一种基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统及优化方法与流程

文档序号：17720295发布日期：2019-05-22 02:06阅读：172来源：国知局

本发明属于汽车转向系统技术领域，具体涉及一种基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统及其多目标优化方法。

背景技术：

随着助力转向系统的发展，汽车转向系统的性能在轻便化、节能化、智能化等方面有了极大提高。目前最常见的助力转向系统主要包括液压助力转向系统和电动助力转向系统。其中，液压助力转向系统输出力矩大，操作稳定，但能耗较大，维修不方便；电动助力转向系统可根据实时工况调节辅助动力，且质量小、节省安装空间，但其输出力矩相对较小，很难满足大型车辆助力的需求。受限于液压系统和电气系统固有的特性，无论是液压助力转向系统还是电动助力转向系统，都难以单独实现转向性能的最优化，采用电液助力转向系统则可以将二者优点结合。

磁流变液作为一种新兴材料在许多领域得到了广泛应用，其在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性，而在强磁场作用下则呈现出高粘度、低流动性的bingham体特性，且变化过程是瞬时的，并同时具有低能耗的特点，在汽车转向系统得到了一些应用。例如中国专利申请号为cn201410557874.7，名称“一种齿轮齿条式磁流体电控液压助力转向装置及控制方法”中将磁流变液作为液压助力，但由于单独依靠洛伦兹力为动力源，所能提供的助力受限而不能达到理想效果，无法完全替代液压助力转向系统；中国专利申请号为cn201720488038.7，名称“车辆半主动控制转向系统用磁流变阻尼器”，利用磁流变液特性提高汽车转向稳定性，但主要利用的是其阻尼特性而非提供助力。因此，设计一种利用磁流变液进行助力并与电动助力相结合的汽车电液助力转向系统，节约转向过程消耗的能量，加快响应速度，获得更好的转向特性，具有深入研究价值。

电液转向系统涉及多个模块相互配合，结构复杂，需要机械，流体，电子等多门学科协同作用。同时其中涉及众多的性能参数指标，合理科学的参数优化设计对系统性能起到关键性作用。因此，准确建立优化模型，采用合适优化算法对获得电液转向系统的良好综合性能有着不可忽视的作用。

技术实现要素：

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统及优化方法，以克服现有技术中存在的问题。本发明利用磁流变液替代原有液压油提供助力，大大简化了齿轮齿条转向器的液压结构，通过控制电动助力模块和磁流变液助力模块的配合，并提供一种多目标优化方法优化关键参数，使得汽车在获得较好的转向路感的同时降低系统能量损耗，得到良好的综合转向性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统，包括：机械传动模块、磁流变液助力模块、电动助力模块、助力控制模块；

所述的机械传动模块包括方向盘、转角传感器、转矩传感器、转向轴、齿轮齿条式转向器、横拉杆、左侧转向梯形、右侧转向梯形、左侧车轮及右侧车轮；转向轴的上端与方向盘相连，方向盘上安装转角传感器；转向轴的下端与齿轮齿条转向器的输入端连接，转向轴下端安装有转矩传感器；齿轮齿条式转向器包括转向齿轮，向心球轴承，转向齿条，弹簧，压块，调整螺母，转向器壳体；转向齿轮通过向心球轴承支承在转向器壳体内，转向齿轮的上端与转向轴连接，下端与水平布置的转向齿条相啮合，形成一对传动副；弹簧通过压块将转向齿条压靠在转向齿轮上，使转向齿条和转向齿轮无间隙啮合；调整螺母通过转向器壳体与弹簧相连，提供弹簧预紧力；转向齿条两端连接横拉杆，横拉杆右端通过右侧转向梯形与右侧车轮连接，横拉杆左端通过磁流变液助力模块连接左侧转向梯形及左侧车轮；

所述的磁流变液助力模块包括磁流变液外壳、上金属板、下金属板、左圆锥滚子轴承、右圆锥滚子轴承、左受力板、右受力板、输入轴、输出轴、磁流变液材料、励磁线圈、供电单元；

所述横拉杆被磁流变液助力模块打断分为左右两端打断处，横拉杆的左端打断处与输出轴连接，横拉杆的右端打断处与输入轴连接；输入轴依靠右圆锥滚子轴承支撑在磁流变液外壳上，通过右受力板与下金属板连接；输出轴依靠左圆锥滚子轴承支撑在磁流变液外壳上，通过左受力板与上金属板相连；磁流变液外壳包围了上下错开设置的上、下金属板及输入轴、输出轴；磁流变液外壳内部充满磁流变液材料；磁流变液外壳外部水平缠绕励磁线圈，供电单元与励磁线圈电气连接，供电单元通电时励磁线圈产生可变磁场，磁流变液材料在磁场的作用特性下发生变化，产生剪切力作用在上、下金属板上，转化为左右受力板的输出力，并通过输出轴和输入轴向横拉杆传递，输出磁流变液助力模块提供的转向助力；

所述的电动助力模块包括电动机，离合器，减速机构；电动机固定在转向轴一侧，并通过减速机构与转向轴连接，减速机构与电动机间设有离合器；

所述的助力控制模块输入端分别与转矩传感器，转角传感器及车速传感器相连，接收驾驶员输入的方向盘转角信号、转矩信号、车速信号，其输出端与电动机、离合器、供电单元相连，通过输出磁流变液控制信号改变供电单元提供的电流，输出电机控制信号控制电动机提供的电磁转矩，输出离合器控制信号调整离合器的工作状态。

本发明的一种基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统的多目标优化方法，基于上述系统，包括步骤如下：

(1)建立齿轮齿条式电液转向系统模型、整车模型及轮胎模型；

(2)选择齿轮齿条式电液转向系统优化目标，并根据步骤(1)建立的模型，推导对应优化目标的评价公式；

(3)以步骤(2)选择的系统优化目标为基础，进行性能分析；根据性能分析结果，选择对转向性能影响大的机械参数和磁流变液参数为优化变量；

(4)在转向灵敏度和优化变量取值范围的约束条件下，建立齿轮齿条式电液转向系统多目标优化模型；

(5)根据齿轮齿条式电液转向系统多目标优化模型，采用基于参考点的多目标进化算法，进行多目标参数优化。

进一步地，所述齿轮齿条式电液转向系统模型包括：转向盘-转向轴模型、齿轮齿条转向器模型、磁流变液助力模块模型及电动助力模块模型。

进一步地，所述步骤(1)中的齿轮齿条式电液转向系统模型为：

式中：js为方向盘转动惯量，θs为驾驶员输入转角；tdri为驾驶员输入力矩，bs为转向轴阻尼系数，ks为转向传感器刚度，θe为转向齿轮转角，jds为转向轴与减速机构的转动惯量，bds为减速机构阻尼系数，g为减速机构减速比，teps为电动机助力转矩，tsen为转矩传感器输出力矩，tw为齿轮齿条作用力，jm1为电动机转动惯量，θm1为电动机转角，bm1为电动机阻尼系数，tem1为助力电机电磁转矩，mr为齿条质量，xr为转向齿条位移，br为转向齿条阻尼系数，rp为转向齿轮半径，fhyd为磁流变液助力模块提供的助力，fz为转向齿条上的阻力；

整车模型为：

轮胎模型为：

式中，iz为汽车质量对z轴的转动惯量，ωr为横摆角速度，φ为车身侧倾角，nr、nβ、nφ、nδ分别为单位横摆角速度、单位质心侧偏角、单位侧倾角速度、单位前轮转角对z轴的力矩，u为纵向速度，m为整车质量，ix为悬挂质量对x轴的转动惯量，β为质心侧偏角，α为前轮侧偏角，δ为前轮转向角，ixz为悬挂质量对x、z轴的惯性积，d为轮距，gp为转向轴到前轮传动比，h为悬挂质心至侧倾轴线的距离，lp、lφ分别为单位侧倾角速度、单位侧倾角对x轴的外力矩，yr、yβ、yφ、yδ分别为单位横摆角速度、单位整车侧偏角、单位侧倾角、单位前轮转角引起的地面侧向反作用力，k1为前轮侧偏刚度，e1为弧度因子。

进一步地，所述步骤(2)中的优化目标包括：转向路感、转向助力、转向能耗；其中，转向路感公式为：

转向助力公式为：

fforce＝tw/rp+fmrf

转向能耗公式为：

fenergy＝em+emrf+emotor+eecu

式中，em表示机械传动模块能耗，emrf表示磁流变液助力模块能耗，emotor表示电动机能耗，eecu表示ecu能耗。

进一步地，所述步骤(3)中的优化变量包括：电动机转动惯量jm1，转矩传感器刚度ks，金属板间隙l，磁流变液剪切面积a，励磁线圈匝数z，减速机构减速比g。

进一步地，所述步骤(4)中的齿轮齿条式电液转向系统多目标优化模型为：

式中，fenergy(x)为转向能耗函数，froad(x)为转向路感函数，fforce(x)为转向助力函数，g1(x)为转向灵敏度。

进一步地，所述步骤(5)中的基于参考点的多目标进化算法，具体步骤如下：

51)随机生成规模为n的初始父种群pt(jm1，ks，l,a,z,g)，设置进化代数计数t＝1，根据电液转向系统优化变量的初值对种群进行初始化；

52)对父代种群pt进行交叉、变异、选择等操作，生成子代种群qt；

53)将pt与子代种群qt合并到一个集合中，对集合里的个体进行非支配排序，将所有非支配个体保存到集合ut中；

54)对集合ut进行非支配排序并保存所有非支配个体，根据公式(1)计算最优目标函数值，通过选择最优目标值生成候选参考点，保存到集合rm中；

式中，fm(x)为所选优化变量对转向路感、转向助力、转向能耗的期望目标函数值，m＝1时目标函数为转向路感，m＝2时目标函数为转向助力，m＝3时目标函数为转向能耗，为最优目标函数值，εm为零或任意小的正数；

55)根据公式(2)计算rm中候选参考点的拥挤距离，选取前n个拥挤距离较大的候选参考点，保存到最终参考点集合r中；

式中，id为个体间的拥挤距离；为i+1个个体在第m个优化目标函数上的值；为i-1个个体在第m个优化目标函数上的值；

56)对集合r中的每个参考点，根据公式(3)计算集合ut中所有个体的加权欧几里得距离

式中，xi为上述所选的非支配个体，i＝6；fm(xi)为个体xi在第m目标上的值；

57)找出最小的加权欧几里得距离值对应的集合ut中非支配个体和rm中的候选参考点，将所找出的非支配个体保存到下一代种群pt+1中，循环操作直到得到n个个体作为下一代父种群pt+1；

58)判断t是否等于设置的最大进化代数gen，若t＝gen，则算法结束退出优化，得到电液转向系统最优解；否则t＝t+1，转到步骤52)继续执行优化。

本发明的有益效果：

本发明利用电动机与磁流变液两种助力方式结合，既加快了转向响应速度，又可根据不同工况提供可变转向助力，能量消耗少。

本发明采用磁流变液代替现有液压助力，不需要安装液压泵，液压阀、液压管路、储液罐，结构简单且减轻了系统质量，同时为电动转向提供额外的转向助力。

本发明利用基于参考点的多目标进化算法对电液转向系统进行优化，有效解决转向路感、转向能耗和转向助力多个优化目标之间相互冲突的问题，得到综合转向性能较好的一组解集。

附图说明

图1为本发明基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统的原理结构图；

图2为本发明齿轮齿条转向器结构图；

图3为本发明磁流变液助力模块结构图；

图4为本发明优化方法流程图；

图5为本发明的基于参考点的多目标进化算法流程图；

图中，1-方向盘；2-转向轴；3-转矩传感器；4-减速机构；5-右侧车轮；6-右侧转向梯形；7-横拉杆；8-齿轮齿条转向器；9-离合器；10-电动机；11-磁流变液助力模块；12-左侧转向梯形；13-左侧车轮；14-助力控制模块；15-磁流变液控制信号；16-电机控制信号；17-离合器控制信号；18-向心球轴承；19-转向齿轮；20-转向齿条；21-压块；22-弹簧；23-调整螺母；24-转向器壳体；25-左圆锥滚子轴承；26-输出轴；27-左受力板；28-磁流变液外壳；29-上金属板；30-磁流变液材料；31-下金属板；32-励磁线圈；33右受力板；34-输入轴；35-右圆锥滚子轴承；36-供电单元。

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至图3所示，本发明的一种基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统，包括：机械传动模块、磁流变液助力模块11、电动助力模块、助力控制模块14(ecu)；

所述的机械传动模块包括方向盘1、转角传感器、转矩传感器3、转向轴2、齿轮齿条式转向器8、横拉杆7、右侧转向梯形6、左侧转向梯形12、右侧车轮5及左侧车轮13；转向轴2的上端与方向盘1相连，方向盘1上安装转角传感器；转向轴2的下端与齿轮齿条转向器8的输入端连接，转向轴2下端安装有转矩传感器3；齿轮齿条式转向器包括转向齿轮19，向心球轴承18，转向齿条20，弹簧22，压块21，调整螺母23，转向器壳体24；转向齿轮19通过向心球轴承18支承在转向器壳体24内，转向齿轮19的上端与转向轴2连接，下端与水平布置的转向齿条20相啮合，形成一对传动副；弹簧22通过压块21将转向齿条20压靠在转向齿轮19上，使转向齿条20和转向齿轮19无间隙啮合；调整螺母23通过转向器壳体24与弹簧22相连，提供弹簧预紧力；转向齿条两端连接横拉杆7，横拉杆7右端通过右侧转向梯形6与右侧车轮5连接，横拉杆左端通过磁流变液助力模块连接左侧转向梯形12及左侧车轮13；

所述的磁流变液助力模块包括磁流变液外壳28、上金属板29、下金属板31、左圆锥滚子轴承25、右圆锥滚子轴承35、左受力板27、右受力板33、输入轴34、输出轴26、磁流变液材料30、励磁线圈32、供电单元36；

所述横拉杆7被磁流变液助力模块打断分为左右两端打断处，横拉杆的左端打断处与输出轴连接，横拉杆的右端打断处与输入轴连接；输入轴依靠右圆锥滚子轴承支撑在磁流变液外壳上，通过右受力板与下金属板连接；输出轴依靠左圆锥滚子轴承支撑在磁流变液外壳上，通过左受力板与上金属板相连；磁流变液外壳包围了上下错开设置的上、下金属板及输入轴、输出轴；磁流变液外壳内部充满磁流变液材料；磁流变液外壳外部水平缠绕励磁线圈，供电单元与励磁线圈电气连接，供电单元通电时励磁线圈产生可变磁场，磁流变液材料在磁场的作用特性下发生变化，产生剪切力作用在上、下金属板上，转化为左右受力板的输出力，并通过输出轴和输入轴向横拉杆传递，输出磁流变液助力模块提供的转向助力；

所述的电动助力模块包括电动机10，离合器9，减速机构4；电动机10固定在转向轴2一侧，并通过减速机构4与转向轴2连接，减速机构4与电动机10间设有离合器9；

所述的助力控制模块输入端分别与转矩传感器，转角传感器及车速传感器相连，接收驾驶员输入的方向盘转角信号、转矩信号、车速信号，其输出端与电动机、离合器、供电单元相连；转向时，助力控制模块根据各传感器信号进行计算，输出电机控制信号16、离合器控制信号17、磁流变液控制信号15，分别控制电动机电流大小、离合器开关状态、供电单元电流大小，从而调整电动机输出的电磁转矩大小，并通过供电单元输入励磁线圈的电流在两金属板间产生相应磁场，使磁流变液材料输出相应的转向助力。

参照图4所示，本发明的一种基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统的多目标优化方法，基于上述系统，包括步骤如下：

(1)建立齿轮齿条式电液转向系统模型、整车模型及轮胎模型；

其中，所述齿轮齿条式电液转向系统模型包括：转向盘-转向轴模型、齿轮齿条转向器模型、磁流变液助力模块模型及电动助力模块模型。

齿轮齿条式电液转向系统模型为：

整车模型为：

轮胎模型为：

(2)选择齿轮齿条式电液转向系统优化目标，并根据步骤(1)建立的模型，推导对应优化目标的评价公式；其中，

所述的优化目标包括：转向路感、转向助力、转向能耗；

其中，转向路感公式为：