汽车线控转向系统论文.doc

摘要随着控制肢术的高速发展，越来越多的电子控制设备被运用至IJ汽乍上线控转向系统就是在这 样的背景下产生的，其主要特征是用控制言号取代了转向盘和转向彳轮之间的机械连接虽然，线 控转向系统至今还没有形成成熟的理论和产品，但其所显现的变传动比等优势是传统机械向系统 所无法比拟的，它是转向技术未来的研究方向，是转向系统发展的最高形式到H前为止，几乎世 界上的各大汽车厂商和研究机构都投入了一定人力和物力对线控转向系统进行研究木文在借鉴国内夕网I究成果的基础上，围绕基于理想传动比的线控转向系统的控制算法，做了 以下工作：介绍了线控转向技术的国内夕冊究现状和发展前景，对线控转向系统的系统结构、性能特点及 关键技术作了简单阐述右此基础上 进 步介绍了线控转向系统的结构原理，包括转向盘总成、 转向执行机构、主控制器、自动防故障系统电源等建立了线控转向汽乍的动力学模型和ADAMS整彳模型线控转向汽乍动力学模型：控转 向系统受力分析的基础上 建立了转向盘总成动力学模型和转向执行机构动力学魁其次介绍了 dugoff轮胎模型，推导了轮胎回正力矩的数学表达式并建模最后建立了…个中等复杂的四自由度 （彳辆的纵向、横向、横摆以及侧倾自由度）汽乍整动力学模型。

ADAMS整个模型：用ADAMS 软件建立了用于实验仿真的整车鯉，建模过程中，对不影响汽车转向系统性能的结构作了简化 在ADAMS整/|•模型的杲砒匕弓I入驾驶员模型和道路信馳行仿真试验，验证了模型的可行性线控转向系统PIT腔制壇法为了进 步改善汽乍的转向特性，结合线控转向系统的特点，提 出了线控转向系统PID控制算法，并进行了仿真试验分析分析结果表明该算法对线控转向系统具 有较好的效果，能增强汽乍的操作稳定性与安全性目录摘要 I目录 II1设计总则 11.1课题的来源 11.2设计背景 11.2.1课题的提出 11.2.2线控转向技术的发展现状 21.3本文研究的内容 52线瘩专向系统的基本结构原理与工作原理 62.1线控转向的基本结构 62.2线控转向的原理 62.2.1方向盘总成 82. 2.2 转向执行机构 82. 2.3主控蜩 92. 2.4自动防故障系统 102.3线解向系统的术 122.3.1汽车线朕向系统中具有以下几个可靠的技术 123线瘩专向系统车辆模型 143.1转向盘总成模型 143.2轮胎模型 153.2.1 dugoff 轮月僻卿 153.3整车动力学魁 164 ADAMS整车魁 204.1 ADAMS软件简介 204.2 ADAMS 魁的葩 214.2.1双横臂式前悬架多体舷动力谢卿 214.2.2后钢橱单簧多侬力力 224.2.3减振器鯉 234.2.4轮胎与路面鯉 234.3 ADAMS 鯉分析验证 235线瘩专向系统的三个研究热点 265.1主动转向 265.1.1转向灵活性功能 265.1.2横摆角速度控制和横摆力矩补偿 265.1.3稳定性功能的扩展-底盘集成鋼技术 275.2变传动比策略 285.3汽车线鮒向物出现的问决方法 295.4展望 30致谢 32参考文献 331设计总则1.1课题的来源本课题《汽乍线控转向系统的研究》來源于湖的•工业学院汽乍工程系汽乍研究室。

1.2设i十背景1.2.1课题白册是出汽车作为机械冊隨技术、电子技术、信息技术、高新材米肢术等多和技术的集成体，逐渐走进 了千家万户汽车的艇牛吋，仅仅是作为彳抄工具使用的，而冃前它已经承担了彳抄、通讯、办公 甚至娱乐等多种功能，汽^从W艇牛时的纯机械J，品开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展， 电了装置占汽车整车价值量的比例逐步提高汽车，早玉械为人类现代牛活中不可缺少的重要组 成部分，励了衡EA类牛活水平和综鉀技/K平进步重要标准之一近些年来，我国汽车产业发 展迅述 被列为了国家发展的一大支柱业 在国民经济中占有十分重要的地位为了尽快迥土发 达国家的汽车冊IzK平，国家出台了一系列的鼓励政策，力求力楸我国的自主开发和技术创造能力建 设汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成，是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构， 能与行驶系统配合共同保持汽车的操纵稳定性和安全性随着交通问题的日益严峻化、车辆行•驶的 高速化、驾驶人员非职业化、车流的密集化，广大车辆设计人员迫切需要设计出一款具有良好操纵 性能的车碱向系统 而汽车相关电子信息和控制技术的刁入 为其提供了良好的契机线控(X・By・wiQ技术最初是应用右航空航^领域，是利用电气信号的形式，通过峻实现人对 操作对象的运动进行控制的一门新技术。

就汽车转向系统而言，如果去掉传徳向系统中的传动机 构，如转向柱等，而将驾驶员转动转向盘的操作与转向车轮的偏转之间通过电气信号及控冊烯连接 起来，从而实现驾驶员对汽车行驶方向的控制.这就是线控转向系统(Steering—By—Wie System, 称SBW)该系统中，驾驶员转动转向盘的操作仅仅是向车輛｝入自己的驾驶指令，而由控制器根 据驾驶员指令、半前汽车实时工况和路面状况确定合理的前轮转角，从而实现转向系统的智能控制 线控转向系统在汽车上的应用，将在很大程虹提高汽车的操纵稳定性和安全性，并降低驾驶员操 作负荷线控转向系统"转向盘和转向轮之间不再采用羽1M方式连接，取血彳吃的是电气信号及控制 器，彻底摆脱了传统转向系统的固有限制，使车辆设计人员能自由设井（车转向系统的力传递特性 和角传递特性，给汽/|•转向特性的设计带来了很人的自由发展空间线控转向系统的角传动比由控制器控制，容易实现变传动比，使转向系的角传动比能随着F速 以及转向盘转角等参数的变化而变化一方面，可以解决道困扰传统转向系统的“轻”与“灵” 的矛盾，低速时采用较小的传动比，廿时转向系统“灵”，高速时采用较人的传动比，转向系统变 得“轻” o另_• 方面，nJ以实现主动转向，线控转向系统的控制器可以接受如侧偏传感器、横摆角 速度传感器等传感器的信号。

为监测至眾车出现紧急或危险情况吋，线控转向系统就能够在驾驶员 做出反应之前采取相应动作以避免事故的发生1.2.2线扌曹专向技术的发展现状汽车线控转向系统的杲本设计理念是以"燈驾驶员的操作负荷、有效改善彳辆转向系统响应特 性、提高汽乍安全性、降低B由消耗为H标的线控转向系统使汽乍的转向特性更易被掌握，更适 合广大非职业驾驶员的要求，对广大消费者有着巨大的吸引力正因为如此，线控转向技术得到了 世界各大汽储建厂商、科研机构及设计呛勾的重视从线控转向系统生产成本來看，随着电子技术和微型计算机技术的高速发展，线控转向系统^ 需要的电了芯片和电了元器件的成本会迅速降低，成本会在不久的将来达到消费者能够接受的水 平采用线控转向等电子控制技术后，电子部件更换方便的优点使得汽/【•维护费用降低，而且还能 够推动远程诊断、远程维护技术的新发展，进 步降低i气乍的维护费用另外 从汽车生产商来看, 线控转向系统的丿也会降低K开发费用对不同的车型而言，线控转向系统H是软件部分的不同, 硬件部分改变不人，只要修改软件部分的控制缎，就町以使其适合其它车型，节省大量的开发费 用和时间从线臓向系统实现的条件来看，电动助力转向系统EPS已经发展成熟，线控转向系统可以借 鉴其相关技术。

车用42V电源的即将普及，使线控转向系统的供能问题得到圆满解决另外 随着 屯子芯片和电子元器件处理能力和可靠性的人人提高,各种车用传感器如非接触扭矩、转角传感器、 横摆角速度传感器等的精度的不断提高，大量应ffl成为可能从现何气乍的发展趋势來看，线控转向系统符合安全、环保、智能的要求，辅助驾驶系统和无 人驾驶系统等新兴热门领域将迫切需要开发出-款线控转向系统，这些敞&线控转向系统带來了广 阔的应ffl前景线控转向系统中，转向盘和转向轮之间不再采用湘械方式连接，取血彳吃的是电气信号及控制 器，彻底摆脱了传数向系统的固有限制，使乍辆设计人员能自由设引汽/]•转向系统的力传递特性 和角传递I寺性，给汽车转向特性的设计带来了很大的自由发展空间实践证明：线控转向系统可以 人幅度的改善汽/|•转向特性，提高汽乍的操纵稳定性，并降低驾驶员的操纵负荷早在二汁世纪五十年代,TWB報向系统开发商就提出线控转向系统的概念.试图取消转向盘 和转向轮之间的机械连接六十笛沫，德国的Kasselrmnn等也设计了与此类似的主动转向系统 这便线控转向系统的雏形但瘵臂吋电了控制技术的希哟；线控转向系统没有得到深入研究随着电子控制技术的解，龄来，世舲坤车厂家和研发机构，如奔驰、宋马、ZF以血七 洋(Koyo)精工技术研究所等，都开始対汽车线控转向系统做深入研究，并已取得了一些可喜成果， 某些国际著名汽车生^商已在其概念车上安装了线控转向系统，如宝马公司的BWM-22概念车，图 1.1990,奔驰公司开始了前轮线控转向系统的深入研究，并将其开发的线控转向系统安装于 ROOCaiving的概念车上。

1998年，ZF公司宣布成功开发了电动助力转向系统(EPS),之后也大力开 展线扌锵向系统的开发研究.H前已经有整套的线控转向系统2000年9月的法兰克福卡车展览会上Daimler—Chiysler与ZF公司均展示了各自开发的线控转向 系统其中，[【Daimler~Chrysler开发的用操纵杆操纵的线控转向系统被列为2000年汽车十大新技术 之一图l.[ BWN-Z22转向盘图1.2 ZF公司的SBW系统2001年的第71届H内瓦国际汽车展览会上 世界各大汽车厂家都展示了最新的线控转向技术意大利的BeitoneA车设计开发公司的概念伞FILO”、该乍转向、力哒、制动、换档、离台均借助 线控技术，驾驶员所有的操作都通过控制信号控制相应的执行器宝马公司展示了概念车 "BWM-Z22",其应用了线扌锵向和线控制动技术，该车转向盘的转动范围减少到了 160度，大大 降低了汽车大转弯时驾驶员的操作负荷另外，本届展览会上 雪铁龙和奔驰公司也展出了装有线 控转向系统的概念车，“GCrosser”和“R129”2002年9月，通用汽车公司的燃料电池车“Hy・Wie ”在巴黎车展丄首次全球亮相，“Hy・wi甘 为Hyde的与by・Wie的组合词，意为“氢燃料驱z毎-线控操作”该车仅用-个称为Xdrive的电臧 作面板代替了转向盘和脚踏板的全部^能，转向、力睡和减速完全采用电子控制方式。

使汽车的内 部空间、车身夕卜型以及汽车的整体设计都发牛了前所未有的改变2003年纽约国际车展丄.日本丰田公司推出了采用线控转向系统的概念车Lexus・HPX,实现了 车辆的自z娠制2007年，第40届东京车展，日本精工展示了“双连杆臂式线控转向系统(DPASS)”，图1. 3所 示该系统左右转向轮处各布置了-仆向执行电机，分别操纵左右转向轮，可以实现阿克曼转向 由于电机直接操作转向车轮，省掉了转向转动机构，如齿条、转阳器等，结构大幅简化、提高空间 效率另外，两你向执行电机还能互为备份，具备故障保护功能图1.3双连杆臂式线控转向系统(DPASS)在国内，线控转向系统方面的研究起步较晚，与国外的研究水平相比，还存在比较人的差距， 但在相关技术I迪取得了较人的进步□前国内部分科研机构也开始涉足线控转向系统相关研究领 域，纷纷投入的人力、物力对其进行研发线扌锵向系统的研究对捉高我国汽车产业的国际竞争力 和开发自主知识产权甜牌具有重要意义在理论研究方面，部分汽车厂商和高校已经取得了一些进展上海大众汽乍有限公司总结了国 夕卜汽车线控转向技术的研究成果，阐述了线控转向系统的关键技术、主要问题。