一種電控液壓助力轉向系統的制作方法

一種電控液壓助力轉向系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種電控液壓助力轉向系統，該電控液壓助力轉向系統包括轉向機械部分、液壓助力部分、信號傳感器部分和電子控制單元ECU，駕駛員通過轉向機械部分做出轉向指令，多個信號傳感器將車速信號，方向盤轉角信號，電機轉速信號等傳遞給電控單元ECU，由ECU發出指令給液壓助力部分，驅動液壓油實現理想的轉向助力；同時，對電控液壓助力轉向系統進行多目標優化，以轉向路感、靈敏度、能耗為目標，通過協同優化方法，對電控液壓助力轉向系統的機械參數、液壓系統部分參數進行優化設計，使得轉向系統轉向路感、靈敏度、能耗的綜合性能更優。
【專利說明】
-種電控液壓助力轉向系統
技術領域
[0001] 本實用新型設及汽車電控液壓轉向系統領域，特別是一種電控液壓助力轉向系 統。
【背景技術】
[0002] 電控液壓助力轉向系統是一種在汽車轉向時根據方向盤轉角，車速信號，控制轉 向油累驅動電機轉速，給轉向系統累油，使得轉向液壓缸兩側產生一定壓差助力車輪轉向 的新型汽車動力轉向系統，目前廣泛應用于汽車動力轉向中。相比傳統的液壓助力轉向系 統，電控液壓助力轉向系統擁有更好的汽車高速行駛時的操縱感覺和動態響應W及行駛過 程中經濟性等優勢，由于該系統W電機代替發動機直接驅動液壓累，車速和轉向盤轉速將 影響電機轉速的大小，在車速低、轉向盤角速度大時，ECU響應使得油累驅動電機轉速增大， 增大液壓油流量，增大轉向助力;反之，電機轉速降低，系統提供的助力減小。
[0003] 但是在現有的電控液壓助力轉向系統的研究中，一方面，電控液壓助力轉向系統 的機械、液壓元件參數設置對汽車轉向的路感、靈敏度的影響鮮有人研究，而在實際操作 中，路感、靈敏度等由駕駛員直接體驗，對駕駛員的操縱感覺影響甚大;另一方面，現有的電 控液壓助力轉向系統，其轉向能耗仍然較大，仍有很大的節能潛力，而且針對機液電=個學 科對W上路感，靈敏度，能耗綜合優化的報道尚未見公開。 【實用新型內容】
[0004] 針對上述問題，本實用新型提供一種電控液壓助力轉向系統，并基于該系統，提出 綜合考慮機械轉向系統參數、電機參數、轉閥參數、液壓累參數的機液電多學科協同優化方 法，本實用新型是運樣實現的：
[0005] 提供一種電控液壓助力轉向系統，包括轉向機械部分、液壓助力部分、信號傳感器 部分和電子控制單元ECU;
[0006] 所述轉向機械部分包括依次連接的轉向盤、轉向軸、轉閥、齒輪齒條轉向器W及兩 端連有車輪的轉向橫拉桿，轉向橫拉桿上設有液壓缸，轉向軸上設有扭矩傳感器；
[0007] 液壓助力部分包括順序連接的油壺，吸、回油管路，雙作用葉片累，連接轉閥與液 壓缸的液壓缸進油管路和液壓缸回油管路，與雙作用葉片累直接相連的葉片累驅動電機， 即無刷直流電機，轉閥不僅與轉向軸、齒輪齒條轉向器機械連接，還與葉片累、液壓缸通過 液壓管路相連；
[000引所述傳感器部分包括轉向軸上的扭矩傳感器，車速傳感器，電機轉速傳感器，與液 壓缸相連的壓力傳感器，方向盤轉角傳感器，縱向加速度傳感器，橫擺角速度傳感器；
[0009] 所述電子控制單元ECU與各傳感器部件連接，接收各傳感器部件發出的電信號，并 向葉片累驅動電機發出控制信號。
[0010] 結合該系統，提供一種電控液壓助力轉向系統的多目標優化方法，該方法包括如 下步驟：
[0011] I)建立電控液壓助力轉向系統模型、整車動力學模型，其中電控液壓助力轉向模 型包括轉向盤模型、輸入和輸出軸模型、轉閥模型、齒輪齒條模型、轉向累模型、葉片累驅動 電機模型、輪胎模型；
[0012] 2)建立優化指標模型，包括轉向系統能耗模型、靈敏度模型、路感模型，將運=個 模型作為轉向系統設計的評價指標，建立轉向系統優化目標函數；同時W轉向靈敏度的能 量值范圍作為約束條件，建立電控液壓助力轉向系統多目標優化模型；
[0013] 3)將定子厚度B，電機與油累的轉動慣量Jm,轉矩傳感器剛度Ks小齒輪半徑液壓 缸活塞面積Ap轉閥閥口間隙寬度W，作為電控液壓助力轉向系統的設計變量；
[0014] 4)采用協同優化方法對電控液壓助力轉向系統進行結構分解，對系統進行劃分， 劃分為轉向能耗系統，靈敏度系統，路感系統;總系統采用多島遺傳算法，子系統采用化PQL 算法，對電控液壓助力轉向系統在步驟4)中設計變量進行優化，得到最優解。
[0015] 所述無刷直流電機的相應模型為：電機根據ECU傳遞的控制信號，調節PWM占空比， 使得電機按一定轉速運轉，W電機轉速作為反饋，調節電機占空比，此為外反饋，同時，電機 受負載影響，負載在轉速變化下也將發生相應變化，此時，通過內反饋，對電流進行調節，構 成內反饋。通過內外反饋，更快的實現電機控制，轉速調節。
[0016] 經過Iaplace變換，無刷直流電機速度響應為：
[0017]
[0018] 其中，La為電機電感，J為電機轉動慣量，。為電機電阻，Bv為電機粘滯阻尼系數，Kl 為電機阻力矩系數，Kt為電機轉矩系數，Ke為電機反感電動勢系數，Ud為電機母線電壓，W為 電機轉動角速度。
[0019] 步驟2)中，轉向系統能耗量化公式為：
[0020] E = Pm-1oss+P v-loss+P pump-loss
[0021] 其中Pm-Ioss為電機能量損耗，Pv-Ioss為轉閥能量損耗，Ppump-lMS為液壓累能量損耗，E 為總能量損耗；
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
[002引
[0029] 其中，A為閥間隙的油流量面積，N為轉閥閥口數，L為轉閥口狹口長度，W為轉閥閥 口間隙寬度，Cq為閥間隙的流量系數，Qs為轉閥進油量，&為齒輪齒條位移；
[0030] Ppump-Ioss = Psqn-PsQs
[0031
[0032
[0033
[0034
[0035] 式中，S(S)為經拉普拉斯變換后的前輪轉角，0s(s)為經拉普拉斯變換后的方向盤 轉角，e(s)為經拉普拉斯變換后的橫擺加速度，(1) (S)為經拉普拉斯變換后的質屯、側偏角， Wr (S)為經拉普拉斯變換后的橫擺角速度，n為雙作用葉片累的轉速，m為轉向輸出軸到前輪 的傳動比，a為汽車質屯、到前軸距離，U為汽車車速，d為車輛1/2輪距，Ei為側傾轉向系數，ki、 k2為前輪側偏剛度，mr為齒條質量，Jm為電機與油累的轉動慣量，Br為齒條阻尼系數，Bm為電 機與油累的粘性阻尼系數，nv為油累的容積效率，Cq為閥間隙的流量系數，K為電機助力系 數，Ka為轉向助力電機轉矩系數，Ks為轉矩傳感器剛度，Ktt為轉向軸與扭桿的綜合剛度;路 感量化心.
[0036]
[0037] 式中，Th為轉向盤輸入轉矩，Tr為轉向螺桿的助力轉矩，q為累的排量，B為定子厚 度，R2為定子長軸半徑，Ri為定子短軸半徑，Z為葉片累葉片數，t為葉片厚度。
[0038] 所述步驟2)中，電控液壓助力轉向系統優化的目標函數f(x)為：
[0039]
[0040] AT : It價阻四mi VXi;戶jit々IMJI曰記巾XJC少巧率范圍（0, W日）的頻域能量平均值，優化方
案中CO 0 = 40Hz ;靈敏度函數f (X2)為路面信息有效頻率范圍（0，《 0)的頻域能量平均值;f (X3)為轉向系統能耗；
[0041 ] 在優化過程中，函數滿足2.8 X 1(T6 < f (X2) < 8.6 X 1(T6的約束條件。
[0042] 在所述步驟4)中，其結構或實施流程為：建立多目標協同優化模型，W轉向路感， 靈敏度，能耗的綜合數學模型f (X)作為系統級優化目標，再分別W轉向路感、靈敏度、能耗 為子系統，構建多學科協同優化模型；
[0043] 系統級優化模型：
[0044]
[0045] 式中，Z為系統級優化器中的設計變量向量;f (Z)為系統級優化器的目標函數;Ri 為系統級優化器和子系統級優化器的等式一致性約束條件，同時，也是各個子系統的目標 函數，松弛因子e在此取0.001;
[0046] W轉向靈敏度作為第一子系統，則子系統一優化模型為：
[0047]
[004引 I型為；
[0049]
[0050] I 型為：
[0化1 ]
[0052] 在總系統中按照選取多島遺傳算法作為優化算法，在子系統中都選取化PQL算法 作為優化算法，按照默認步長進行優化，得到最終的優化結果。
[0053] 本實用新型采用W上技術方案與現有技術相比，具有W下技術效果：
[0054] (1)本實用新型綜合考慮汽車轉向過程中的路感、靈敏度、轉向能耗，進行了多學 科優化，從優化結果來看，有效的提高了轉向路感，使得轉向靈敏度滿足要求，仍在合適的 范圍之內，同時降低了轉向系統的能耗。
[0055] (2)本實用新型提出的針對電控液壓轉向系統的多學科協同優化方法，與其他針 對總系統的優化方法相比，顯著降低總的優化運算時間。
[0056] (3)本實用新型提出的針對電控液壓轉向系統的多學科協同優化方法采用多島遺 傳算法與NLP化算法結合的方式，兼顧了優化運算速度與準確性，最優解更具全局性。
【附圖說明】
[0057] W下將結合附圖對本實用新型作進一步說明：
[0058] 圖1為電控液壓助力轉向系統結構圖；
[0059] 圖中，1、轉向盤;2、扭矩傳感器;3、轉向軸;4、齒輪齒條轉向器;5、車輪;6、液壓缸 回油管路;7、液壓缸;8、液壓缸活塞;9、液壓缸進油管路；10、轉閥回油管路；11、液壓油箱； 12、雙作用葉片累；13、油累驅動電機;14、轉閥進油管路;15、累油電機轉速控制信號；16、電 子控制單元ECU; 17、電機轉速信號；18、車速信號；19、縱向加速度信號；20、轉向盤轉角信 號；21、橫擺角速度信號；22、液壓缸壓差信號；23、轉矩傳感器信號；24、轉閥；25、轉向橫拉 桿。
【具體實施方式】
[0060] 本實用新型提供一種電控液壓助力轉向系統，為使本實用新型的目的，技術方案 及效果更加清楚，明確，W及參照附圖并舉實例對本實用新型進一步詳細說明。應當理解， 此處所描述的具體實施僅用W解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0061 ]實施例1電控液壓助力轉向系統
[0062] 如圖1所示，一種電控液壓助力轉向系統，包括轉向機械部分、液壓助力部分、信號 傳感器部分和電子控制單元ECU 16;
[0063] 其中，轉向機械單元包括依次連接的轉向盤1、轉向軸3、轉閥24、齒輪齒條轉向器4 W及兩端連有車輪5的轉向橫拉桿25,橫拉桿上還設有液壓缸7,液壓液壓缸活塞8位于液壓 缸中7中；
[0064] 液壓助力部分包括順序連接的液壓油箱11，雙作用葉片累12,與雙作用葉片累直 接相連的油累驅動電機13,轉閥24與雙作用葉片累12通過轉閥進油管路14連接，轉閥24與 液壓油箱11之間設有液壓回油管路10,并且轉閥24與液壓缸7之間設有液壓缸進油管路9和 液壓缸回油管路6;
[0065] 傳感器部分包括轉向軸上的扭矩傳感器2，車速傳感器，電機轉速傳感器，與液壓 缸相連的壓力傳感器，方向盤轉角傳感器，縱向加速度傳感器，橫擺角速度傳感器，由他們 傳遞對應的信號給ECU16。
[0066] 當駕駛員有轉向操作時，扭矩傳感器2傳遞轉矩傳感器信號23到ECU16,同時， ECU16接收來自對應信號傳感器的車速信號18、轉向盤轉角信號20、橫擺角速度信號21，分 析運些信號，查找ECU16預制的Map圖，由ECU16向油累驅動電機13傳遞累油電機轉速控制信 號15,控制電機轉速，油累驅動電機13直接驅動雙作用葉片累12從油箱11中累油到轉閥24 中，油液在轉閥24處分流，一部分液壓油通過液壓缸進油管路9流入液壓缸7-側，在液壓缸 7兩側產生壓差，推動液壓缸活塞8移動，液壓缸7另一側的液壓油再由回油管路6流回轉閥 26,最終流回液壓油箱11，由液壓缸7兩側的壓差為電控液壓助力轉向提供助力，同時，一方 面ECU 16接收來自油累驅動電機13的電機轉速信號17，對電機轉速進行PID控制，對傳遞給 電機的轉速控制信號15進行修正，另一方ECU16接收來自與液壓缸相連的壓力傳感器傳遞 的液壓缸壓差信號22,與理想的助力壓力進行比較，通過魯棒控制方法，調節電機電壓輸 出，使得壓力維持在理想值附近（± 1 % )，幫助駕駛員完成轉向。
[0067]實施例2多學科協同優化方法
[006引本實施例中，所使用的建模軟件為MATLAB-Simuli址，優化軟件為isight;
[0069] 本實施例采用實施例1所述系統進行多學科優化計算，具體步驟如下：
[0070] 步驟1:依據《轉閥式液壓助力轉向系統建模與仿真分析》（石培吉，北京理工大 學）、《無刷直流電機控制系統》(夏長亮，科學出版社）、《電控液壓助力轉向系統的設計研 究》(張君君，江蘇大學）、《電動液壓助力轉向系統控制策略及其能耗分析方法》(蘇建寬等， 機械設計與制造)文獻公開的方法，建立電動液壓助力轉向系統模型、整車動力學模型，W 及能耗模型，其中電動液壓助力轉向系統模型包括電機模型、轉向盤模型、齒輪齒條模型、 轉向累模型、轉閥模型、輸入和輸出軸模型、液壓位置伺服控制模型、輪胎模型，通過建立轉 向系統模型、能耗模型，為后續步驟的轉向系統仿真及優化奠定基礎；
[0071 ]步驟2:建立優化指標模型，包括轉向系統能耗模型、靈敏度模型、路感模型，將運 =個數學模型作為轉向系統設計的評價指標；
[0072] 其中，轉向系統能耗量化公式為：
[0073] E = Pm-1oss+P v-loss+P pump-loss
[0074] 其中Pm-Idss為電機能量損耗，Pv-Idss為轉閥能量損耗，Ppump-lDss為液壓累能量損耗，E 為總能量損耗
[007引 Pm-Ioss = Udi-時 iw [0076；
[0077：
[0078；
[0079；
[0080；
[0081；
[0082] 其中，AP為液壓缸活塞面積，A為閥間隙的油流量面積，N為轉閥閥口數，L為轉閥口 狹口長度，W為轉閥閥口間隙寬度，Cq為閥間隙的流量系數，Qs為轉閥進油量，Xr為齒輪齒條 位移；
[0083] Ppump-Ioss = Psqn-PsQs
[0084]
[0085]
[0086]
[0087]
[0088] 式中，S(S)為經拉普拉斯變換后的前輪轉角，0s(s)為經拉普拉斯變換后的方向盤 轉角，e(s)為經拉普拉斯變換后的橫擺加速度，(1) (S)為經拉普拉斯變換后的質屯、側偏角， Wr(S)為經拉普拉斯變換后的橫擺角速度，n為雙作用葉片累的轉速，n為轉向輸出軸到前輪 的傳動比，a為汽車質屯、到前軸距離，U為汽車車速，d為為車輛1/2輪距，El為側傾轉向系數， kl、k2為前輪側偏剛度，mr為齒條質量，巧為小齒輪半徑，nl為轉向系統轉向盤轉角到前輪 轉角的傳動比Jm為電機與油累的轉動慣量，化為齒條阻尼系數，Bm為電機與油累的粘性阻 尼系數，nv為油累的容積效率，Cq為閥間隙的流量系數，K為電機助力系數，Ka為轉向助力電 機轉矩系數，Ks為轉矩傳感器剛度，kTT為轉向軸與扭桿的綜合剛度；
[0089] 路感量化公式為：
[0090]
[0091] 式中，Th為轉向盤輸入轉矩，Tr為轉向螺桿的助力轉矩，q為粟的排量，B為定子厚 度，R2為定子長軸半徑，Ri為定子短軸半徑，Z為葉片累葉片數，t為葉片厚度；
[0092] 3) W轉向路感，靈敏度，能耗建立轉向系統優化目標函數，同時W轉向靈敏度的能 量值范圍作為約束條件，建立電控液壓助力轉向系統多目標優化模型，電控液壓助力轉向 系統優化的目標函數f(x)為：
[0093]
[0094] 式中：路感函數f (Xi)為路面信息有效頻率范圍(0，《〇)的頻域能量平均值，優化方 案中CO 0 = 40Hz ;靈敏度函數f (X2)為路面信息有效頻率范圍（0，《 0)的頻域能量平均值;f (X3)為轉向系統能耗；
[0095] 在優化過程中，函數滿足2.8 X 1(T6 y (X2) < 8.6 X 1(T6的約束條件；
[0096] 4)將定子厚度B，電機與油累的轉動慣量Jm,轉矩傳感器剛度Ks,小齒輪半徑液 壓缸活塞面積Ap,轉閥閥口間隙寬度W，作為電控液壓助力轉向系統的設計變量；
[0097] 5)采用協同優化方法對電控液壓助力轉向系統進行結構分解，對系統進行劃分， 劃分為轉向能耗系統，靈敏度系統，路感系統。總系統采用多島遺傳算法，子系統采用化PQL 算法，對電控那個液壓助力轉向系統4)中設計變量進行優化，得到最優解。優化目標函數值 低于優化前，則認為優化有效。
[0098] 所述協同優化方法，其特征在于，其結構或實施流程為：
[0099] 51)建立多目標協同優化模型，W轉向路感，靈敏度，能耗的綜合數學模型f (X)作 為系統級優化目標，再分別W轉向路感、靈敏度、能耗為子系統，構建多學科協同優化模型。
[0100] 系統級優化模型：
[0101]
[0102] 式中，Z為系統級優化器中的設計變量向量;F(Z)為系統級優化器的目標函數;Ri 為系統級優化器和子系統級優化器的等式一致性約束條件，同時，也是各個子系統的目標 函數，松弛因子e在此取0.001。
[0103] W轉向靈敏度作為第一子系統，則子系統一優化模型為：
[0104]
[0105] 型為：
[0106]
[0107] 型為：
[010 引
[0109] 通巧上答《統的候型分化，電巧汲壓助力轉問系統的多學科協同優化模型可表 述為:根據W上模型，在isight軟件中建立對應的電控液壓助力轉向系統多學科協同優化 模型，在總系統中按照選取多島遺傳算法作為優化算法，在子系統中都選取NLP化算法作為 優化算法，按照默認步長進行優化，得到最終的優化結果。
[0110] 優化工況為汽車WSOkmA行駛，方向盤轉動角度為25°
[0111] 表1協同優化前后各設計變量及性能指標對比表
[0112]
[0113] 經比較，轉向路感有所提高，轉向靈敏度在合理范圍之內，轉向能量消耗降低，優 化效果顯著。
[0114] W上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型掲露的技術范圍內，可輕易想到 的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應該 W權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1. 一種電控液壓助力轉向系統，其特征在于，包括轉向機械部分、液壓助力部分、信號 傳感器部分和電子控制單兀E⑶； 所述轉向機械部分包括依次連接的轉向盤、轉向軸、轉閥、齒輪齒條轉向器以及兩端連 有車輪的轉向橫拉桿，轉向橫拉桿上設有液壓缸，轉向軸上設有扭矩傳感器； 所述液壓助力部分包括順序連接的油壺，吸、回油管路，雙作用葉片栗，連接轉閥與液 壓缸的液壓缸進油管路和液壓缸回油管路，與雙作用葉片栗直接相連的葉片栗驅動電機， 轉閥不僅與轉向軸、齒輪齒條轉向器機械連接，還與葉片栗、液壓缸通過液壓管路相連； 所述傳感器部分包括轉向軸上的扭矩傳感器，車速傳感器，電機轉速傳感器，與液壓缸 相連的壓力傳感器，方向盤轉角傳感器，縱向加速度傳感器，橫擺角速度傳感器； 所述電子控制單元ECU與各傳感器部件連接。2. 根據權利要求1所述的一種電控液壓助力轉向系統，其特征在于，所述葉片栗驅動電 機為無刷直流電機。3. 根據權利要求1所述的一種電控液壓助力轉向系統，其特征在于，所述電子控制單元 ECU用于接收各傳感器部件發出的電信號，并向葉片栗驅動電機發出控制信號。
【文檔編號】B62D5/06GK205524447SQ201620260576
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月31日
【發明人】崔滔文, 趙萬忠, 王春燕
【申請人】南京航空航天大學