混合动力车用电动助力转向系统设计(附件)
电动助力转向系统拥有很好的助力特性，可以减少车辆在操纵稳定性和舒适性之间的矛盾，而混合动力汽车由于它的节能和低排放成为了人们关注的焦点，将混合动力汽车和电动助力转向系统结合，二者相辅相成，完全顺应了时代的变化，成为了汽车领域的研究热点。本文的目的是对混合动力车用电动助力转向系统进行选型设计，并建模仿真对仿真结果进行分析。文章首先介绍了电动助力转向系统的发展状况和结构原理，然后根据研究车型的特点，设计了合乎该车型的电动助力转向（EPS）系统，并且对其中的一些关键部件进行设计选型，计算了相关的参数。再对电动助力转向系统的助力特性进行研究，设计了相符合的模糊控制器。最后使用MATLAB/Simulink软件建立符合的模型进行仿真，对其得出的结果进行详细分析。仿真结果显示安装了电动助力转向的车辆，所显示出的横摆角速度稳态响应时间，相对于没有安装电动助力转向的车辆少很多，极大程度上的改善了汽车在行驶过程中的稳定性，以及驾驶员驾驶车辆的舒适性。关键词 混合动力，电动助力转向，助力特性，模糊控制，仿真
目 录
1 引言 1
1.1 混合动力汽车概述 1
1.2 电动助力转向系统概述 1
1.3 混合动力车用EPS国内外研究现状 2
2 电动助力转向系统总体设计 3
2.1 研究车型 3
2.2 电动助力转向系统总体布置设计 4
2.3 确定电动助力转向系统的相关参数 6
3 确定电动助力转向系统助力特性和控制策略 8
3.1 电动助力转向系统的助力特性 8
3.2 电动助力转向系统控制策略 13
4 电动助力转向系统的简化模型 13
4.1 装有电动助力转向的汽车转向受力分析 13
4.2 整车二自由度模型 14
4.3 电动助力转向系统的动力学模型 16
5 电动助力转向系统的仿真分析 18
5.1 MATLAB/Simulink简介 18
5.2 电动助力转向系统Simulink仿真模型建立 19
5.3 仿真结果分析 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
22
5.4 结果优化 26
结论 28
致谢 29
参考文献 30 1 引言
距离19世纪末第一辆汽车诞生，至今已经100多年。这期间汽车工业历经了巨大的变化，汽车产品日渐电子化科技化。当中的某些汽车凭借自己独特的魅力，引领着汽车产业的潮流，甚至担当了历史的里程碑。1891年帕纳尔—勒瓦索公司生产了一辆1.3升的汽车，1901年热衷于赛车的埃米尔—耶利内克采用了设计师迈巴赫设计的一款汽车参加比赛。这款车便是奔驰，它采用低重力设计，钢架，轻型高性能发动机和蜂窝散热器，现在被公认为第一辆现代汽车。奔驰梅赛德斯打开了汽车时代的大门，这成为了20世纪汽车技术发展史上的第一座奠基石[1] 。
同时随着汽车技术的发展，汽车发动机技术、汽车底盘技术以及汽车电气技术也得到了完善。在不断钻研和探索的道路上，汽车工业迅猛向前，最终形成了现在成熟的汽车工业。而在未来，汽车将更加注重节能、环保和安全，同业汽车电子化和智能化也将普及开来。
1.1 混合动力汽车概述
随着汽车与人类生活的关系越来越密切，汽车已经从最初的交通工具变成了人类生活的必需品和人类文化的一部分。然而，在推动人类社会发展的同时，汽车也消耗了大量有限的资源，这对人类社会的可持续发展有着深远的影响。同时，汽车的生产、销售、使用和报废也带来了空气污染和城市环境污染[2]。所以，节能和环保顺理成章的成为了汽车发展的新趋势，混合动力汽车就在这个浪潮中诞生了。
混合动力汽车有两套驱动系统，即燃油驱动系统和电驱动系统。它最为主要的动力来源便是燃油，当车辆在低速状态下行驶时，或者是车辆刚刚起步时，亦是在加速行驶时，车辆采用电力助力。换句话说，当燃料不完全燃烧的时候，采取了电力方式，使得燃料的燃烧效率得到提高，具有低排放环保的特点[3]。
1.2. 电动助力转向系统概述
1.2.1 转向系统的使用
我们所说的汽车转向系统是指使车辆能够在行驶过程当中，通过相关操作来改变或恢复其行驶方向的机构。这意味着在车辆行驶时汽车的转向机构和汽车的安全性密不可分。转向系统主要是让汽车行驶方向按驾驶员的操纵来变化，并且在车轮转向的时候，也能克服来自路面的侧向干扰力，最终汽车恢复原来的行驶方向[4]。
依照转向能量来源的不同，通常将汽车转向系统分为机械和动力转向系统两大类。机械转向系统的转向能量来源主要是驾驶员的臂力。转向器、转向操纵机构和转向的传力机构这样的三个部分共同组成了我们现在所熟知的机械转向系统。动力转向系统的转向能量来源是驾驶员的体力，加上发动机的动力。在正常情况下，汽车转向时的能量，大部分是从发动机那边传递给转向助力装置的。但是当装置失效时，汽车转向就能量就只由驾驶员提供。所以，可以清晰的整理出动力转向系统的构成，即在建立于机械转向系统的基础之上，再多装上一个转向助力装置[5]。
1.2.2 电动助力转向系统的使用
如今，电动助力转向系统在汽车上越来越盛行。它从性能上不可以仅限于降低操作强度，而是要能够根据不同的速度和行驶工况调节转向力。理想的车辆助力转向系统，是在车辆停止或者低速行驶时可以供给充足的助力，使得车辆能轻松转向，同时助力也要满足随着车速的增大而逐渐减小的要求。而当汽车高速行驶时，为了使驾驶员取得足够的路感，并提高行驶时的稳定性，需要助力系统不提供助力或者提供很小的助力。为了达到这个目的，电子控制助力转向系统正在汽车上被越来越广泛地应用。
按照不同的动力来源，把电子控制动力转向系统划分为两个不同的类型，即液压式和电动式[6]。
相比于液压式，电动式助力转向系统拥有下面这些优势：
（1）不同工况下都能达到最佳转向的要求，减少路面粗糙度对转向系统的干扰，从而提高转向性能，减小了驱动力，提高转向运行的稳定性。
（2）只在转弯时提供相应的助力，减少燃料消耗，节约能源。
（3）由于是直流电动机直接供给能量，所以给出了多大的助力并不取决于发动机启动与否。
（4）减少了液压部件，质量变小，结构紧凑，噪声小。
（5）少了液压回路之后，装配时更能轻易的实现自动化，可以根据不一样的车型设计各种相符合的程序，缩短生产研发的周期。
（6）不存在渗油问题，并且有良好的低温工作能力。
1.3 混合动力车用EPS国内外研究现状
国外从20世纪80年代以来，就着重引导汽车企业在各种车辆上使用电动转向。1988年日本铃木公司研发了一种新型的电子控制式电动助力转向系统，1993年本田公司突破性的将电动助力转向系统大批量装车。现在电动助力转向如雨后春笋般地迅速发展，很多公司都研发出了自己的EPS，如美国的Delphi和TRW公司，日本的大发、三菱这些企业，德国的ZF。经过20多年的发展演变，EPS技术在研究上取得了许多重大突破，现在已经在汽车上广泛应用。
目 录
1 引言 1
1.1 混合动力汽车概述 1
1.2 电动助力转向系统概述 1
1.3 混合动力车用EPS国内外研究现状 2
2 电动助力转向系统总体设计 3
2.1 研究车型 3
2.2 电动助力转向系统总体布置设计 4
2.3 确定电动助力转向系统的相关参数 6
3 确定电动助力转向系统助力特性和控制策略 8
3.1 电动助力转向系统的助力特性 8
3.2 电动助力转向系统控制策略 13
4 电动助力转向系统的简化模型 13
4.1 装有电动助力转向的汽车转向受力分析 13
4.2 整车二自由度模型 14
4.3 电动助力转向系统的动力学模型 16
5 电动助力转向系统的仿真分析 18
5.1 MATLAB/Simulink简介 18
5.2 电动助力转向系统Simulink仿真模型建立 19
5.3 仿真结果分析 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
22
5.4 结果优化 26
结论 28
致谢 29
参考文献 30 1 引言
距离19世纪末第一辆汽车诞生，至今已经100多年。这期间汽车工业历经了巨大的变化，汽车产品日渐电子化科技化。当中的某些汽车凭借自己独特的魅力，引领着汽车产业的潮流，甚至担当了历史的里程碑。1891年帕纳尔—勒瓦索公司生产了一辆1.3升的汽车，1901年热衷于赛车的埃米尔—耶利内克采用了设计师迈巴赫设计的一款汽车参加比赛。这款车便是奔驰，它采用低重力设计，钢架，轻型高性能发动机和蜂窝散热器，现在被公认为第一辆现代汽车。奔驰梅赛德斯打开了汽车时代的大门，这成为了20世纪汽车技术发展史上的第一座奠基石[1] 。
同时随着汽车技术的发展，汽车发动机技术、汽车底盘技术以及汽车电气技术也得到了完善。在不断钻研和探索的道路上，汽车工业迅猛向前，最终形成了现在成熟的汽车工业。而在未来，汽车将更加注重节能、环保和安全，同业汽车电子化和智能化也将普及开来。
1.1 混合动力汽车概述
随着汽车与人类生活的关系越来越密切，汽车已经从最初的交通工具变成了人类生活的必需品和人类文化的一部分。然而，在推动人类社会发展的同时，汽车也消耗了大量有限的资源，这对人类社会的可持续发展有着深远的影响。同时，汽车的生产、销售、使用和报废也带来了空气污染和城市环境污染[2]。所以，节能和环保顺理成章的成为了汽车发展的新趋势，混合动力汽车就在这个浪潮中诞生了。
混合动力汽车有两套驱动系统，即燃油驱动系统和电驱动系统。它最为主要的动力来源便是燃油，当车辆在低速状态下行驶时，或者是车辆刚刚起步时，亦是在加速行驶时，车辆采用电力助力。换句话说，当燃料不完全燃烧的时候，采取了电力方式，使得燃料的燃烧效率得到提高，具有低排放环保的特点[3]。
1.2. 电动助力转向系统概述
1.2.1 转向系统的使用
我们所说的汽车转向系统是指使车辆能够在行驶过程当中，通过相关操作来改变或恢复其行驶方向的机构。这意味着在车辆行驶时汽车的转向机构和汽车的安全性密不可分。转向系统主要是让汽车行驶方向按驾驶员的操纵来变化，并且在车轮转向的时候，也能克服来自路面的侧向干扰力，最终汽车恢复原来的行驶方向[4]。
依照转向能量来源的不同，通常将汽车转向系统分为机械和动力转向系统两大类。机械转向系统的转向能量来源主要是驾驶员的臂力。转向器、转向操纵机构和转向的传力机构这样的三个部分共同组成了我们现在所熟知的机械转向系统。动力转向系统的转向能量来源是驾驶员的体力，加上发动机的动力。在正常情况下，汽车转向时的能量，大部分是从发动机那边传递给转向助力装置的。但是当装置失效时，汽车转向就能量就只由驾驶员提供。所以，可以清晰的整理出动力转向系统的构成，即在建立于机械转向系统的基础之上，再多装上一个转向助力装置[5]。
1.2.2 电动助力转向系统的使用
如今，电动助力转向系统在汽车上越来越盛行。它从性能上不可以仅限于降低操作强度，而是要能够根据不同的速度和行驶工况调节转向力。理想的车辆助力转向系统，是在车辆停止或者低速行驶时可以供给充足的助力，使得车辆能轻松转向，同时助力也要满足随着车速的增大而逐渐减小的要求。而当汽车高速行驶时，为了使驾驶员取得足够的路感，并提高行驶时的稳定性，需要助力系统不提供助力或者提供很小的助力。为了达到这个目的，电子控制助力转向系统正在汽车上被越来越广泛地应用。
按照不同的动力来源，把电子控制动力转向系统划分为两个不同的类型，即液压式和电动式[6]。
相比于液压式，电动式助力转向系统拥有下面这些优势：
（1）不同工况下都能达到最佳转向的要求，减少路面粗糙度对转向系统的干扰，从而提高转向性能，减小了驱动力，提高转向运行的稳定性。
（2）只在转弯时提供相应的助力，减少燃料消耗，节约能源。
（3）由于是直流电动机直接供给能量，所以给出了多大的助力并不取决于发动机启动与否。
（4）减少了液压部件，质量变小，结构紧凑，噪声小。
（5）少了液压回路之后，装配时更能轻易的实现自动化，可以根据不一样的车型设计各种相符合的程序，缩短生产研发的周期。
（6）不存在渗油问题，并且有良好的低温工作能力。
1.3 混合动力车用EPS国内外研究现状
国外从20世纪80年代以来，就着重引导汽车企业在各种车辆上使用电动转向。1988年日本铃木公司研发了一种新型的电子控制式电动助力转向系统，1993年本田公司突破性的将电动助力转向系统大批量装车。现在电动助力转向如雨后春笋般地迅速发展，很多公司都研发出了自己的EPS，如美国的Delphi和TRW公司，日本的大发、三菱这些企业，德国的ZF。经过20多年的发展演变，EPS技术在研究上取得了许多重大突破，现在已经在汽车上广泛应用。
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