近年來，汽車的普及給人們帶來極大的便利，人們對(duì)駕駛舒適度的要求越來越高，本文主要研究中型商用車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的建模問題。

　　《移動(dòng)電源與車輛》(季刊)創(chuàng)刊于1970年，由蘭州電源車輛研究所中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)內(nèi)燃發(fā)電設(shè)備分會(huì)主辦。是內(nèi)燃機(jī)電站和軍改車行業(yè)唯一具有行業(yè)特色，集管理、政策、學(xué)術(shù)于一體的實(shí)用性很強(qiáng)的綜合指導(dǎo)性國(guó)家級(jí)刊物。積極宣傳我國(guó)內(nèi)燃機(jī)電站和軍改車行業(yè)質(zhì)量管理方面的法律、法規(guī);推動(dòng)本行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的貫徹實(shí)施;促進(jìn)內(nèi)燃機(jī)電站和軍改車產(chǎn)品質(zhì)量的提高;及時(shí)報(bào)導(dǎo)本行業(yè)國(guó)內(nèi)外最新研究成果、技術(shù)動(dòng)態(tài)、發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及其它各種信息。

　　隨著用戶對(duì)汽車駕駛舒適性要求的提高，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能需求也進(jìn)一步提高。由于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(ElectricPowerAssistSteering，簡(jiǎn)稱EPAS)在燃油消耗、安全性、可控性方面的優(yōu)勢(shì)，國(guó)外汽車的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向有逐步取代傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向(HydraulicPowerSteering，簡(jiǎn)稱HPS)的趨勢(shì)。EPAS用電動(dòng)機(jī)直接提供助力，助力大小由電控單元(ECU)控制。由于它取消了需要發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)向油泵，所以在一定程度上它能夠降低燃油消耗，且有利于環(huán)保，并且為提高主動(dòng)安全性提供了可能，是一項(xiàng)緊扣現(xiàn)代汽車發(fā)展主題的高新技術(shù)。

　　首先分析了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(ElectricPowerAssistSteering，簡(jiǎn)稱EPAS)的系統(tǒng)原理，然后以某中型商用車為對(duì)象，利用ADAMS軟件構(gòu)建了該車的虛擬樣機(jī)模型，并分別對(duì)三種不同的助力方式進(jìn)行了仿真計(jì)算，確定了三種助力方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并為后續(xù)電控開發(fā)提供了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向MAP的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵是建立與目標(biāo)車型相適應(yīng)的助力MAP。獲取此MAP的途徑有兩種：一種是通過反復(fù)試驗(yàn)標(biāo)定的方式獲取;一種是通過仿真計(jì)算的方式獲取。試驗(yàn)方式成本高、時(shí)間長(zhǎng)，而仿真方式卻具有成本和時(shí)間上的高效率。通過仿真方式獲取助力MAP需要首先獲得目標(biāo)車型的整車模型，利用該模型可以對(duì)不同車速下的助力曲線進(jìn)行分析修正，直到仿真結(jié)果滿足控制要求。此時(shí)得到的車速、轉(zhuǎn)向盤輸入力矩、助力矩的三維對(duì)應(yīng)關(guān)系，就是合乎目標(biāo)車型的助力MAP。本文針對(duì)東風(fēng)某中型商用車，通過ADAMS建立了整車動(dòng)力學(xué)模型，然后利用該模型分別對(duì)三種助力MAP進(jìn)行了仿真計(jì)算，確定了三種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)電控開發(fā)提供了助力MAP的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的原理

　　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的基本原理是由電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制器獲取方向盤扭矩信號(hào)(也可以認(rèn)為是角度信號(hào)或轉(zhuǎn)動(dòng)速度信號(hào))及整車車速信號(hào)，按照預(yù)先設(shè)定的助力模型對(duì)直流助力電機(jī)實(shí)施控制。通過控制改變電機(jī)電流的大小，從而改變輸出力矩。該輸出力矩通過減速機(jī)構(gòu)放大后與駕駛員手力一起作用于轉(zhuǎn)向器輸入軸，進(jìn)而控制車輛轉(zhuǎn)向。電機(jī)的輸出力矩實(shí)際上是對(duì)操縱手力起到了助力作用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵在于控制器控制程序的設(shè)計(jì)，而控制程序設(shè)計(jì)什么樣的助力模型，是關(guān)乎電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力性能的關(guān)鍵。根據(jù)前人實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)，一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的理想轉(zhuǎn)向助力模型正被越來越多的工程人員接受。該模型遵循汽車轉(zhuǎn)向原理和要求來實(shí)現(xiàn)操縱穩(wěn)定性，其助力特性隨方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)手力和車速變化而變化，有以下規(guī)律：

　　1)隨方向盤力矩增大，電機(jī)電流(扭矩)按一定規(guī)律增大;

　　2)隨方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加;

　　3)隨方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，換向時(shí)不得有滯后現(xiàn)象;

　　4)隨汽車車速增大，電機(jī)電流(扭矩)按一定規(guī)律減小。

　　如圖2所示，為電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力的手力特性，共有三種形式：直線式、折線式及曲線式。其中縱坐標(biāo)為助力力矩，橫坐標(biāo)為手力力矩。可以看出，手力越大，助力也越大。該特性是否合理主要是看其形狀是否利于駕駛員操縱。圖3為轉(zhuǎn)向助力的速度特性，其中車速感應(yīng)系數(shù)指隨著車速的變化，助力大小所需要的修正系數(shù)。圖4為以曲線助力為例，轉(zhuǎn)向力特性和速度特性相結(jié)合后產(chǎn)生的立體曲線圖。它顯示的就是一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的理想轉(zhuǎn)向助力模型。χ軸為方向盤扭矩座標(biāo)，у軸為車速座標(biāo)，z軸為電機(jī)助力座標(biāo)。在每一個(gè)車速上都有一個(gè)轉(zhuǎn)向特性，該模型就是不同車速下無數(shù)轉(zhuǎn)向力特性的組合。

　　2整車模型

　　2.1整車三維圖及重要參數(shù)

　　ADAMS是全球運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，用戶可以利用其在計(jì)算機(jī)上建立和測(cè)試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)事實(shí)再現(xiàn)仿真，了解復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)性能。該軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。本文利用該軟件通過導(dǎo)入現(xiàn)有東風(fēng)某中型商用車的CAD模型，建立了該商用車的整車模型。圖5為該商用車的CAD模型。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置形式如圖6所示，圖7為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)坐標(biāo)示意圖。表1為整車主要參數(shù)。

　　2.2.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

　　本文所涉及商用車轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)采用了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，其傳動(dòng)比為28。它將與鋼板彈簧子系統(tǒng)、非獨(dú)立前懸架子系統(tǒng)組裝成帶有轉(zhuǎn)向系的前鋼板彈簧非獨(dú)立懸架仿真模型。

　　轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向桿、循環(huán)球轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向垂臂等部件組成。轉(zhuǎn)向器通過轉(zhuǎn)向器殼與車架固定相連，轉(zhuǎn)向柱固定在車身上。轉(zhuǎn)向垂臂與前懸架中的直拉桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈相連。

　　為了模擬助力電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向器的助力作用，在轉(zhuǎn)向桿上施加一助力矩。助力矩的大小與變化規(guī)律根據(jù)所采用的助力特性曲線的不同而改變。圖10為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型。

　　2.2.2動(dòng)力總成模型及整車模型

　　由于動(dòng)力總成不對(duì)整車操穩(wěn)性產(chǎn)生直接影響，動(dòng)力總成模型采用了ADAMS/car軟件自帶的通用簡(jiǎn)單模型。該模型可根據(jù)節(jié)氣門開度和變速器換檔指令計(jì)算出動(dòng)力總成輸出轉(zhuǎn)矩，通過通信器可直接將該轉(zhuǎn)矩施加到驅(qū)動(dòng)輪上。簡(jiǎn)單動(dòng)力總成模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖11所示，主要由代表動(dòng)力總成和變速器質(zhì)量的外形圖以及三個(gè)將動(dòng)力總成與車架連接的bushing組成。各個(gè)模型構(gòu)建完后，組裝到一起，就形成了整車模型，如圖12所示。由于本文主要研究轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操穩(wěn)性，因此其它子系統(tǒng)的建模就不一一介紹。

　　3仿真分析

　　ADAMS/SolverTM提供了功能強(qiáng)大的求解器，本文利用前述整車模型分別對(duì)直線型、折線型和曲線型三種助力模型進(jìn)行了仿真。最終確定了三種助力MAP，如圖13所示。圖14為某車速下的雙紐線仿真結(jié)果，表2為部分仿真數(shù)據(jù)。表3為蛇形工況的仿真數(shù)據(jù)。

　　對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的評(píng)價(jià)主要有兩個(gè)方面：

　　1)輕便性：用轉(zhuǎn)向盤平均作用力和轉(zhuǎn)向盤最大作用力兩項(xiàng)指標(biāo)來評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向輕便性。

　　2)轉(zhuǎn)向盤中間位置區(qū)域性能評(píng)價(jià)：

　　①轉(zhuǎn)向盤力矩為0nm時(shí)的側(cè)向加速度：表征了汽車的回正性能。此加速度值越小表明汽車的回正性能越好，但它受到系統(tǒng)阻尼與車輛響應(yīng)滯后的影響，這個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)不宜過大或過小;

　　②側(cè)向加速度為0g時(shí)的轉(zhuǎn)向盤力矩：表征了轉(zhuǎn)向系中的庫(kù)侖干摩擦，但它也受到系統(tǒng)阻尼與車輛相位滯后的影響;

　　③側(cè)向加速度為0g時(shí)的轉(zhuǎn)向盤上的力矩梯度：它是0g處轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩隨汽車側(cè)向加速度的變化率，表征了“路感”。它主要受主銷幾何參數(shù)與轉(zhuǎn)向系總傳動(dòng)比的影響;

　　④側(cè)向加速度為0.1g時(shí)轉(zhuǎn)向盤力矩梯度：它是0.1g處轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩隨汽車側(cè)向加速度的變化率，表征了剛離開直線行駛狀況時(shí)的“路感”;

　　⑤0度轉(zhuǎn)角時(shí)的轉(zhuǎn)向盤力矩和0度轉(zhuǎn)角時(shí)的轉(zhuǎn)向盤力矩梯度：表征了轉(zhuǎn)向系的“剛度”。

　　4結(jié)論

　　本文通過ADAMS軟件構(gòu)建了某中型商用車虛擬樣機(jī)模型，按照電動(dòng)助力的原理，利用該模型，分別使用三種助力方式進(jìn)行了整車操穩(wěn)仿真計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果表明，直線型助力的輕便性最好，但路感相對(duì)較差;曲線型助力路感最好，但輕便性相對(duì)差一些;折線型助力處于兩者之間。同時(shí)通過該仿真，為后續(xù)電控開發(fā)提供了助力MAP的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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