电动辅助转向系统仿真分析研究

莫建平 许世超

摘 要：该文阐述了电动辅助转向系统的一般结构和工作原理，利用ADAMS构建了的包含转向系统、前后悬架、轮胎及地面的整车模型。分析了模型在不同速度下的转弯半径情况，拟合出了其助力转向特性曲线，对相关技术研究有一定参考意义。

关键词：转向系统;ADAMS;建模;助力特性

中图分类号：U463.4  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）13-136-03

Research on Simulation Analysis of Electric Auxiliary Steering System*

Mo Jianping， Xu Shichao

（ Guangxi Science & Technology Normal University， Guangxi Laibin 546199 ）

Abstract： The paper describes the general structure and working principle of the electric auxiliary steering system， and constructs a vehicle model including steering system， front and rear suspensions， tires and ground by ADAMS. The turning radius of the model at different speeds is analyzed， and the power steering characteristic curve is fitted， which has a certain reference significance for the related technical research.

Keywords： Steering system; ADAMS; Modeling; Boost characteristics

CLC NO.： U463.4  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）13-136-03

前言

助力转向系统发展到现在一般有三种类型，它们包括机械式液压动力转向系统、电子液压辅助转向系统和电动辅助转向系统[1]。电动辅助转向系统确保了汽车在低速状态下较为轻松转向，调和了轻便和灵敏之间的矛盾，兼顾行驶安全和舒适，以其优越的经济性能为各大车企所青睐[2-3]。本文采用ADAMS构建了的包含转向系统、前后悬架、轮胎及地面的整车模型进行转向分析研究。

1 电动辅助转向系统

图1所示为电动辅助转向系统的原理图。电动辅助转向系统由机械转向器、电动机、离合器、控制器、转矩传感器、车速传感器等组成。在方向盘转动时，转矩传感器参考输入转矩的大小，生成一定的电信号，与车速传感器获得的车速信号进入控制器，产生信号来控制电动机转动[4]。

实际车辆的运动需要对其运动进行简化，车辆向前运行可以简化为轮胎上的转矩。电动辅助转向的工作可以简化为方向盘上的一个力矩。减速机构的功能可以通过改变力矩的大小来实现。本文中建立模型是为了分析车辆转向问题，整车模型的大部分装饰和结构部件可省略不画。部分结构部件、功能部件可以简化为基础的几何体，以简化模型，绝大部分部件可以简化为杆件等基础部件。分析转向问题，重要的是转向机构的参数，更重要的是悬架的参数，这些参数包括主销长度、上下横臂长度、主销内倾角、拉臂长度、转向拉杆长度、转向节长度。另外还有几个定位参数，包括轴距、轮距和车身质心位置。

ADAMS是多体运动分析软件，建立模型后还要进行仿真分析，考虑构建之间的连接（运动副）的问题。方向盘与转向轴是锁死的，转向轴和转向传动轴保持同步运转，可以考虑使用万向节或同速副来实现。转向机和转向摇臂之间运动复杂，可以用多个转动副实现。转向摇臂同转向横拉杆之间可以用转动副或球副连接。转向横拉杆和转向拉臂之间也可以使用万向节等连接。转向机部分结构运动复杂，一般使用球副连接。上下横臂和车身之间，直接使用转动副固定。最后轮胎和悬架之间使用转动副限制轮胎的运动。

2 ADAMS建模

2.1 参数的收集

构建ADAMS模型需要大量的参数，这里需要车辆尺寸参数、外部环境参数、部件的特性参数。车辆尺寸参数包括但不限于车辆运动部件的几何尺寸、固定部件的几何尺寸、部件运动的配合尺寸。外部环境参数主要为地面谱。部件的特性参数包括部件質量、惯量，特殊部件的阻尼、刚度等。表1所示为本文所用模型的主要参数。

2.2 模型的建立

本文建立的三维模型斜侧图如图2所示。相比于实际车辆，本文所使用的模型进行了大量的简化。包括：将动力系统、传动系部分，以两个加载在后轮的固定旋转驱动来代替。将车身部分彻底忽略，车身主体并不表示出来。将底盘简化为一个小球等。此外，需要额外驱动的部分，在模型也只是以临时添加力矩、驱动的方式实现，大大简化了模型的复杂程度。

3 仿真分析

3.1 变量的确定

本文使用的模型以后轮的运动副驱动来代替车辆动力系统。车速v使用的单位为mm/s。已知：轮胎半径r=350mm，轮胎转速ω=30rad/s。可得车速v=10500mm/s。助力大小与车速及方向盘转矩相关，需要建立采集转矩、车速、和助力大小的函数。转矩是由人工从方向盘输入的，需要构建一个随时间变化而变化的函数以及一个常函数。本文中构建的转矩函数为STEP（time，2，0，4，105d）表示函数自变量为时间，自变量的函数开始值为2，函数的初始值为0，自变量的结束值为4，函数的结束值为105d。即该力矩在仿真开始的2秒内是没有运动的，在2到4秒内将转矩从0匀速提升到105d。

3.2 转向助力特性

对于电动辅助转向系统而言，转向助力的大小直接受控于电动机输出转矩的大小，而电动机转矩的大小一般受制于输入电动机的电流大小[5]。这也是电动辅助转向系统的控制单元收集方向盘转矩和速度信号，控制输入电动机的电流大小，以完成调节助力大小的功能。方向盘转矩为STEP（time，2，0，54，105d），后轮转矩为STEP（time，0，0，50，30000d）时分别得到瞬时转弯半径和瞬时车速如图3和图4所示。

以样条函数处理以上数据，得到相关数据。选取助力触发阀值为[1，5]，得到部分直线型助力特性曲线如图5所示。助力大小一般要求随着方向盘转矩的增大而增大，车速的增大而减小。而在原地转向和超低速行驶等特殊情况下，需要有较大的助力，以增加转向控制的轻便性。在高速行驶时则希望只有少量的助力甚至没有，以保持良好的路感，防止发生交通事故。

4 结论

电动辅助转向系统在未来几年还会持续发展，直到车辆制造理念发生重大革新。本文针对电动辅助转向系统仿真分析研究，完成了ADAMS整车模型的创建，包括车轮、前后悬架、转向系统等，并且以该模型为基础，成功的以转矩-

车速关系拟合直线型助力特性曲线，认识到车辆在高速、变速等状态下转弯半径会改变，对进一步的实践研究有指导意义。

参考文献

[1] 陶松，张维维.汽车转向系统的关键技术与发展探析[J].时代汽车，2019（04）：45-46.

[2] 冯樱，肖生发，罗永革.汽车电子控制式电动助力转向系统的发展[J].湖北汽车工业学院学报，2001（01）：4-8.

[3] 刘培培，程源，罗威，邓英富，王宗伟.汽车电动助力转向系统建模及助力特性[J].汽车工程师，2015（10）：34-37+59.

[4] 仇屹珏，陈靖芯.汽车电动助力转向系统实验台架的设计[J].扬州大学学报（自然科学版），2010，13（01）：71-74.

[5] 周章海.叉车电动助力转向控制器的研究与设计[D].合肥工业大学，2010.