杆刚度的前轮摆振幅值随车速的变化具有不同转向机构刚度的前轮摆振幅值随车速的变化第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析系统相对阻尼系数、固有频率与转向机构刚度的关系转向机构刚度恒定时系统相对阻尼系数随车速的变化第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动
11、分析 两种激励条件下右轮摆角相图与时间的关系a)激励(t=0)=0.001radb)激励(t=0)=0.1rad第二节转向系统振动分析第二节转向系统振动分析仿真和实车试验的右轮摆角幅值结果第三节四轮转向系统第三节四轮转向系统一、概述4WS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。早在20世纪初,车辆工程师就发现了在低速工况下后轮与前轮反向转动可以有效地减小车辆转弯半径这一特点,并将其应用于军用和工程车辆。但四轮转向技术在现代汽车(尤其是轿车)中的应用则是源于对中、高车速工况下的车辆操纵稳定性和驾驶人主观评价的研究。自从20世纪80年代中期以来,有大
12、量旨在获得后轮转向控制律的研究论文发表12,13,14,到20世纪80年代末,开始有装备四轮转向系统的量产车型投放市场。对4WS车辆来说,当车辆低速行驶时,为减小转弯半径,通常后轮转向方向与前轮相反,即所谓的“反向转向”;在高速转向时,为了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向角,即所谓的“同向转向”。第三节四轮转向系统第三节四轮转向系统 机械式4WS1转向盘2转向传动轴3前转向器4后转向器第三节四轮转向系统第三节四轮转向系统 电控四轮主动转向系统1前轮转向角传感器2前轮执行机构3转向盘转向角传感器4后轮执行机构5后轮转向角传感器6控制器7车速传感器第三节四轮转向
13、系统第三节四轮转向系统 GMC Sierra Denali 1500 系统结构图1可转向的刚性后轴2前轮转向角传感器3后轮转向角传感器4电机作动器5后轮转向控制模块6横摆角速度与侧向加速度传感器7模式选择开关第三节四轮转向系统第三节四轮转向系统二、转向运动学与动力学分析1.几何运动学分析提高车辆低速行驶的机动性能是4WS系统最显而易见的特点。下面以单轨两自由度线性转向模型为例,简单分析4WS车辆在低速反向转向时的几何运动学关系。如图13-20所示,假设4WS系统对后轮转向的控制策略为r=-f(其中0,为前、后轮转向角的比例系数,公式前面的负号表示前后轮转向方向相反),与传统的FWS车辆相比,4
14、WS车辆在反向转向时,车辆的转弯半径会有所减小,且减少了跟踪误差。若假设方向相反的前、后转向角非常小,转弯半径足够大(即RR0),并考虑小转角条件下的近似关系(如tan),则存在图13-20所示的几何关系,即:第三节四轮转向系统第三节四轮转向系统第三节四轮转向系统第三节四轮转向系统2.动力学分析若4WS车辆高速行驶下仍采用“反向转向”,则会导致车辆趋向于过多转向趋势,从而出现高速转弯时失稳的危险工况。在此涉及的操纵动力学分析中,主要针对以中高速行驶的4WS车辆展开讨论。下面以图13-21所示的单轨操纵模型为基础,通过与FWS车辆的性能对比,分析4WS系统对车辆操纵稳定性的影响。第三节四轮转向系
15、统第三节四轮转向系统4WS车辆的转向几何关系具有前、后轮转向的单轨操纵模型第三节四轮转向系统第三节四轮转向系统不同转向特性车辆的稳态横摆角速度增益(rss/f)随车速的变化第三节四轮转向系统第三节四轮转向系统FWS和4WS车辆侧向加速度频率响应比较a)幅频响应的比较b)相频响应的比较第三节四轮转向系统第三节四轮转向系统三、一个4WS系统分析模型假定在小转角情况下,车辆质心侧偏角近似等于v/u。再结合基于操纵模型运动方程式(11-15)、式(11-16)和前后轮胎侧偏角表达式(13-48)很容易地推导出以车身质心侧偏角和横摆角速度r为变量的4WS系统状态方程:第三节四轮转向系统第三节四轮转向系统
16、 三个不同系统的操纵动力学响应a)转向盘转角输入b)侧向位移对比曲线c)横摆角速度对比曲线d)侧偏角对比曲线第四节电动助力转向系统第四节电动助力转向系统一、概述电动助力转向(Electrical Power Assisted Steering,EPAS)是一种由电动机提供直接辅助转矩的动力转向系统,其系统组成如图13-26所示。电动助力转向的基本原理为:转矩传感器与转向轴(或小齿轮轴)连接在一起,当转向轴转动时,转矩传感器把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动角位移变成电信号传给电控单元(ECU),ECU根据车速传感器和转矩传感器的信号控制电动机的旋转方向和助力大小,实时控制助力转向。因此
17、它可以很容易地实现在车速不同时提供电动机不同的助力效果,保证汽车在低速转向行驶时轻便灵活,高速转向行驶时稳定可靠。第四节电动助力转向系统第四节电动助力转向系统 电动助力转向系统示意图1转矩传感器2减速机构3电动机4齿轮齿条式转向器第四节电动助力转向系统第四节电动助力转向系统二、电动助力转向系统建模从车辆动力学与控制的角度考虑,电动助力转向的核心问题是助力如何随转向盘转矩和车速的变化而变化。本节中以机械式齿轮齿条转向器和永磁直流电动机组成的系统为例,其简化模型如图13-27所示,对系统建模和控制方法进行讨论。图13-27所示模型中转向盘固定,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
18、作为输出。这里,以此模型来分析在车辆行驶过程中,驾驶人握住转向盘使转向盘固定,转向轮受到路面冲击时系统的动态特性。根据简化的模型,分别对转向器和永磁直流电动机写出转矩平衡方程,得到系统的运动微分方程为:第四节电动助力转向系统第四节电动助力转向系统电动助力转向简化模型第四节电动助力转向系统第四节电动助力转向系统三、控制逻辑与性能分析1.三种基本的控制方法EPAS系统可以对转向过程中的每个环节(转向、回正、中间位置)进行精确控制,从而提高汽车转向助力性能。微处理器可以根据各种传感器的信号判断转向状态,执行不同控制模式,根据这些要求,制定出EPAS控制策略。在对电动助力转向系统进行控制时,不同的控制
19、策略会有不同的控制效果。下面介绍几种常用的、较为成熟的控制方法。第四节电动助力转向系统第四节电动助力转向系统(1)助力控制助力控制是汽车在低速行驶过程中进行转向时,为减轻转向盘的操纵力,使其转向操纵轻便灵敏,可通过减速机构把电动机转矩作用到机械转向系统(转向轴、齿轮、齿条)上的一种基本控制模式。该控制是利用电动机转矩和电动机电流成比例的特性,由转向盘转矩传感器检测的转矩信号和由车速传感器检测的车速信号输入控制器单片机中,根据预测的不同车速下“转矩-电动机助力目标电流表”,确定出电动机助力的目标电流,通过比较反馈电流与目标电流,利用PID调节器等来进行调节,输出PWM(脉宽调制)信号到驱动回路以
20、驱动电动机产生合适的助力。第四节电动助力转向系统第四节电动助力转向系统(2)回正控制回正控制是为改善转向回正特性的一种控制模式。汽车在行驶过程中转向时,由于转向轮主销后倾角和主销内倾角的存在,使得转向轮具有自动回正的作用。随着车速的提高,回正转矩增大,而轮胎与地面的侧向附着系数却减小,二者综合作用使回正性能提高。根据转向盘转矩和转动的方向可以判断转向盘是否处于回正状态。实施过程可以如下:分为低速行驶转向回正过程中,保持机械系统原有的回正特性;高速行驶转向回正时,为防止回正超调,可采用回正控制。其工作原理是:当转向盘回转到中间位置时,电控单元使电动机电流逐渐减少,电动机产生一个与转速成正比的阻力
21、矩,使其对转向轮产生回正阻尼,从而使汽车获得稳定的转向特性。第四节电动助力转向系统第四节电动助力转向系统(3)阻尼控制 阻尼控制是汽车运行时为提高高速直线行驶稳定性的一种控制模式,其工作原理是:当电动机绕组发生短路时,电动机将产生一个大小与其转速成正比的反向转矩,用以衰减汽车高速行驶时出现的转向盘抖动现象,消除转向轮因路面扰动而引起的摆振。因而,当汽车高速行驶时,如果转向过于灵敏,会影响汽车的行驶稳定性。为提高直线行驶的稳定性,在死区范围内进行阻尼控制。第四节电动助力转向系统第四节电动助力转向系统2.几种常用的控制策略(1)比例助力控制不同助力比例系数得到的采用比例控制的频率响应特性第四节电动
22、助力转向系统第四节电动助力转向系统(2)比例、微分助力控制规律采用比例控制的脉冲响应特性比较第四节电动助力转向系统第四节电动助力转向系统3.一个应用鲁棒控制理论的例子不同助力比例控制系数下的比例加微分助力控制的频率特性第四节电动助力转向系统第四节电动助力转向系统比例加微分助力控制的脉冲响应特性比较H控制系统结构第四节电动助力转向系统第四节电动助力转向系统车速为13.9m/s时EPAS系统的频率特性高速行驶时具有不同截止频率的EPAS与无助力转向系统的转向盘把持转矩的阶跃响应对第四节电动助力转向系统第四节电动助力转向系统中速行驶时具有不同截止频率的EPAS与无助力转向系统的转向盘把持转矩的阶跃响
23、应对比第四节电动助力转向系统第四节电动助力转向系统低速行驶时具有不同截止频率的EPAS与无助力转向系统的转向盘把持转矩的阶跃响应对比第五节主动前轮转向系统第五节主动前轮转向系统一、概述AFS系统的工作原理是:通过在转向系统中增加一套转向盘角度输入控制装置,根据驾驶人的驾驶意图和当前车辆的行驶状态,利用转向盘角输入控制电动机对前轮施加一个独立于驾驶人转向盘输入的附加转角,从而对驾驶人的转向角度进行补偿修正,以主动提高车辆的操纵性、稳定性和轨迹跟踪性能。主动前轮转向系统的结构第五节主动前轮转向系统第五节主动前轮转向系统第五节主动前轮转向系统第五节主动前轮转向系统二、AFS系统仿真模型1.驾驶人模型
24、建立一个精确的驾驶人模型比较复杂,有关内容将在第十四章中做专门介绍。这里,由于只需对驾驶人的转向行为进行描述,因而采用了一个简单的单点预瞄模型5,22,如图13-39所示。将车辆相对于车道中线的位置偏差、方向偏差和道路信息作为模型的输入,而驾驶人转角是模型的输出。一个简单的驾驶人单点预瞄模型示意图第五节主动前轮转向系统第五节主动前轮转向系统2.非线性四轮车辆模型第五节主动前轮转向系统第五节主动前轮转向系统AFS控制器及系统仿真框图第五节主动前轮转向系统第五节主动前轮转向系统3.AFS仿真模型根据建立车辆动力学模型和驾驶人模型,可建立主动前轮转向控制系统(AFS)的系统仿真框图,如图13-40所
25、示。由图可见,转向控制器的输入为车辆运动状态信息,输出为主动纠正转角c,它与驾驶人输入的转角d之和就是实际的车辆模型输入前轮转角f,即f=d+c。三、一个基于AFS的主动转向角度修正控制的分析实例随着雷达、红外线、GPS在汽车上的逐步应用,可主动避障的前轮主动转向系统将会明显提高车辆的主动安全性。根据建立的主动前轮转向系统动力学模型,这里将给出一个基于AFS的主动转向角度修正控制的分析实例。基于模型预测的主动避障技术,并通过仿真结果对设计的一个非线性模型预测控制策略进行有效性验证23。第五节主动前轮转向系统第五节主动前轮转向系统1.一次性避障仿真中假定驾驶人注意力分散,车辆以50km/h的速度
26、行驶在冰雪路面上,前方65m处有一个障碍物,控制策略是通过产生主动纠正转角来对前方障碍物进行避让。图13-41给出了车辆避障过程中的行驶路径,可以看到车辆在65m处成功地避让了道路左侧的障碍物。图13-42分别给出了车辆主动避障过程中,车辆的横摆角和横摆角速度的响应。在主动避障过程中,驾驶人输入转角、控制器纠正转角以及车辆实际前轮转角的仿真结果如图13-44所示。由图可见,在汽车驶向障碍物的时刻,驾驶人注意力分散,没有观察到道路上的障碍物,这时控制器对车辆施加了纠正转角,帮助驾驶人成功实现了避障。在t=4s附近,当车辆完成对障碍物的避让之后,控制器不再产生纠正转角,而是将车辆的控制权交还给驾驶
27、人,此时的驾驶人输入转角等于实际的车辆前轮转角。第五节主动前轮转向系统第五节主动前轮转向系统车辆的避障路径车辆横摆角和横摆角速度响应第五节主动前轮转向系统第五节主动前轮转向系统左、右前轮侧偏角响应前轮转角的输入变化第五节主动前轮转向系统第五节主动前轮转向系统2.连续避障假定驾驶人注意力分散,车辆仍以50km/h的速度行驶在冰雪路面=0.3,前方65m和160m处各有一障碍物。AFS控制器将通过产生主动纠正转角来辅助驾驶人对前方的障碍物进行连续避障。图13-45所示为车辆的避障路径,可见车辆在65m处成功地避让了道路左侧的障碍物,在160m处成功地避让了道路右侧的障碍物。图13-46给出了在主动避障过程中,车辆横摆角和横摆角速度的变化情况。图13-47分别给出了主动避障过程中左、右前轮侧偏角的变化情况。第五节主动前轮转向系统第五节主动前轮转向系统车辆的避障路径车辆的横摆角和横摆角速度响应第五节主动前轮转向系统第五节主动前轮转向系统 仿真结果表明了对AFS所设计非线性模型预测控制策略的有效性,对提高车辆主动安全性的效果明显。同时,由于主动前轮转向与传统车辆的结构能够很好兼容,因而具有良好的发展前景。本章完本章完 谢谢谢谢！
