一种复合转向系统的制作方法

本实用新型涉及转向系统技术领域，具体涉及一种复合转向系统。

背景技术：

线控转向系统采用轮毂电机直接驱动，不但取代了传统的动力传递，简化底盘结构；还减少了很多机械传动机构，提高传动效率。线控转向系统取消了方向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电控实现转向，摆脱了传统转向系统的各种限制。但是同时由于无机械连接，可靠性较差。

电动助力转向系统有完整的机械连接的转向系统，靠助力电机施加助力转矩来减小转向手力，能够很好的解决线控四轮转向系统可靠性差的问题。

融合电动助力转向系统和线控四轮转向系统的复合转向系统，机械结构复杂，转向性能难免会受到影响，因此需要对复合转向系统进行优化设计。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种复合转向系统。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种复合转向系统，包括电动助力转向系统和线控四轮转向系统，

所述电动助力转向系统包括方向盘、转向管柱、转矩传感器、转向伺服电机、助力电机减速机构、转向输出轴、齿轮齿条转向器、助力电机、转向控制ECU、车速传感器、横摆角速度传感器；

所述线控四轮转向包括前轴、左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、电机控制单元、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机、后轴、左前轮轮速传感器、右前轮轮速传感器、左后轮轮速传感器和右后轮轮速传感器；

所述转向管柱一端和汽车的方向盘固定相连，另一端通过转向伺服电机和所述转向输出轴相连，其中，所述转向伺服电机包含定子部分和转子部分，所述定子部分与转向管柱固定连接，所述转子部分与转向输出轴的一端固定相连；

所述转矩传感器安装在转向管柱上，用于获取汽车方向盘的转矩；

所述助力电机通过助力电机减速机构安装在转向输出轴上，用于提供转向助力；

所述车速传感器、横摆角速度传感器安装在车身上，分别用于获取汽车车速和汽车横摆角速度；

所述前轴两端分别与汽车的左前轮、右前轮相连；

所述左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机安装在左前轮、右前轮上，分别用于驱动汽车的左前轮、右前轮；

所述后轴两端分与汽车的左后轮、右后轮相连；

所述左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机安装在左后轮、右后轮上，分别用于驱动汽车的左后轮、右后轮；

所述左前轮轮速传感器、右前轮轮速传感器、左后轮轮速传感器、右后轮轮速传感器分别安装在汽车的左前轮、右前轮、左后轮、右后轮上，分别用于获取汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮速；

所述齿轮齿条转向器设置在所述前轴上，与转向输出轴的另一端相连；

所述转向控制ECU分别与助力电机、转矩传感器、转向伺服电机的转子部分、车速传感器、横摆角速度传感器、电机控制单元电气相连，用于根据转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器测得的方向盘转矩、汽车车速和汽车横摆角速度信息控制助力电机、转向伺服电机的转子部分工作，计算左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机的力矩并产生相应的电流信号传递给所述电机控制单元；

所述电机控制单元分别与转向控制ECU、左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机、前轮轮速传感器、右前轮轮速传感器、左后轮轮速传感器、右后轮轮速传感器电气相连，用于根据前轮轮速传感器、右前轮轮速传感器、左后轮轮速传感器、右后轮轮速传感器测得的轮速信号和接收到的电流信号控制左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机工作。

本实用新型还公开了一种基于该复合转向系统的多目标优化方法，包括以下步骤：

步骤1)，建立整车二自由度模型、电动助力转向系统模型和线控四轮转向系统模型；

步骤2)，基于电动助力转向系统模型和线控四轮转向系统模型，建立复合转向系统模型；

步骤3)，基于整车二自由度模型、复合转向系统模型推导复合转向系统的转向路感、转向灵敏度和转向半径比量化公式；

步骤4)，选取优化变量、建立多目标优化模型目标函数、设置约束条件，建立复合转向系统多目标优化模型；

步骤5)，基于复合转向系统多目标优化模型，采用模拟退火算法，对复合转向系统进行优化。

作为本实用新型一种复合转向系统的多目标优化方法进一步的优化方案，步骤1)中所述的整车二自由度模型为：

式中：k₁、k₂为前后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距；m为整车质量；u为汽车速度；β为质心侧偏角；ω_r为横摆角速度；δ_f为前轮转角；δ_r为后轮转角；I_z为汽车质量对z轴的转动惯量。

作为本实用新型一种复合转向系统的多目标优化方法进一步的优化方案，步骤1)中所述的电动助力转向系统模型为：

式中，J_h和B_h分别表示方向盘等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_h为方向盘转角；K_s1为方向盘转角传感器等效刚度；T_h为驾驶员作用在方向盘作用力；J_s和B_s分别表示转向管柱和伺服电机定子部分等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_s为转向输入轴转角；T_w为作用于汽车轮胎的阻力矩等效到转向螺杆上的力矩；J_r和B_r分别表示转向伺服电机转子部分的等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_r为转向伺服电机转子部分的转角；K_s2为伺服电机转子部分和转向输出轴的等效刚度；J_m和B_m分别表示助力电机等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_m为助力电机的输出转角；K_m为助力电机和减速机构的等效刚度；G为助力电机减速机构的减速比；T_m为助力电机输出转矩；J_e和B_e分别表示转向输出轴的等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_e为转向输出轴的转角；m_r为齿条的等效质量；b_r为齿条的等效阻尼系数；k_r为齿条的等效刚度；r_p为小齿轮半径；F_δ为路面激励。

作为本实用新型一种复合转向系统的多目标优化方法进一步的优化方案，汽车轮胎的特性为线性，d为轮距，n₂为转向螺杆到前轮的传动比。

作为本实用新型一种复合转向系统的多目标优化方法进一步的优化方案，步骤1)中所述的线控四轮转向系统模型为：

式中：J_eq和B_eq分别表示轮毂电机的等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_i(i＝1,2,3,4)分别为左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机的转角；ΔT_st＝(T_t1-rF_x1)-(T_t2-rF_x2)+(T_t3-rF_x3)-(T_t4-rF_x4)；T_ti(i＝1,2,3,4)分别为左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机输出转矩；r为轮胎半径；F_xi(i＝1,2,3,4)分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮和地面之间摩擦力。

作为本实用新型一种复合转向系统的多目标优化方法进一步的优化方案，步骤2)中所述的复合转向系统模型为：

式中，n₁为转向伺服电机的定子转角与转子转角的比值；δ＝δ_f-δ_r。

作为本实用新型一种复合转向系统的多目标优化方法进一步的优化方案，步骤3)中所述的转向路感、转向灵敏度和转向半径比量化公式依次为：

转向路感量化公式：

转向灵敏度量化公式：

转向半径比量化公式：

式中：E₁(s),E₂(s),E₃(s)分别代表转向路感、转向灵敏度和转向半径比量化公式；s为频域信号；L＝a+b；

X₀＝n₁n₂K_s1+n₂K_s2+n₂k_rr_p²+G²K_m。

作为本实用新型一种复合转向系统的多目标优化方法进一步的优化方案，所述步骤4)中：

选取方向盘转角传感器等效刚度K_s1、助力电机等效转动惯量J_m和等效阻尼系数B_m、助力电机和减速机构的等效刚度K_m、转向输出轴的等效转动惯量J_e和等效阻尼系数B_e、轮毂电机的等效转动惯量J_eq和等效阻尼系数B_eq为优化变量；

建立的多目标优化目标函数为：

f(X)＝W₁f₁(X)+W₂f₂(X)+W₃f₃(X)

式中，W₁、W₂、W₃均为预先设定的权重系数；

设置约束条件为：转向灵敏度量化公式的分母满足劳斯判据、方向盘转角传感器等效刚度168＜K_s1＜312、助力电机等效转动惯量0.86＜J_m＜2.15、助力电机的等效阻尼系数0.36＜B_m＜1.78、助力电机和减速机构的等效刚度127＜K_m＜218、转向输出轴的等效转动惯量0.01＜J_e＜0.15、转向输出轴的等效阻尼系数0.25＜B_e＜0.62、轮毂电机的等效转动惯量1.24＜J_eq＜2.58、轮毂电机的等效阻尼系数0.65＜B_eq＜2.16。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.在线控四轮转向系统基础上增设电动助力转向系统，存在机械连接，能够确保转向系统的可靠性。

2.复合转向系统结构复杂，进行优化设计后，能够有效提高转向系统性能。

附图说明

图1为本实用新型复合转向系统结构图；

图2为本实用新型优化方法流程图。

图中，1-方向盘，2-转向管柱，3-转矩传感器，4-转向伺服电机的定子部分，5-转向伺服电机的转子部分，6-助力电机减速机构，7-转向输出轴，8-齿轮齿条转向器，9-助力电机，10-转向控制ECU，11-车速传感器，12-横摆角速度传感器，13-前轴，14-左前轮轮毂电机，15-右前轮轮毂电机，16-电机控制单元，17-左后轮轮毂电机，18-右后轮轮毂电机，19-后轴，20-左前轮轮速传感器，21-右前轮轮速传感器，22-左后轮轮速传感器，23-右后轮轮速传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本实用新型开发了一种复合转向系统，包括电动助力转向系统和线控四轮转向系统，所述电动助力转向系统包括方向盘1、转向管柱2、转矩传感器3、转向伺服电机、助力电机减速机构6、转向输出轴7、齿轮齿条转向器8、助力电机9、转向控制ECU10、车速传感器11、横摆角速度传感器12；所述线控四轮转向包括前轴13、左前轮轮毂电机14、右前轮轮毂电机15、电机控制单元16、左后轮轮毂电机17、右后轮轮毂电机18、后轴19、左前轮轮速传感器20、右前轮轮速传感器21、左后轮轮速传感器22和右后轮轮速传感器23。

所述转向管柱2一端和汽车的方向盘1固定相连，另一端通过转向伺服电机和所述转向输出轴7的一端相连，其中，所述转向伺服电机包含定子部分4和转子部分5，所述定子部分4与转向管柱2固定连接，所述转子部分5与转向输出轴7固定相连；所述转矩传感器3安装在转向管柱2上，用于获取汽车方向盘1的转矩；所述助力电机9通过助力电机减速机构6安装在转向输出轴7上，用于提供转向助力；所述车速传感器11、横摆角速度传感器12安装在车身上，分别用于获取汽车车速和汽车横摆角速度。

所述前轴13两端分别与汽车的左前轮、右前轮相连；所述左前轮轮毂电机14、右前轮轮毂电机15安装在左前轮、右前轮上，分别用于驱动汽车的左前轮、右前轮；所述后轴19两端分别与汽车的左后轮、右后轮相连；所述左后轮轮毂电机17、右后轮轮毂电机18安装在左后轮、右后轮上，分别用于驱动汽车的左后轮、右后轮；所述左前轮轮速传感器20、右前轮轮速传感器21、左后轮轮速传感器22、右后轮轮速传感器23分别安装在汽车的左前轮、右前轮、左后轮、右后轮上，分别用于获取汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮速；所述齿轮齿条转向器8设置在所述前轴13上，与转向输出轴7的另一端相连。

所述转向控制ECU10分别与助力电机9、转矩传感器3、转向伺服电机的转子部分5、车速传感器11、横摆角速度传感器12、电机控制单元16电气相连，用于根据转矩传感器3、车速传感器11、横摆角速度传感器12测得的转矩、车速和横摆角速度信息控制助力电机9、转向伺服电机的转子部分5工作，计算左前轮轮毂电机14、右前轮轮毂电机15、左后轮轮毂电机17、右后轮轮毂电机18的力矩并产生相应的电流信号传递给所述电机控制单元16。

所述电机控制单元16分别与转向控制ECU10、左前轮轮毂电机14、右前轮轮毂电机15、左后轮轮毂电机17、右后轮轮毂电机18、前轮轮速传感器20、右前轮轮速传感器21、左后轮轮速传感器22、右后轮轮速传感器23电气相连，用于根据前轮轮速传感器20、右前轮轮速传感器21、左后轮轮速传感器22、右后轮轮速传感器23测得的车速信号和接收到的电流信号控制左前轮轮毂电机14、右前轮轮毂电机15、左后轮轮毂电机17、右后轮轮毂电机18工作。

如图2所示，本实用新型还公布了一种复合转向系统优化方法，具体包括以下步骤：

步骤1，建立整车二自由度模型、电动助力转向系统模型和线控四轮转向系统模型。

整车二自由度模型如下：

式中：k₁、k₂为前后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距；m为整车质量；u为汽车速度；β为质心侧偏角；ω_r为横摆角速度；δ_f为前轮转角；δ_r为后轮转角；I_z为汽车质量对z轴的转动惯量。

电动助力转向系统模型为：

式中：J_h和B_h分别表示方向盘等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_h为方向盘转角；K_s1为方向盘转角传感器等效刚度；T_h为驾驶员作用在方向盘作用力；J_s和B_s分别表示转向管柱和伺服电机定子部分等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_s为转向输入轴转角；T_w为作用于轮胎的阻力矩等效到转向螺杆上的力矩，假设轮胎特性为线性，则d为轮距；n₂为转向螺杆到前轮的传动比；J_r和B_r分别表示转向伺服电机转子部分的等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_r为转向伺服电机转子部分的转角；K_s2为伺服电机转子部分和转向输出轴的等效刚度；J_m和B_m分别表示助力电机等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_m为助力电机的输出转角；K_m为助力电机和减速机构的等效刚度；G为助力电机减速机构的减速比；T_m为助力电机输出转矩；J_e和B_e分别表示转向输出轴的等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_e为转向输出轴的转角；m_r为齿条的等效质量；b_r为齿条的等效阻尼系数；k_r为齿条的等效刚度；r_p为小齿轮半径；F_δ为路面激励。

线控四轮转向系统模型为：

式中：J_eq和B_eq分别表示轮毂电机的等效转动惯量和等效阻尼系数；θ_i(i＝1,2,3,4)分别为左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机的转角；ΔT_st＝(T_t1-rF_x1)-(T_t2-rF_x2)+(T_t3-rF_x3)-(T_t4-rF_x4)；T_ti(i＝1,2,3,4)分别为左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机输出转矩；r为轮胎半径；F_xi(i＝1,2,3,4)分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮和地面之间摩擦力。

步骤2，基于电动助力转向系统模型和线控四轮转向系统模型，建立复合转向系统模型；

式中：n₁为转向伺服电机的定子转角与转子转角的比值；δ＝δ_f-δ_r。

步骤3，基于整车二自由度模型、复合转向系统模型依次推导复合转向系统的转向路感、转向灵敏度和转向半径比量化公式：

首先推导转向路感量化公式：

其次推导转向灵敏度量化公式：

由汽车二自由度模型可以得到横摆角速度与前后轮转角差的关系：

由复合转向系统模型可以得到前后轮转角差与方向盘转角的关系：

由上面两个关系可以得到转向灵敏度量化公式：

最后推导转向半径比量化公式：

在前后轮转角一定的条件下，令车速极低、侧向加速度接近零时的转向半径为R₀，此时

在车速u且有一定侧向加速度时的转向半径为R，此时

则转向半径比为：

式中：E₁(s),E₂(s),E₃(s)分别代表转向路感、转向灵敏度和转向半径比量化公式；s为频域信号；L＝a+b；

X₀＝n₁n₂K_s1+n₂K_s2+n₂k_rr_p²+G²K_m。

步骤4，选取优化变量、建立多目标优化模型目标函数、设置约束条件，建立复合转向系统多目标优化模型；

1选取方向盘转角传感器等效刚度K_s1、助力电机等效转动惯量J_m和等效阻尼系数B_m、助力电机和减速机构的等效刚度K_m、转向输出轴的等效转动惯量J_e和等效阻尼系数B_e、轮毂电机的等效转动惯量J_eq和等效阻尼系数B_eq为优化变量。

2建立的多目标优化目标函数为：

f(X)＝W₁f₁(X)+W₂f₂(X)+W₃f₃(X)

式中：W₁、W₂、W₃均为预先设定的权重系数。

3在优化过程中，设置如下约束条件：转向灵敏度量化公式的分母满足劳斯判据、方向盘转角传感器等效刚度168＜K_s1＜312、助力电机等效转动惯量0.86＜J_m＜2.15、助力电机的等效阻尼系数0.36＜B_m＜1.78、助力电机和减速机构的等效刚度127＜K_m＜218、转向输出轴的等效转动惯量0.01＜J_e＜0.15、转向输出轴的等效阻尼系数0.25＜B_e＜0.62、轮毂电机的等效转动惯量1.24＜J_eq＜2.58和、轮毂电机的等效阻尼系数0.65＜B_eq＜2.16。

步骤5，基于复合转向系统多目标优化模型，采用模拟退火算法，对复合转向系统进行优化设计。

Step1，初始化温度T，初始化解集X，计算目标函数值f(X)；

Step2，随机产生一组解X'，计算目标函数f(X')；

Step3，计算增量Δf＝f(X')-f(X)；

Step4，若Δf＜0，则以目前X'为新的当前解，或者以概率exp(-Δf/T)＞rand(0,1)接受X'为新的当前解；

Step5，若满足迭代次数且满足终止条件，则结束运算，返回最优值；

Step6，若不满足迭代次数，则返回至step2；

Step7，若满足迭代次数，但是不满足终止条件，则降低当前温度T，返回至step2。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解-具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅-本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。