[发明专利]一种多模式线控助力转向系统的变传动比优化设计方法及其专用系统

权利要求书

1.一种多模式线控助力转向系统的变传动比优化设计方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1)，建立线控助力转向系统动力学模型

1.1)整车三自由度模型

取如下坐标系oxyz：以汽车静止时通过质心的铅垂线和侧倾轴的交点为原点o，汽车纵向水平轴为x轴，以前进方向为正；在x轴所在的水平面上，过原点与x轴垂直的方向为y轴，以汽车左侧方向为正；过原点与x、y轴垂直的方向为z轴，以向上为正；水平面上的角度及对应的角速度和角加速度都取左转为正，侧倾角与角速度以右倾为正；得到整车三自由度运动微分方程：

其中，

式中：g为重力加速度，u为车速，ω_r为横摆角速度，φ为车身侧倾角，β为质心侧偏角，δ为前轮转向角，α₁为前轮侧偏角，α₂为后轮侧偏角，a为汽车质心至前轴的距离，b为汽车质心至后轴的距离，h为侧倾力臂，m为整车质量，m_s为簧载质量，I_x为悬挂质量对x轴的转动惯量，I_z为汽车质量对z轴的转动惯量，I_xz为悬挂质量对x、z轴的惯性积，k₁为前轮侧偏刚度，k₂为后轮侧偏刚度，E₁为前侧倾转向系数；E₂为后侧倾转向系数；C_φ1为前悬架侧倾角刚度，C_φ2为后悬架侧倾角刚度，D₁为前悬架侧倾角阻尼，D₂为后悬架侧倾角阻尼；

1.2)转向系统机械结构动力学模型

转向系统机械结构动力学模型表示为：

其中，θ_s1＝G₁θ_s2，T_m1＝K_a1I₁，θ_m1＝G_amθ_r2，T_a1＝T_r2/G_am＝αT_s1/G_am，式中，J_s为转向柱转动惯量，θ_sw为转向盘转角，B_s为转向阻尼系数，T_h为转向盘输入力矩，K_s为转向柱刚度，θ_s1为双行星齿轮上层太阳轮转角，T_s1为行星排输入力矩，θ_s2为双行星排齿轮下层太阳轮转角，θ_r2双行星齿轮下层太阳轮齿圈转角，α为行星齿轮齿圈与太阳轮齿数比，m_r为齿轮齿条等效质量，x_r为齿条位移，B_r为齿轮齿条阻尼，T_s2为行星排输出力矩，r_p为齿轮半径，F_a为液压助力，T_r为转向阻力矩，G₁为行星排等效传动比，T_m1为转角电机转矩，K_a1为转角电机转矩系数，I₁为转角电机电流，T_a1为转角电机转向阻力矩，J_m1为转角电机转动惯量，B_m1为转角电机阻尼，G_am为蜗轮蜗杆传动比，T_r2为行星排齿圈转动阻力矩，d₁为轮胎拖距，d₂为主销后倾矩，G₂为齿轮到前轮转角的传动比；

1.3)转向系统液压结构动力学模型

转向系统液压机构动力学模型为：

其中，

T_m2＝K_a2I₂， (7)

Q＝nqn_v； (8)

式中(4)-(8)中，T_m2为助力电机助力力矩，ω为助力电机转动角速度，T_a2为助力电机阻力力矩，J_m2为助力电机转动惯量，B_m2为助力电机转动阻尼，K_a2为转角电机转矩系数，I₂为转角电机电流，q为液压泵排量，B为定子厚度，R₂为定子长轴半径，R₁为定子短轴半径，Z为叶片泵叶片数，t为叶片厚度，k_p为液压泵转矩系数，P_s为液压泵工作压力,Δp为液压缸两侧压差，Q为液压泵流量，C_d为流量系数，N为转阀阀口数，A_f为转阀开口面积，n为电机转速，W₁为短切口长度，L₁短切口长度，W₂为预开间隙长度，L₂为预开间隙宽度，R阀芯半径，Δθ为转阀转角，k_c为扭杆刚度，n_v为液压泵容积效率；

步骤2)，建立线控转向系统路感、灵敏度评价指标

2.1)转向路感评价指标

转向路感定义为从作用于转向柱输出轴的阻力转矩到转向盘输入转矩的传递函数，其数学表达式为：

其中，

采用转向路感的频域能量评价路感强弱，其表达式为：

式中，ω为路面信息的频率，ω₀为有效路面信息的最大频率，设为40Hz，j为虚数；

2.2)转向灵敏度评价指标

转向灵敏度与转向系统的操纵性定义为稳态的横摆角速度到前轮转向角的传递函数，前轮转角到方向盘的传递函数为：

其中，

汽车前轮转角分别对横摆角速度、质心侧偏角以及车身侧倾角的传递函数为：

式中，

转向灵敏度的数学表达式为：

式中，N_i和Q_i为简化公式书写自定义的系数代号；

采用转型灵敏度的频域能量评价转向灵敏度，其表达式为：

步骤3)，在25-125km/h范围内，以5-15km/h为间隔递增，设置若干组车数；

步骤4)，以转向传动比作为优化变量，以转向路感以及转向灵敏度作为优化目标，建立多目标优化模型，具体如下:

4.1)固定横摆角速度增益下的传动比

假定任何车速和方向盘转角下，期望横摆角速度增益ω_r/δ_f为固定值，得到传动比为：

其中，C_wr为常数取值为4.5；

4.2)固定侧向加速度增益下的传动比

其中，C_ay为常数3；

得到转向系统变传动比的优化模型：

在对应的车速下，选择对应的优化模型，采用多目标优化算法NSGA-II进行优化；

步骤5)，根据步骤4)求得的传动比优化结果，用光滑曲线进行拟合，即得到汽车的变传动比-车速曲线，实现变传动比的优化。