CN106598036A - 一种适用于汽车线控转向的硬件在环试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明公布一种适用于汽车线控转向的硬件在环试验台，在主销位置上通过阻力电机精确模拟转向阻力，高度还原实际转向系统转向姿态与动力学特征,并能根据在线仿真软件实时调整目标模拟阻力的汽车线控转向硬件在环路面阻力模拟实验台。包括支撑装置、转向执行系统、阻力模拟系统、转向节，硬件实时仿真平台和信号传递线缆。该实验台根据硬件实时仿真平台中运行的整车动力学模型，实时计算获得车轮受到路面转矩作为目标加载力矩，可以动态模拟不同车速、不同转向意图下的转向阻力。并且通过选用不同转向器和调整可供调节的支撑装置，可模拟不同车型的转向系统，具有一定的通用性。
Description
技术领域
本发明涉及汽车转向技术领域，具体设计一种适用于汽车线控转向的硬件在环试验台。
背景技术
汽车线控转向系统性能直接影响汽车行驶过程中的操纵稳定性、安全性和舒适性。汽车转向系统经历了传统的机械转向、液压助力转向系统和电动助力转向系统等阶段，对驾驶员的操纵、乘坐体验有了较大提升。上述转向系统的共同点是操纵机构和转向执行机构之间存在机械连接，传动比固定，车辆的转向特性随车速发生变化。当前汽车电子控制技术迅猛发展促进了汽车转向系统技术上的改革与创新。线控转向技术已开始被一些车企认可与应用，自上世纪开始各大汽车公司和高校已开始针对线控转向进行研究。线控转向系统取消了操纵机构和转向执行机构之间的机械连接，通过电子控制单元将驾驶员转向意图传递给转向执行机构并实时反馈信息。线控转向技术的电子控制单元可以设置任意传动比，从而摆脱了传统转向传动比固定的限制，使得车辆转向特性不随车速发生变化，提升车辆驾驶主动安全性和稳定性。
汽车转向系统从研发到量产应用需要经历物理样机设计、台架试验、实车测验和调校完善等一系列阶段。线控转向系统取消了操纵机构和转向执行机构之间的机械连接，控制系统中控制逻辑较为复杂，可靠性和安全性有待进一步验证，因此为避免不必要的安全意外，在进行实车试验之前需要对系统的软、硬件进行充分调试，直到系统具有最佳性能。因此，线控转向硬件在环实验台的搭建对线控转向系统的开发极为重要。
因为线控转向硬件在环实验台需要反映汽车在转向过程中会受到环境施加到车轮上的外力，所以对路面转向阻力的模拟是试验台架的重要组成部分，用以模拟车辆转向过程中车轮受到的路面外力在主销位置上形成的力矩。
目前阻力模拟形式多样，典型的方式有弹簧加载式、千斤顶加载式、电液伺服式、磁粉制动式及电机加载式；如申请号200820081713.5采用一端固定弹簧模拟阻力，模拟阻力大小与弹簧的压缩量或伸长量呈线性关系，一旦弹簧选型完成，弹簧刚度保持不变，阻力模拟只与弹簧形变量有关，但阻力模拟大小不受控制，精确度不能满足实验要求，不能反映实际车辆转向过程中的受外力情况。申请号201010191612.5采用电液系统进行阻力模拟，采用伺服阀对于液压缸进行阻力模拟控制，由于液压系统设备要求较高，成本高昂，且占用空间较大，结构复杂，同时液压系统存在漏油隐患，目前尚无法有效解决，另外液压系统输出存在一定滞后性，不能满足仿真的实时性要求。申请号201310274371.4采用电机进行阻力模拟，电机安装在转向执行机构上，电机输出轴与转向执行机构齿条啮合以模拟转向阻力，未考虑到现实情况外界环境是通过轮胎反映转向阻力，不能完全反映现实情况。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种适用于汽车线控转向的硬件在环试验台，在设计的转矩模式下，通过阻力模拟电机控制器进行力矩控制以实现快速动态加载。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种适用于汽车线控转向的硬件在环试验台，包括支撑装置、转向执行系统、阻力模拟系统、两个转向节，实时仿真平台和信号传递线缆，其特征在于：支撑装置作为基架安装有转向执行系统、转向节及其安装组件与实时仿真平台，结构简单便于实验室布置；在转向执行系统通过与转向器齿条球销连接的转向横拉杆利用螺栓连接在转向节臂上，阻力加载电机与减速装置通过外壳螺栓连接固定，并通过螺栓安装在阻力模拟系统支撑板上，阻力电机输出轴经过减速器减速增扭，通过键连接作用在转向节主销位置上，转向节在转向执行系统与阻力模拟系统的共同作用下运动，表征车辆转向轮转向时的运动姿态，高度模拟的实车转向系统；支撑装置由铝型材经过铸铝角件固定架构而成，在铝型材导轨方向上可通过松紧铸铝角件调节各铝型材杆件的相对位置，通过调节铝型材杆件与更换转向器，形成不同的轮距与转向梯形，可以满足模拟不同车型转向系统；
支撑装置包括：底部支撑架、左右转向节悬挂杆、转向执行系统支撑板、左右转向节支撑板；所述的底部支撑架包括底座、转向执行系统支撑板安装杆、座椅滑轨导向杆和转向节臂悬挂杆稳定杆；所述底座包括左右纵梁、前中后三根横梁及两根横向调节的纵向导向杆；所述转向执行系统支撑板安装杆垂直于水平面安装在纵向导向杆上可以纵向调节；所述转向执行系统支撑板平行于水平面安装在转向执行系统支撑板安装杆上；所述转向节臂悬挂杆垂直于水平面安装在安装底座的前横梁上，平行于前横梁且垂直于节臂悬挂杆安装转向节臂悬挂杆稳定杆对整个支撑装置进行加固；
所述支撑装置由铝型材经过铸铝角件固定架构而成，在铝型材导轨方向上可通过松紧铸铝角件调节各铝型材杆件的相对位置，通过调节铝型材杆件与更换转向器，形成不同的轮距与转向梯形，可以满足模拟不同车型转向系统；
所述转向执行系统包括转向执行电机、齿轮齿条转向器、齿条、左右转向横拉杆、转向执行电机控制器；齿轮齿条转向器整体呈L形，水平设置在转向系统支撑板上；转向执行电机固定在转向器壳体上，转向执行电机输出轴伸入电机安装孔内；转向执行电机经过蜗轮蜗杆、齿轮齿条两级减速机构将电机旋转运动转变为齿条线性运动；齿条两端通过球销与转向横拉杆连接；每个转向横拉杆另一端与转向节的转向节臂铰接；转向执行电机的输入端通过线缆与转向执行电机控制器的输出端连接，转向执行电机控制器的输入端与实时仿真平台的一个输出端相连；
所述阻力模拟系统包括左右阻力模拟电机、左右减速装置、阻力模拟电机控制器、左右转向节及其支撑装置；减速器外壳与阻力模拟电机支撑板上板通过螺栓固定；减速器外壳与阻力模拟电机外壳通过螺栓固定；阻力模拟电机的输入端通过线缆与阻力模拟电机控制器的输出端连接，阻力模拟电机控制器的输入端与实时仿真平台的一个输出端相连；
所述转向节安装装置包括主销、转向节支撑板、下轴承、上轴承、阻力模拟系统支撑板组成，转向节支撑板通过螺钉、螺母固定在转向节臂悬挂杆外侧，主销通过上下轴承被固定在转向节支撑板和阻力模拟系统支撑板之间并可以绕垂向自由转动；转向节夹持在主销上，可随主销绕垂向自由转动以模拟汽车转向轮运动学特性；减速器输出轴与主销键连接，减速器输入轴与阻力模拟电机输出轴夹持固定。
对上述技术方案的改进：实时仿真平台作为阻力加载实验台的测控系统核心，利用其信息采集模块经由阻力模拟电机控制器，解算并采集光电编码器输出得到的转向节转角信息；阻力模拟电机控制器设定为转矩控制模式，通过对收取实时仿真平台输出的DA信号处理运算驱动阻力模拟电机加载阻力大小和方向；转向执行电机控制器设定为转角闭环控制模式，转向执行电机控制器根据实时从CAN总线上获取的期望前轮转角与实际前轮转角信息，驱动转向执行电机对转向节进行角度闭环控制；工业计算机通过TCP/IP协议与实时仿真平台软件连接，负责测控程序的下载和实时数据监控。
对上述技术方案的进一步改进：阻力模拟系统采用低惯量交流伺服电机，在设计的转矩模式下通过阻力模拟电机控制器进行力矩控制以实现快速动态加载；阻力加载过程中，可以根据实时仿真平台中运行的整车动力学模型计算获得车轮受到路面转矩作为目标加载力矩，可以动态模拟不同车速、不同转向意图下的转向工况，通过实时仿真平台软件中的DA通道经过阻力模拟控制器进行高精度动态阻力加载。
对上述技术方案的更进一步改进：利用工业计算机上安装的软件操纵界面可实时调整阻力控制系统加载参数，并可实时监测实验结果且具备数据储存功能。
对上述技术方案的更进一步改进：不同的控制系统由不同的电源驱动，其中，上位机、实时仿真系统、阻力电机有220V交流电源供电；阻力模拟电机控制器、转向驱动系统控制器、编码器有5V直流电源供电；转向驱动电机由12V直流电源供电。
有益效果：
1、本发明根据实时仿真平台中运行的整车动力学模型计算获得车轮受到路面转矩作为目标加载力矩，可以动态模拟不同车速下的转向工况。
2、本发明转向阻力作用形式为作用在主销上的阻力矩，生动形象反映转向姿态，真实反映了车辆转向系统运动学特性。
3、本发明可以通过改变阻力模拟电机控制器中阻力模拟系统控制算法，以比较不同控制算法下的控制效果，针对不同情况确定理想控制算法。
4、本发明实时仿真平台可以与上位机实时通讯，便于监视获取转向过程中的转角、阻力矩信息，为后期数据分析提供依据。
5、本发明支撑装置结构简单，可供调整，方便实验室安装布置且具有一定通用性适用于模拟不同车型的转向系统。
附图说明
图1 本发明所述的一种适用于汽车线控转向的硬件在环试验台所述的原理图。
图2 本发明所述的一种适用于汽车线控转向的硬件在环试验台所述的三维总成图。
图3 本发明所述的一种适用于汽车线控转向的硬件在环试验台所述的支撑装置结构示意图。
图4 本发明所述的一种适用于汽车线控转向的硬件在环试验台所述的齿轮齿条转向器传动原理图。
图5 本发明所述的一种适用于汽车线控转向的硬件在环试验台所述的转向节安装装置结构示意图。
图6 本发明所述的一种适用于汽车线控转向的硬件在环路面阻力模拟试验台所述的控制系统部分的结构框图。
图中：支撑装置1、转向执行系统2、阻力模拟系统3、转向节4、实时仿真平台5、信号传递线缆6；
支撑装置1包括：底部支撑架1-1、左右转向节悬挂杆1-2和1-12、转向执行系统支撑板1-3、转向节臂悬挂杆稳定杆1-4、左右转向节支撑板1-5和1-6,左右阻力模拟系统支撑板1-7和1-8；
底座包括前中后三根横梁1-9、1-10、1-11，座椅滑轨导向杆1-13和1-14、转向执行系统支撑板安装杆1-15和1-16、纵向导向杆1-17和1-18、左右纵梁1-19和1-20；
右转向节安装装置包括：右转向节支撑板1-6、右阻力模拟系统支撑板1-8、下轴承1-21、主销1-22、上轴承1-23；
转向执行系统包括：转向执行电机2-1、齿轮齿条转向器2-2、齿条2-3、左右转向横拉杆2-4和2-5、转向执行电机控制器2-6转向蜗杆2-7与转向蜗轮2-8配合连接、蜗轮2-8、小齿轮2-9；
每个转向横拉杆另一端与转向节的转向节臂4-3和4-4铰接；转向执行电机的输入端通过线缆与转向执行电机控制器2-6；
阻力模拟系统包括：左右阻力模拟电机3-1和3-2、左右减速装置3-3和3-4、左右角位移传感器3-5和3-6、阻力模拟电机控制器3-7和3-8；
转向节包括：左右转向节4-1和4-2、转向节臂4-3和4-4。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步说明
如图2所示，一种适用于汽车线控转向的硬件在环试验台，包括支撑装置1、转向执行系统2、阻力模拟系统3、两个转向节4，实时仿真平台5和信号传递线缆6，根据图2和图3所示，支撑装置1包括：底部支撑架1-1、左右转向节悬挂杆1-2和1-12、转向执行系统支撑板1-3、左右转向节支撑板1-5和1-6；所述的底部支撑架包括底座、转向执行系统支撑板安装杆1-15和1-16、座椅滑轨导向杆1-13和1-14和转向节臂悬挂杆稳定杆1-4；所述底座包括左右纵梁1-19和1-20、前中后三根横梁1-9、1-10、1-11及两根横向调节的纵向导向杆1-17和1-18；所述转向执行系统支撑板安装杆1-15和1-16垂直于水平面安装在纵向导向杆1-17和1-18上可以纵向调节；所述转向执行系统支撑板1-3平行于水平面安装在转向执行系统支撑板安装杆1-15和1-16上；所述转向节臂悬挂杆1-2和1-12垂直于水平面安装在安装底座的前横梁1-9上，平行于前横梁1-9且垂直于节臂悬挂杆1-2和1-12安装转向节臂悬挂杆稳定杆1-4对整个支撑装置进行加固；所述支撑装置都由铝型材通过铸铝角铁连接而成，在所安装轨槽方向上存在线位移自由度，便于调节转向执行系统与阻力加载系统安装位置。
如图2和图4所示所述转向执行系统包括转向执行电机2-1、齿轮齿条转向器2-2、齿条2-3、左右转向横拉杆2-4和2-5、转向执行电机控制器2-6；齿轮齿条转向器2-2整体呈L形，水平设置在转向系统支撑板1-3上；转向执行电机2-1固定在转向器2-2壳体上，转向执行电机2-1输出轴伸入电机安装孔内；转向执行电机2-1输出轴上固连转向蜗杆2-7，转向蜗杆2-7与转向蜗轮2-8配合连接；蜗轮2-8转动轴上固连的小齿轮2-9与转向齿条2-3配合连接；齿条2-3两端通过球销与转向横拉杆连接2-4和2-5；每个转向横拉杆另一端与转向节的转向节臂4-3和4-4铰接；转向执行电机的输入端通过线缆与转向执行电机控制器2-6的输出端连接，转向执行电机控制器2-6的输入端与实时仿真平台5的一个输出端相连。
如图2和图3所示，所述阻力模拟系统包括左右阻力模拟电机3-1和3-2、左右减速装置3-3和3-4、阻力模拟电机控制器3-7和3-8、左右转向节4-1和4-2及其支撑装置1-5、1-7和1-6、1-8；所述转向节安装装置以右侧为例包括主销1-22、转向节支撑板1-6、下轴承1-21、上轴承1-23、阻力模拟系统支撑板1-8组成，转向节支撑板1-6通过螺钉、螺母固定在转向节臂悬挂杆1-12外侧，主销1-22通过上下轴承1-21和1-23被固定在转向节支撑板1-6和阻力模拟系统支撑板1-8之间并可以绕垂向自由转动；右转向节4-2夹持在右主销1-22上，可随主销1-22绕垂向自由转动；减速器3-4输出轴与主销1-22键连接，减速器3-4输出轴与阻力模拟电机3-2输出轴夹持固定；减速器3-4外壳与阻力模拟系统支撑板1-8上板通过螺栓固定；减速器3-4外壳与阻力模拟电机3-2外壳通过螺栓固定；阻力模拟电机3-2的输入端通过线缆6与阻力模拟电机控制器3-8的输出端连接，阻力模拟电机控制器3-8的输入端与实时仿真平台5的一个输出端相连。
如图6所示：不同的控制系统由不同的电源供电，其中，上位机、实时仿真系统、阻力电机有220V交流电源供电；阻力模拟电机控制器、转向驱动系统控制器、编码器有5V直流电源供电；转向驱动电机由12V直流电源供电。
硬件在环路面阻力模拟实验台的工作过程如下：
如图1和图2所示，上位机向实时仿真平台5传递目标转角信号δ_target，以模拟驾驶员转向意图。同时实时仿真平台5以20ms频率收取实际转角δ_real信号，其中实际转角δ_real由与阻力模拟电机3-1一体化的编码器3-5采集得到。实时仿真平台5将目标转角信号δ_target与实际转角信号δ_real发送到转向执行电机控制器2-6，转向执行电机控制器2-6根据事先刷写设置的控制方法对目标转角信号δ_target与实际转角信号δ_real进行处理运算，生成合适的PWM信号经过功率电路驱动转向执行电机2-1动作。转向执行电机2-1经过转向器2-2驱动转向节4-1绕主销轴线转动。与转向节4-1固连的主销1-22转动后，经过减速器3-3带动阻力模拟电机3-1运动，而与阻力模拟电机3-1一体化的的编码器3-5能够采集到角位置相对变化。编码器3-5将实时的实际转角δ_real经过阻力模拟电机控制器3-7发送到实时仿真平台5，嵌套于实时仿真平台5中的汽车系统动力学仿真软件根据实际转角信号δ_real计算得到道路阻力T_resistance,并反馈到阻力模拟电机控制器3-7中，阻力模拟电机控制器3-7驱动阻力模拟电机3-1产生指定大小与方向的力矩，经过减速器3-3后作用在主销1-22位置上以模拟转向阻力。当目标转角信号δ_target与实际转角信号δ_real相近后，转向执行电机2-1作用在转向节4-1绕主销轴线的力矩与阻力模拟电机3-1经过减速器3-3作用在主销1-22力矩形成的合力矩逐渐趋于0，完成转向动作。上位机可以通过总线与实时仿真平台5连接，实时获取阻力模拟实验台工作过程中的各类数据，便于后期分析线控转向控制策略。
Claims (4)
1.一种适用于汽车线控转向的硬件在环试验台，包括支撑装置、转向执行系统、阻力模拟系统、转向节、实时仿真平台、信号传递线缆，其特征在于：支撑装置作为基架，转向执行系统、转向节及其安装组件、实时仿真平台分别安装在支撑装置上，在转向执行系统通过与转向器齿条球销连接的转向横拉杆利用螺栓连接在转向节臂上，阻力加载电机与减速装置通过外壳螺栓连接固定，并通过螺栓安装在阻力模拟系统支撑板上，阻力电机输出轴经过减速器减速增扭，通过键连接作用在转向节主销位置上。
2.根据权利要求1所述的一种适用于汽车线控转向的硬件在环试验台，其特征在于：所述支撑装置由铝型材经过铸铝角件固定架构而成，在铝型材导轨方向上是通过铸铝角件调节各铝型材杆件的相对位置的。
3.根据权利要求1所述的一种适用于汽车线控转向的硬件在环试验台，其特征在于：所述实时仿真平台的信息采集模块经由阻力模拟电机控制器，解算并采集光电编码器输出得到的转向节转角信息；阻力模拟电机控制器设定为转矩控制模式，通过对收取实时仿真平台输出的DA信号处理运算驱动阻力模拟电机加载阻力大小和方向；转向执行电机控制器设定为转角闭环控制模式，转向执行电机控制器根据实时从CAN总线上获取的期望前轮转角与实际前轮转角信息，驱动转向执行电机对转向节进行角度闭环控制；工业计算机通过TCP/IP协议与实时仿真平台软件连接，测控程序的下载和实时数据监控。
4.根据权利要求1所述的一种适用于汽车线控转向的硬件在环试验台，其特征在于：所述阻力模拟系统采用低惯量交流伺服电机，在设计的转矩模式下通过阻力模拟电机控制器进行力矩控制以实现快速动态加载；阻力加载过程中，根据实时仿真平台中运行的整车动力学模型计算获得车轮受到路面转矩作为目标加载力矩动态模拟不同车速下的转向工况，通过实时仿真平台软件中的DA通道经过阻力模拟控制器进行高精度动态阻力加载。
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