CN109558686B - 一种汽车电液复合转向虚拟样机的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车电液复合转向虚拟样机的构建方法，首先根据汽车电液复合转向系统的设计需求，设计虚拟样机总体方案；接着在机械系统动力学仿真软件Adams中导入三维建模软件SolidWorks输出的三维模型，并建立Adams和多学科建模软件AMEsim的联合仿真接口，选择AMEsim为主控软件，通过联合仿真平台进行数据传递和交换；最后分析系统的动力学特性和电气、液压子系统耦合特性和及整车转向系统特性，得到综合仿真分析结果。本发明方法采用跨平台仿真，提高了仿真的精确度和开发设计的效率，解决了现有技术适应度低、无法分析子系统耦合关系、精确度不够的问题。

Description

一种汽车电液复合转向虚拟样机的构建方法

技术领域

本发明属于汽车转向系统虚拟样机技术领域，具体涉及一种汽车电液复合转向系统虚拟样机的构建方法。

背景技术

汽车转向系统的性能关乎驾驶员的操纵舒适性和安全性，电液复合转向系统融合了电动助力转向低能耗、易控制和液压助力转向力矩大、路感好的优势，是未来汽车转向系统的发展趋势。虚拟样机技术在汽车转向系统的应用较为广泛，能够提升研发过程效率，缩短研发周期，降低开发成本。现有转向系统的虚拟样机技术，大多数基于三维模型进行零部件装配，利用动力学分析软件Adams进行动力学建模，并联合Matlab软件进行控制系统仿真。对于电液复合转向系统而言，机械、液压、电气模块之间的相互耦合极大地影响系统的性能，采用现有技术难以构建精确的虚拟样机进行耦合分析，不能够得到精确的子系统级仿真分析结果，极大地限制了系统级开发设计的效率。

综上所述，提出一种适用于汽车电液复合转向系统的虚拟样机构建技术，解决现有技术适应度低、无法分析子系统耦合关系、精确度不够的问题，对实际系统的开发效率的提高具有较大的意义。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种汽车电液复合转向虚拟样机的构建方法，以解决现有技术适应度低、无法分析子系统耦合关系、精确度不够的问题。本发明通过多学科建模软件AMEsim建立的转向系统模型和机械系统动力学仿真软件Adams建立的动力学模型，进行跨平台仿真，提高了仿真的精确度和开发设计的效率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种汽车电液复合转向虚拟样机的构建方法，包括步骤如下：

1)根据汽车电液复合转向系统的设计需求，设计虚拟样机总体方案；

2)在三维设计软件SolidWorks中进行电液复合转向系统三维建模，在机械系统动力学仿真软件Adams的Adams/View环境中导入SolidWorks输出的三维模型，建立电液复合转向系统动力学模型并设定参数及约束，并在Adams中建立整车模型；在多学科建模软件AMEsim中建立电液复合转向系统机电液多学科仿真模型，设定元件参数并选择仿真模式；

3)以电液复合转向系统的液压动力缸为联合仿真分析载体，分别设定Adams和AMEsim的输入输出参数；基于Adams的Adams/Controls环境和AMEsim的interface环境，建立Adams和AMEsim的联合仿真接口；

4)选择AMEsim为主控软件，通过联合仿真平台进行数据传递和交换，分析电液复合转向系统的动力学特性和电气、液压子系统耦合特性，得到联合仿真结果；

5)在步骤2)的动力学模型中，分析整车转向系统特性；在步骤2)的机电液多学科仿真模型中，分析电液复合转向系统多学科特性；结合步骤4)得到的联合仿真结果，得到电液复合转向系统虚拟样机的综合仿真分析结果。

进一步地，所述步骤2)的动力学模型包括机械系统、电气系统和液压系统，其中机械系统包括方向盘、转向管柱、齿轮齿条、转向梯形及车轮；电气系统包括助力电机及减速机构；液压系统包括电动泵、电磁阀及动力缸。

进一步地，所述步骤2)的机电液多学科仿真模型包括：驾驶员模型、机械转向模型、转向控制模型、液压转向模型、电动转向模型。

进一步地，所述步骤3)中的输入输出参数包括力、位移及速度。

进一步地，所述步骤4)中的动力学特性包括：液压缸活塞输出位移特性、液压缸活塞输出力特性、液压缸活塞输出速度特性、液压缸活塞输出加速度特性及负载作用到液压缸的力特性。

进一步地，所述步骤4)中的电气、液压子系统耦合特性包括：助力电机转矩特性、电动泵输出流量特性、液压助力特性及前轮综合转向转矩特性。

进一步地，所述步骤5)中的整车转向系统特性包括：双移线试验、单移线试验、双纽线试验、蛇形试验及转向回正试验。

进一步地，所述步骤5)中的电液复合转向系统多学科特性包括：前轮转角输出特性、方向盘力矩特性、方向盘回正特性及转向齿条力矩波动特性。

本发明的有益效果：

1、本发明方法构建的电液复合转向系统虚拟样机，能够单独分析动力学特性和转向性能，也能够联合多软件平台分析子系统的耦合关系，更真实地反应实际工作情况，提高仿真的精确度。

2、本发明将AMESim软件作为主控软件，考虑了电液复合转向系统中机械、电子、液压等多个学科之间的联系，同时引入Adams整车模型，也能够结合Matlab进行更深层次的控制系统建模，并全面地对转向性能进行分析及优化，在设计阶段获取合适的设计参数。

3、本发明将传统单一的软件平台分析进行整合，避免了重复进行试验设计和低效率的性能分析，提高了研发效率，缩短研发周期，降低研发成本，对汽车电液复合转向的研发起到了积极的作用。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明中动力学模型树形示意图；

图3为本发明中机电液多学科仿真模型树形示意图；

图4为本发明中联合仿真主控软件AMEsim模型图；

图5a为本发明虚拟样机的双移线试验特性示意图；

图5b为本发明虚拟样机的单移线试验特性示意图；

图6a为本发明虚拟样机的液压缸活塞输出的位移特性示意图；

图6b为本发明虚拟样机的液压缸活塞输出的速度特性示意图；

图7a为本发明虚拟样机的助力电机输出转矩特性示意图；

图7b为本发明虚拟样机的液压助力特性示意图；

图8a为本发明虚拟样机的方向盘回正特性示意图；

图8b为为本发明虚拟样机的转向齿条力矩波动特性示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的一种汽车电液复合转向虚拟样机的构建方法，包括步骤如下：

1)根据汽车电液复合转向系统的设计需求，设计虚拟样机总体方案；

2)在三维设计软件SolidWorks中进行电液复合转向系统三维建模，在机械系统动力学仿真软件Adams的Adams/View环境中导入SolidWorks输出的三维模型，建立电液复合转向系统动力学模型并设定参数及约束，并在Adams中建立整车模型；在多学科建模软件AMEsim中建立电液复合转向系统机电液多学科仿真模型，设定元件参数并选择仿真模式；

3)以电液复合转向系统的液压动力缸为联合仿真分析载体，分别设定Adams和AMEsim的输入输出参数；基于Adams的Adams/Controls环境和AMEsim的interface环境，建立Adams和AMEsim的联合仿真接口；

4)选择AMEsim为主控软件，通过联合仿真平台进行数据传递和交换，分析电液复合转向系统的动力学特性和电气、液压子系统耦合特性，得到联合仿真结果；

5)在步骤2)的动力学模型中，分析整车转向系统特性；在步骤2)的机电液多学科仿真模型中，分析电液复合转向系统多学科特性；结合步骤4)得到的联合仿真结果，得到电液复合转向系统虚拟样机的综合仿真分析结果。

其中，所述步骤2)的动力学模型包括机械系统、电气系统和液压系统，其中机械系统包括方向盘、转向管柱、齿轮齿条、转向梯形及车轮，机械系统主要参数如表1所示；电气系统包括助力电机及减速机构，电气系统主要参数如表2所示；液压系统包括电动泵、电磁阀及动力缸，液压系统主要参数如表3示。械系统依次通过方向盘、转向管柱、齿轮齿条、转向梯形传递作用力，控制车轮转向；转向管柱与减速机构连接，齿轮齿条与动力缸连接；电气系统通过助力电机输出电磁转矩，在减速机构的作用下向转向管柱输出作用力；液压系统在通过电动泵和动力缸在齿轮齿条上输出作用力，电磁阀用于控制进入动力缸的液压油液的流量大小和方向。其中，表1，表2，表3具体如下：

表1

表2

序号	参数	数值
			1	额定电压	14V
2	额定功率	1500w
			3	额定效率	0.92
4	功率因素	0.81
			5	转动惯量	0.00015kg·m^2
6	绕组电阻	0.25Ohm
			7	电枢电感	1.8mh
8	相数	3
			9	频率	50hz

表3

其中，所述步骤2)的机电液多学科仿真模型包括：驾驶员模型、机械转向模型、转向控制模型、液压转向模型、电动转向模型。驾驶员模型通过向方向盘输入函数信号，模拟车辆行驶过程中驾驶员输入的方向盘力矩，转向控制模型通过计算，分别发送信号控制液压转向模型和电动转向模型输出转向助力，方向盘力矩和转向助力通过机械转向模块进行叠加并最终作用于车轮

其中，所述步骤3)中的输入输出参数包括力、位移及速度。

其中，所述步骤4)中的动力学特性包括：液压缸活塞输出位移特性、液压缸活塞输出力特性、液压缸活塞输出速度特性、液压缸活塞输出加速度特性及负载作用到液压缸的力特性。

其中，所述步骤4)中的电气、液压子系统耦合特性包括：助力电机转矩特性、电动泵输出流量特性、液压助力特性及前轮综合转向转矩特性。

其中，所述步骤5)中的整车转向系统特性包括：双移线试验、单移线试验、双纽线试验、蛇形试验及转向回正试验。

其中，所述步骤5)中的电液复合转向系统多学科特性包括：前轮转角输出特性、方向盘力矩特性、方向盘回正特性及转向齿条力矩波动特性。

示例中，经过仿真计算，汽车电液复合转向虚拟样机仿真的工况曲线如图5a、图5b所示；图5a为双移线特性试验曲线，模拟在80km/h驾驶员遇到前车阻挡，在第3秒到第8秒执行超车动作时的方向盘角度输入，图5b为单移线特性试验曲线，模拟在较低车速10km/h的工况下，驾驶员执行一次变道操作时的方向盘角度输入。

图6a-图8b分别为在图5a所设定的工况下得到的仿真结果曲线：

图6a得到的液压缸活塞输出位移波动较小，在第3秒时活塞在0.25m的平衡位置两侧输出位移的幅值约为0.07m，在第8秒回到平衡位置并保持稳定。图6b则显示了液压缸活塞在运动过程中的速度变化，峰值速度的大小约为0.03m/s，在第3秒时速度有微小突变，在第8秒时速度经过微小振荡逐渐衰减为0；图6a，图6b可以说明液压系统的输出情况较为准确，反映了实际转向过程中的动力缸状态。

图7a和图7b分别显示了助力电机输出的转矩和液压系统输出的作用力的变化情况，其中助力电机输出转矩在3-8秒内有一定幅度的抖动，但变化趋势符合转向过程的转矩需求，峰值转矩约为0.07Nm；液压系统输出的作用力大小与助力电机输出转矩趋势相同，方向相反，峰值力约为400N。

从图8a中可以看到，转向管柱上的扭杆角度在±4度范围内变化，在第8秒后，经过约1秒的微小振荡后回到平衡位置，接近实际转向过程中的抖动情况，由于转向管柱与方向盘连接，因此可以通过转向管柱的情况反映方向盘回正的特性。图8b可以看到转向齿条的加速度波动情况，峰值加速度约为0.3m/s/s，通过加速度能够反映转向齿条的力矩波动情况在合理的范围之内。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种汽车电液复合转向虚拟样机的构建方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)根据汽车电液复合转向系统的设计需求，设计虚拟样机总体方案；

2)在三维设计软件SolidWorks中进行电液复合转向系统三维建模，在机械系统动力学仿真软件Adams的Adams/View环境中导入SolidWorks输出的三维模型，建立电液复合转向系统动力学模型并设定参数及约束，并在Adams中建立整车模型；在多学科建模软件AMEsim中建立电液复合转向系统机电液多学科仿真模型，设定元件参数并选择仿真模式；

3)以电液复合转向系统的液压动力缸为联合仿真分析载体，分别设定Adams和AMEsim的输入输出参数；基于Adams的Adams/Controls环境和AMEsim的interface环境，建立Adams和AMEsim的联合仿真接口；

4)选择AMEsim为主控软件，通过联合仿真平台进行数据传递和交换，分析电液复合转向系统的动力学特性和电气、液压子系统耦合特性，得到联合仿真结果；

5)在步骤2)的动力学模型中，分析整车转向系统特性；在步骤2)的机电液多学科仿真模型中，分析电液复合转向系统多学科特性；结合步骤4)得到的联合仿真结果，得到电液复合转向系统虚拟样机的综合仿真分析结果；

所述步骤2)的动力学模型包括机械系统、电气系统和液压系统，其中机械系统包括方向盘、转向管柱、齿轮齿条、转向梯形及车轮；电气系统包括助力电机及减速机构；液压系统包括电动泵、电磁阀及动力缸；

所述步骤2)的机电液多学科仿真模型包括：驾驶员模型、机械转向模型、转向控制模型、液压转向模型、电动转向模型；

所述步骤4)中的动力学特性包括：液压缸活塞输出位移特性、液压缸活塞输出力特性、液压缸活塞输出速度特性、液压缸活塞输出加速度特性及负载作用到液压缸的力特性；

所述步骤4)中的电气、液压子系统耦合特性包括：助力电机转矩特性、电动泵输出流量特性、液压助力特性及前轮综合转向转矩特性；

所述步骤5)中的整车转向系统特性包括：双移线试验、单移线试验、双纽线试验、蛇形试验及转向回正试验；

所述步骤5)中的电液复合转向系统多学科特性包括：前轮转角输出特性、方向盘力矩特性、方向盘回正特性、电池SOC特性及转向齿条力矩波动特性。

2.根据权利要求1所述的汽车电液复合转向虚拟样机的构建方法，其特征在于，所述步骤3)中的输入输出参数包括力、位移及速度。

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