曹艷玲, 曹 增, 徐立友

(河南科技大學(xué) 車(chē)輛與交通工程學(xué)院, 河南 洛陽(yáng) 471003)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)的性能試驗(yàn),為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的不斷改善提供可靠的數(shù)據(jù),更是檢驗(yàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)及其部件間匹配是否合理的最終手段[1].但是傳統(tǒng)的車(chē)輛EPS系統(tǒng)性能試驗(yàn)投入成本巨大、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、參數(shù)和變量易受外部環(huán)境的影響,無(wú)法實(shí)時(shí)采集.目前,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)在EPS試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)向阻力矩加載、測(cè)控系統(tǒng)等方面做了相關(guān)研究并取得了一定的成果[2].

EPS試驗(yàn)臺(tái)在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)是通過(guò)設(shè)計(jì)的阻力加載裝置對(duì)轉(zhuǎn)向齒條端加載不同的負(fù)載力來(lái)模擬轉(zhuǎn)向行駛過(guò)程中輪胎所受的阻力[3].根據(jù)轉(zhuǎn)向阻力加載裝置的不同,主要分為彈簧加載、電液伺服加載、千斤頂加載、磁粉制動(dòng)器加載和伺服電動(dòng)機(jī)加載[3].文獻(xiàn)[4]介紹了在EPS試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)用硬件在環(huán)的技術(shù)對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究.文獻(xiàn)[5]對(duì)采用電液伺服加載裝置的EPS試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了分析和試驗(yàn)研究,實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向工況下轉(zhuǎn)向輪阻力矩的精確模擬.文獻(xiàn)[6]的EPS試驗(yàn)臺(tái)采用磁粉制動(dòng)式加載裝置,并基于Windows平臺(tái)的模塊化設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).文獻(xiàn)[7]提出了伺服電動(dòng)機(jī)式加載裝置,將EPS試驗(yàn)臺(tái)的研究推向了新的高度.

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室中用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的TAT-6/TL型“電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)”,該試驗(yàn)臺(tái)沒(méi)有阻力加載裝置,不能模擬實(shí)際轉(zhuǎn)向工況下車(chē)輪所受到的轉(zhuǎn)向阻力矩,無(wú)法對(duì)EPS系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證.因此,筆者基于TAT-6/TL型“電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)”對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì),根據(jù)EPS系統(tǒng)的助力工作特性和性能測(cè)試要求內(nèi)容,提出EPS試驗(yàn)臺(tái)的總體加載方案,完成硬、軟件系統(tǒng)的部分設(shè)計(jì),利用虛擬試驗(yàn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)整車(chē)模型的一鍵式下載,全面實(shí)時(shí)模擬汽車(chē)在不同工況下轉(zhuǎn)向過(guò)程中的阻力矩施加,以期構(gòu)建更加完善的EPS性能測(cè)試平臺(tái).

1 EPS試驗(yàn)臺(tái)的總體方案

1.1 EPS試驗(yàn)臺(tái)的加載方案確定

通過(guò)對(duì)各種EPS試驗(yàn)臺(tái)加載裝置的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析和對(duì)比表明:螺旋彈簧只能線性加載負(fù)載力,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單與實(shí)際結(jié)果相差很大;千斤頂加載式無(wú)法模擬車(chē)輛轉(zhuǎn)向行駛工況下的阻力矩,而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,占用空間大;伺服電動(dòng)機(jī)加載式控制精度高,但控制方式較為復(fù)雜,伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器較為昂貴,試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)發(fā)成本極大.

綜合上述分析,立足于EPS試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與基本功能要求,結(jié)合本試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試內(nèi)容和開(kāi)發(fā)成本,選用另外一種比較新穎的電動(dòng)推桿式加載裝置.根據(jù)EPS試驗(yàn)臺(tái)架有關(guān)規(guī)定對(duì)該試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā),拆除右懸架和右車(chē)輪,在齒輪齒條轉(zhuǎn)向器右端安裝電動(dòng)推桿加載裝置,該電動(dòng)推桿式加載裝置模擬精度較高,滿足EPS性能測(cè)試的試驗(yàn)需求,而且性能良好,節(jié)約了成本,實(shí)現(xiàn)了EPS試驗(yàn)臺(tái)的基本功能要求.

1.2 EPS試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)和工作原理

電動(dòng)推桿式EPS試驗(yàn)臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,其主要由EPS系統(tǒng)總成、阻力加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)組成,其中阻力加載系統(tǒng)包括臺(tái)架、電動(dòng)推桿、控制器(MCS912)和壓力傳感器等.

圖1 電動(dòng)推桿式EPS試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)圖

在汽車(chē)轉(zhuǎn)向過(guò)程中,控制器(ECU)根據(jù)EPS系統(tǒng)輸入的電子信號(hào),助力電動(dòng)機(jī)在控制器輸出的指令下提供合適的助力,然后在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩和助力電動(dòng)機(jī)提供的助力轉(zhuǎn)矩下克服汽車(chē)車(chē)輪受到的總阻力矩,完成轉(zhuǎn)向;同時(shí)在阻力加載系統(tǒng)中,控制器(MCS912)實(shí)時(shí)控制電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng),對(duì)轉(zhuǎn)向器齒條端施加不同的負(fù)載力,模擬轉(zhuǎn)向過(guò)程中車(chē)輪受到的阻力,而壓力傳感器將測(cè)得的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)與目標(biāo)壓力信號(hào)進(jìn)行比較,得到偏差信號(hào),從而形成閉環(huán)控制,達(dá)到較高的精度.

2 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型建立

由于TAT-6/TL型試驗(yàn)臺(tái)中的EPS系統(tǒng)總成部分在結(jié)構(gòu)上是由鈴木雨燕(SWIFT)轎車(chē)的相關(guān)原部件組成的,文中選用鈴木雨燕轎車(chē)為研究對(duì)象.

2.1 EPS系統(tǒng)模型

選擇轉(zhuǎn)向軸助力式(C-EPS)類(lèi)型,根據(jù)達(dá)朗貝爾定理,其動(dòng)力學(xué)微分方程[8]為

(1)

式中:Js為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;θs為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角;Bs為轉(zhuǎn)向盤(pán)阻尼系數(shù);Ks為轉(zhuǎn)向柱剛度系數(shù);Ts為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩;xr為齒條位移;rp為小齒輪半徑.

(2)

式中:Mr為減速機(jī)構(gòu)、齒輪和齒條的當(dāng)量質(zhì)量;Br為轉(zhuǎn)向軸、減速機(jī)構(gòu)、齒條和齒條部分等效的當(dāng)量阻尼系數(shù);Tr為轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩;G為減速機(jī)構(gòu)減速比;Km為助力電動(dòng)機(jī)剛度系數(shù);θm為助力電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角.

(3)

式中:Jm為助力電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Bm為轉(zhuǎn)向軸阻尼系數(shù);Tm為助力電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩.

2.2 輪胎模型

選用半經(jīng)驗(yàn)“魔術(shù)公式”輪胎模型,在路面附著系數(shù)μ的影響下,輪胎側(cè)向力[9]為

(4)

式中:D1為峰值因子;C1為曲線形狀因子;α為輪胎側(cè)偏角;B1為剛度因子;E1為曲線的曲率因子.

當(dāng)C1=1.3時(shí),對(duì)應(yīng)的其他因子計(jì)算公式為

(5)

式中:a1,a2,…,a8為“魔術(shù)公式”輪胎系數(shù),由擬合得到;Fz為輪胎垂直載荷.

車(chē)輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中,考慮垂直載荷變化對(duì)輪胎側(cè)向力的影響,故車(chē)輪垂直載荷分配的關(guān)系式為

(6)

式中:a,b為質(zhì)心到前后軸的距離;d為車(chē)輪輪距;h為質(zhì)心高度;vx為整車(chē)的縱向速度且車(chē)速保持不變;vy為整車(chē)的側(cè)向速度;ω為整車(chē)橫擺角速度.

2.3 整車(chē)模型

選擇包含“魔術(shù)公式”的非線性二自由度整車(chē)模型,建立的整車(chē)動(dòng)力學(xué)方程[10]為

(7)

式中:Iz為橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Fy1,Fy2,Fy3,Fy4分別為車(chē)輛各輪胎的側(cè)向力;δ為轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角.

(8)

(9)

(10)

式中：α1,2為前輪左右輪側(cè)偏角；α3，4為后輪左右輪側(cè)偏角.

2.4 轉(zhuǎn)向阻力矩模型

EPS試驗(yàn)臺(tái)的阻力加載裝置設(shè)計(jì)是為了更加真實(shí)模擬汽車(chē)在轉(zhuǎn)向工況下的轉(zhuǎn)向阻力,因此對(duì)轉(zhuǎn)向阻力矩的分析必不可少.其中,原地轉(zhuǎn)向是車(chē)輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中最?lèi)毫拥墓r,車(chē)輪與地面的摩擦阻力為主要部分.原地轉(zhuǎn)向阻力矩包含內(nèi)摩擦、重力回正力矩以及路面的摩擦阻力,但是一般用半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)表示路面的最大摩擦阻力,忽略其內(nèi)摩擦的影響,得到與前軸載荷、車(chē)速胎壓、路面附著系數(shù)有關(guān)的原地轉(zhuǎn)向阻力矩關(guān)系式:

(11)

式中:f為輪胎與路面的摩擦系數(shù);pt為輪胎氣壓.

對(duì)于行駛轉(zhuǎn)向阻力矩,其主要由側(cè)向力引起的輪胎回正力矩、重力回正力矩、系統(tǒng)的內(nèi)摩擦力矩組成,公式如下:

Msz=-Fy(l1+l2),

(12)

式中:Msz為前轉(zhuǎn)向車(chē)輪的側(cè)向力回正力矩;l1,l2分別為輪胎拖矩、機(jī)械拖矩.

Mzz=FzDnφsinφsinδcosρ,

(13)

式中:Mzz為前轉(zhuǎn)向車(chē)輪的重力回正力矩;Dn為垂直力臂;φ為主銷(xiāo)內(nèi)傾角;ρ為主銷(xiāo)后傾角.

(14)

式中:M為轉(zhuǎn)向車(chē)輪的總阻力矩;i為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比;Mf為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)摩擦力矩.

3 阻力加載系統(tǒng)的硬、軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)主要包括對(duì)電動(dòng)推桿的選型、壓力傳感器的選擇、控制器(MSC912)的選型、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇以及對(duì)加載裝置臺(tái)架的設(shè)計(jì)與安裝.

根據(jù)EPS試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)向器齒條位移和SWIFT型轎車(chē)在原地轉(zhuǎn)向的最大轉(zhuǎn)向阻力矩,故可選擇最大行程為120 mm的LEC606F-4500-5-12-F型電動(dòng)推桿.壓力傳感器可選擇上海聚人電子科技有限公司的柱型RS-5N 壓力傳感器,與放大器配合使用.

基于EPS試驗(yàn)臺(tái)對(duì)硬件的要求和虛擬技術(shù)的應(yīng)用,最終選擇了飛思卡爾MC9S12系列的16位MC9S12DG256控制器,控制器中的功能模塊可集成在Simulink庫(kù)中,能與Matlab/Simulink無(wú)縫對(duì)接,運(yùn)用基于模型設(shè)計(jì)的方法,實(shí)現(xiàn)Simulink模型到自動(dòng)代碼的一鍵式生成下載.由于電動(dòng)推桿的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為12 V直流電動(dòng)機(jī),采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)控制直流電動(dòng)機(jī)就需要產(chǎn)生PWM斬波的驅(qū)動(dòng)電路,選用的是龍丘科技公司的LQ-7970M直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器,其H橋控制電路可通過(guò)調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速和轉(zhuǎn)向.

3.2 軟件系統(tǒng)

3.2.1 數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)

數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)采用快速原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)ECUCo-der中的Meca軟件,克服了以往LabVIEW軟件帶來(lái)的種種不足.試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)界面如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)界面

3.2.2 底層驅(qū)動(dòng)的虛擬開(kāi)發(fā)

基于模型設(shè)計(jì)(MBD)也稱(chēng)作V型開(kāi)發(fā)方式,包含使用Simulink的快速建模(RCP)和硬件在環(huán)控制(HIL)2部分.前期階段,在Matlab/Simulink中建立控制對(duì)象的模型,基于RTW可以對(duì)Simulink模型一鍵下載,自動(dòng)生成被控制器識(shí)別的代碼,完成控制.為了實(shí)現(xiàn)這一功能,基于MC9S12DG256控制器開(kāi)發(fā)出了被RTW自動(dòng)生成代碼的底層驅(qū)動(dòng)工具包“Real-timemc9s12 Toolbox”,該工具包主要包括ADC，DAC信號(hào)模塊和PWM脈寬調(diào)制信號(hào)模塊等.

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

開(kāi)發(fā)的EPS試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示.為了對(duì)比仿真輸出的真實(shí)性,進(jìn)一步驗(yàn)證EPS系統(tǒng)控制的實(shí)際效果,需要在開(kāi)發(fā)好的EPS試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)研究,為后續(xù)的EPS研究提供可靠數(shù)據(jù)和參考.對(duì)汽車(chē)原地轉(zhuǎn)向和行駛轉(zhuǎn)向工況進(jìn)行了試驗(yàn),經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)試完成后,在EPS試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)直線型EPS系統(tǒng)的有關(guān)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究.

圖3 EPS試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

4.1 原地和行駛工況的轉(zhuǎn)向阻力模擬驗(yàn)證

原地轉(zhuǎn)向工況下,轉(zhuǎn)向器齒條端施加的負(fù)載力仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖4所示.試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),調(diào)整整車(chē)的裝備質(zhì)量,在整車(chē)滿載的情況下進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向模擬.由平衡位置勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán),完成正、反轉(zhuǎn)1個(gè)周期.

圖4 原地轉(zhuǎn)向工況模擬驗(yàn)證

從圖4可以看出： 在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角緩慢變大的過(guò)程中,阻力由輪胎形變產(chǎn)生,負(fù)載力變化較慢,當(dāng)增大一定程度后,此時(shí)輪胎處于滑移階段,主要由重力回正力矩產(chǎn)生,負(fù)載力變化較快,迅速達(dá)到最大值.

行駛工況下轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向阻力矩與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖5所示.

圖5 行駛轉(zhuǎn)向工況模擬驗(yàn)證

在行駛工況下,將整車(chē)裝備的質(zhì)量設(shè)置為空載情況,設(shè)定車(chē)速為40 km·h-1,勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán),完成正、反轉(zhuǎn)1個(gè)周期,得到所需的關(guān)系曲線.從圖5可以看出:在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角不斷增大的過(guò)程中,轉(zhuǎn)向阻力矩也近似隨之增大,而轉(zhuǎn)向阻力矩為轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)矩與助力轉(zhuǎn)矩之和,故在轉(zhuǎn)角增大的過(guò)程中,助力電動(dòng)機(jī)提供的助力轉(zhuǎn)矩增大,符合EPS系統(tǒng)的低速輕便性能.

4.2 助力電動(dòng)機(jī)的電流跟蹤試驗(yàn)

助力電動(dòng)機(jī)電流跟蹤試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 助力電動(dòng)機(jī)電流跟蹤試驗(yàn)結(jié)果

從圖6a可以看出:在轉(zhuǎn)向盤(pán)階躍輸入下,經(jīng)過(guò)前期的不規(guī)則波動(dòng),轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩在約5 s時(shí)達(dá)到峰值,之后迅速減小,符合操作過(guò)程中的輸入瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律.從圖6b可以看出:助力電流能根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩而不斷跟隨變化且兩者變化曲線相似,符合EPS系統(tǒng)的助力特性要求.

4.3 不同車(chē)速工況下系統(tǒng)測(cè)試

行駛工況下,在轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角為30°時(shí),試驗(yàn)臺(tái)的負(fù)載力隨車(chē)速的變化曲線如圖7所示.

圖7 負(fù)載力隨車(chē)速的變化曲線

從圖7可以看出:當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角一定時(shí),試驗(yàn)臺(tái)架所受的總負(fù)載力隨著車(chē)速的變化而變化,車(chē)速越高時(shí)負(fù)載力也隨著變大,這一過(guò)程中主要是由輪胎的回正力矩產(chǎn)生的負(fù)載力引起的,而重力回正力矩產(chǎn)生的負(fù)載力不隨著車(chē)速的變化而變化,再次證明重力回正力矩與車(chē)速無(wú)關(guān),其主要是與前輪轉(zhuǎn)角的大小有關(guān).因此,在車(chē)速增加時(shí),側(cè)向力回正力矩在轉(zhuǎn)向輪受到的總力矩中所占的比例也增加,車(chē)速越大,側(cè)向力產(chǎn)生的回正力矩對(duì)試驗(yàn)臺(tái)負(fù)載力的影響越大,相反,在高速情況下,重力產(chǎn)生的回正力矩對(duì)負(fù)載力的影響較小.

5 結(jié) 論

通過(guò)原地和行駛工況的轉(zhuǎn)向阻力試驗(yàn)、電流跟隨、響應(yīng)特性試驗(yàn)以及不同車(chē)速工況下系統(tǒng)的測(cè)試,對(duì)EPS系統(tǒng)的性能進(jìn)行了模擬驗(yàn)證,結(jié)果表明新開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)臺(tái)較符合EPS系統(tǒng)的助力特性性能,滿足EPS試驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)要求,為EPS系統(tǒng)的性能測(cè)試提供了平臺(tái).

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