汽车系统动力学转向系统动力学及控制学习教案.pptx

会计学1汽车系统汽车系统(xtng)动力学转向系统动力学转向系统(xtng)动力学及控制动力学及控制第一页，共37页。2第十六章第十六章第十六章第十六章 转向系统转向系统转向系统转向系统(xtng)(xtng)(xtng)(xtng)动力学及控动力学及控动力学及控动力学及控制制制制16.116.1转向转向(zhunxing)(zhunxing)系统结构及转向系统结构及转向(zhunxing)(zhunxing)几何学几何学16.216.2转向转向(zhunxing)(zhunxing)系统振动分析系统振动分析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第1页/共37页第二页，共37页。316.116.1转向转向(zhunxing)(zhunxing)系统结构系统结构及转向及转向(zhunxing)(zhunxing)几何学几何学转向转向(zhunxing)系统系统结构结构典型典型(dinxng)转向系统结构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状通常设计成不车辆转向时，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，称做等边四边形，称做“转向梯形转向梯形”，通过转向梯形使两侧转向轮绕主销转动，实现，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。车辆转向的目的。第2页/共37页第三页，共37页。4转向转向(zhunxing)几几何学何学阿克曼转向阿克曼转向(zhunxing)几何原理几何原理 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。车辆车辆(chling)转向时，满足上式，车轮转向时，满足上式，车轮才作纯滚动。才作纯滚动。实际的内、外轮转角关系曲线通常在平行几实际的内、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变化。何关系曲线和阿克曼几何关系曲线之间变化。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第3页/共37页第四页，共37页。516.216.2转向系统振动转向系统振动(zhndng)(zhndng)分析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组成。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。建模之前建模之前(zhqin)，做如下假设：，做如下假设：1)将转向将转向(zhunxing)系统简化为总体扭转刚度系数系统简化为总体扭转刚度系数Ks表示的单自由度系统。表示的单自由度系统。并假定系统质量集中于转向并假定系统质量集中于转向(zhunxing)盘，驾驶员控制的转向盘，驾驶员控制的转向(zhunxing)盘固定不动；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倾拖距，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；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第4页/共37页第五页，共37页。6 车辆车辆(chling)前轴的侧前轴的侧倾振动倾振动16.216.2转向系统转向系统(xtng)(xtng)振动振动分析分析 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。第5页/共37页第六页，共37页。7 前轮绕主销的摆振前轮绕主销的摆振16.216.2转向系统转向系统(xtng)(xtng)振动振动分析分析 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。第6页/共37页第七页，共37页。816.316.3四轮转向四轮转向(zhunxing)(zhunxing)系统系统 概述概述(i sh)低速时行驶轨迹低速时行驶轨迹(guj)对比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第7页/共37页第八页，共37页。916.316.3四轮四轮(s ln)(s ln)转向系统转向系统 转向转向(zhunxing)运动运动学分析学分析为前、后轮转向角的比例为前、后轮转向角的比例(bl)系数，负号表示前后轮转向方向相系数，负号表示前后轮转向方向相反。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：第8页/共37页第九页，共37页。1016.316.3四轮转向四轮转向(zhunxing)(zhunxing)系统系统4ws 动力学分析动力学分析(fnx)第9页/共37页第十页，共37页。11 动力学分析动力学分析(fnx)16.316.3四轮转向四轮转向(zhunxing)(zhunxing)系统系统正的正的 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。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。第10页/共37页第十一页，共37页。12 动力学分析动力学分析(fnx)16.316.3四轮四轮(s ln)(s ln)转转向系统向系统第11页/共37页第十二页，共37页。13 动力学分析动力学分析(fnx)16.316.3四轮转向四轮转向(zhunxing)(zhunxing)系统系统第12页/共37页第十三页，共37页。1416.416.4电动电动(din dn)(din dn)助力转向系助力转向系统统 概述概述(i sh)电动助力转向系统电动助力转向系统(Electric Power Steering System,EPS)是在机械式转向系统的基础上，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，直接用电池作能源，电动机为动力装置，直接(zhji)依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统。依靠电动机提供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。第13页/共37页第十四页，共37页。1516.416.4电动电动(din dn)(din dn)助力转向系助力转向系统统 概述概述(i sh)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，产生一个转矩电转向盘转动时，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。转矩信号和车速信号传给控制单元信号；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(dnyun)，控制单元，控制单元(dnyun)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。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性；同时，控制单转向盘转矩越大，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，车速高时提供较小的助力，增强驾驶员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。的路感。第14页/共37页第十五页，共37页。1616.416.4电动电动(din dn)(din dn)助力转助力转向系统向系统 概述概述(i sh)电动助力转向电动助力转向(zhunxing)(zhunxing)系统具系统具有以下优点：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 第15页/共37页第十六页，共37页。1716.416.4电动助力转向电动助力转向(zhunxing)(zhunxing)系统系统 概述概述(i sh)EPS系统系统(xtng)根据电动机助力位置的不同，可以分为：转向轴助力式、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、齿条助力式三种齿轮助力式、齿条助力式三种：第16页/共37页第十七页，共37页。1816.416.4电动助力转向电动助力转向(zhunxing)(zhunxing)系统系统 电动助力电动助力(zh l)转向系转向系统建模统建模假定假定(jidng)转向盘固定，以齿条所受转向盘固定，以齿条所受地面冲击为输入，并以转向盘固定不动所地面冲击为输入，并以转向盘固定不动所需的力矩为输出。需的力矩为输出。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第17页/共37页第十八页，共37页。19 助力助力(zh l)(zh l)特性的概念特性的概念 助力特性是指助力随汽车运动(yndng)状况（车速和转向盘手力）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电动电动(din dn)(din dn)助助力转向系统力转向系统 关键技术关键技术第18页/共37页第十九页，共37页。20 EPS对助力特性(txng)的基本要求1)1)当转向盘输入力矩小于某一特定当转向盘输入力矩小于某一特定(tdng)(tdng)值（通常设值（通常设为为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，助力部分的输出应较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。小，以保持较好的路感。3)3)在转向盘输入力矩较大的区域，为使转向轻便，助力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。效果要明显。1216.416.4电动助力转向电动助力转向(zhunxing)(zhunxing)系统系统 关键技术关键技术第19页/共37页第二十页，共37页。214)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，应应尽尽可可能能发挥较大的助力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)符符合合国国家家标标准准对对动动力力(dngl)转转向向作作用用在在转转向向盘盘上上的的最最大大操操纵力要求。纵力要求。EPS对助力特性(txng)的基本要求1316.416.4电动助力转向电动助力转向(zhunxing)(zhunxing)系统系统 关键技术关键技术第20页/共37页第二十一页，共37页。22 EPS助力(zh l)特性的曲线特征EPS的助力特性具有的助力特性具有(jyu)多种曲线形式，下图为三多种曲线形式，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种典型助力特性曲线。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。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(qxin)型 1516.416.4电动助力转向系统电动助力转向系统 关键技术关键技术第21页/共37页第二十二页，共37页。23直线型助力特性直线型助力特性(txng)曲线曲线特点在助力特点在助力(zhl)变化区，变化区，助力助力(zhl)与转向盘力矩成与转向盘力矩成线性关系。线性关系。1616.416.4电动助力电动助力(zh l)(zh l)转向系统转向系统 关键技术关键技术第22页/共37页第二十三页，共37页。24直线型助力特性直线型助力特性(txng)曲线的函数表示曲线的函数表示 式中，式中，I I为电动机的目标电流；为电动机的目标电流；ImaxImax为电动机为电动机的最大工作电流；的最大工作电流；TdTd为转向盘输入力矩；为转向盘输入力矩；K K（V V）为）为助力特性曲线的梯度，随车速助力特性曲线的梯度，随车速(ch s)(ch s)增加而减小；增加而减小；Td0Td0为转向系统开始助力时的转向盘输入力矩；为转向系统开始助力时的转向盘输入力矩；TdmaxTdmax为转向系统提供最大助力时的转向盘输入力为转向系统提供最大助力时的转向盘输入力矩。矩。1716.416.4电动电动(din dn)(din dn)助助力转向系统力转向系统 关键技术关键技术第23页/共37页第二十四页，共37页。25折线型助力特性折线型助力特性(txng)曲线曲线 它的特点是在助力变化区，助力与转向盘力矩(l j)成分段线性关系。1816.416.4电动助力转向电动助力转向(zhunxing)(zhunxing)系统系统 关键技术关键技术第24页/共37页第二十五页，共37页。26折线型助力折线型助力(zhl)特性曲线的函数表示特性曲线的函数表示 式中，式中，K1K1（V V）、）、K2K2（V V）分别为助力特性曲线的梯度，随车）分别为助力特性曲线的梯度，随车速增加而减小；速增加而减小；Td1Td1为助力特性曲线梯度由为助力特性曲线梯度由K1K1（V V）变为）变为K2K2（V V）时的转向时的转向(zhunxing)(zhunxing)盘输入力矩。盘输入力矩。1916.416.4电动助力电动助力(zh l)(zh l)转转向系统向系统 关键技术关键技术第25页/共37页第二十六页，共37页。27曲线曲线(qxin)型助力特性曲线型助力特性曲线(qxin)它的特点是在助力(zh l)变化区，助力(zh l)与转向盘力矩成非线性关系。2016.416.4电动助力电动助力(zh(zh l)l)转向系统转向系统 关键技术关键技术第26页/共37页第二十七页，共37页。28曲线型助力特性曲线的函数曲线型助力特性曲线的函数(hnsh)表示表示 比较(bjio)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；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。2116.416.4电动电动(din dn)(din dn)助助力转向系统力转向系统 关键技术关键技术第27页/共37页第二十八页，共37页。29 EPS EPS的助力特性的助力特性(txng)(txng)有多种曲线形式。直线型助有多种曲线形式。直线型助力特性力特性(txng)(txng)最简单，有利于控制系统设计，并且在最简单，有利于控制系统设计，并且在实际中调整容易；曲线型助力特性实际中调整容易；曲线型助力特性(txng)(txng)复杂，调整复杂，调整不方便；折线型助力特性不方便；折线型助力特性(txng)(txng)则介于两者之间。则介于两者之间。2316.416.4电动助力电动助力(zh l)(zh l)转转向系统向系统 关键技术关键技术第28页/共37页第二十九页，共37页。3016.416.4电动助力电动助力(zh l)(zh l)转向转向系统系统 基本基本(jbn)控制方控制方法法(1)助力(zh l)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，驱动电机产生合电机目标电流表，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。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，电控单元将使高速行驶时，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，使其对转向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。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抖动，使驾驶员感高速行驶时，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盘在中位附近的性能，利用电机对转觉紧张，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，以减少转向盘的抖动。向系统施加一定阻尼，以减少转向盘的抖动。第29页/共37页第三十页，共37页。3116.416.4电动电动(din dn)(din dn)助力转助力转向系统向系统 控制策略控制策略(1)比例助力(zh l)控制 电动机电流与转向盘转矩传感器输出电动机电流与转向盘转矩传感器输出(shch)的转矩信号成比例。的转矩信号成比例。第30页/共37页第三十一页，共37页。3216.416.4电动电动(din dn)(din dn)助力助力转向系统转向系统 控制策略控制策略(1)比例助力(zh l)控制 令状态变量为令状态变量为 输入输入(shr)为为输出为输出为 第31页/共37页第三十二页，共37页。33第32页/共37页第三十三页，共37页。3416.416.4电动电动(din dn)(din dn)助力转助力转向系统向系统 控制策略控制策略(2)比例、微分助力(zh l)控制 电动机电流电动机电流(dinli)与转向盘转矩传感器输出的转矩信号成比例，引入电动机的转速。与转向盘转矩传感器输出的转矩信号成比例，引入电动机的转速。第33页/共37页第三十四页，共37页。3516.416.4电动电动(din dn)(din dn)助力转向助力转向系统系统 控制策略控制策略令状态变量为令状态变量为 输入输入(shr)为为输出输出(shch)为为(2)比例、微分助力控制比例、微分助力控制 第34页/共37页第三十五页，共37页。36第35页/共37页第三十六页，共37页。37第36页/共37页第三十七页，共37页。