一种电控液压助力转向系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种电控液压助力转向系统，该电控液压助力转向系统包括转向机械部分、液压助力部分、信号传感器部分和电子控制单元ECU，驾驶员通过转向机械部分做出转向指令，多个信号传感器将车速信号，方向盘转角信号，电机转速信号等传递给电控单元ECU，由ECU发出指令给液压助力部分，驱动液压油实现理想的转向助力；同时，对电控液压助力转向系统进行多目标优化，以转向路感、灵敏度、能耗为目标，通过协同优化方法，对电控液压助力转向系统的机械参数、液压系统部分参数进行优化设计，使得转向系统转向路感、灵敏度、能耗的综合性能更优。
【专利说明】
-种电控液压助力转向系统
技术领域
[0001] 本实用新型设及汽车电控液压转向系统领域，特别是一种电控液压助力转向系 统。
【背景技术】
[0002] 电控液压助力转向系统是一种在汽车转向时根据方向盘转角，车速信号，控制转 向油累驱动电机转速，给转向系统累油，使得转向液压缸两侧产生一定压差助力车轮转向 的新型汽车动力转向系统，目前广泛应用于汽车动力转向中。相比传统的液压助力转向系 统，电控液压助力转向系统拥有更好的汽车高速行驶时的操纵感觉和动态响应W及行驶过 程中经济性等优势，由于该系统W电机代替发动机直接驱动液压累，车速和转向盘转速将 影响电机转速的大小，在车速低、转向盘角速度大时，ECU响应使得油累驱动电机转速增大， 增大液压油流量，增大转向助力;反之，电机转速降低，系统提供的助力减小。
[0003] 但是在现有的电控液压助力转向系统的研究中，一方面，电控液压助力转向系统 的机械、液压元件参数设置对汽车转向的路感、灵敏度的影响鲜有人研究，而在实际操作 中，路感、灵敏度等由驾驶员直接体验，对驾驶员的操纵感觉影响甚大;另一方面，现有的电 控液压助力转向系统，其转向能耗仍然较大，仍有很大的节能潜力，而且针对机液电=个学 科对W上路感，灵敏度，能耗综合优化的报道尚未见公开。 【实用新型内容】
[0004] 针对上述问题，本实用新型提供一种电控液压助力转向系统，并基于该系统，提出 综合考虑机械转向系统参数、电机参数、转阀参数、液压累参数的机液电多学科协同优化方 法，本实用新型是运样实现的：
[0005] 提供一种电控液压助力转向系统，包括转向机械部分、液压助力部分、信号传感器 部分和电子控制单元ECU;
[0006] 所述转向机械部分包括依次连接的转向盘、转向轴、转阀、齿轮齿条转向器W及两 端连有车轮的转向横拉杆，转向横拉杆上设有液压缸，转向轴上设有扭矩传感器；
[0007] 液压助力部分包括顺序连接的油壶，吸、回油管路，双作用叶片累，连接转阀与液 压缸的液压缸进油管路和液压缸回油管路，与双作用叶片累直接相连的叶片累驱动电机， 即无刷直流电机，转阀不仅与转向轴、齿轮齿条转向器机械连接，还与叶片累、液压缸通过 液压管路相连；
[000引所述传感器部分包括转向轴上的扭矩传感器，车速传感器，电机转速传感器，与液 压缸相连的压力传感器，方向盘转角传感器，纵向加速度传感器，横摆角速度传感器；
[0009] 所述电子控制单元ECU与各传感器部件连接，接收各传感器部件发出的电信号，并 向叶片累驱动电机发出控制信号。
[0010] 结合该系统，提供一种电控液压助力转向系统的多目标优化方法，该方法包括如 下步骤：
[0011] I)建立电控液压助力转向系统模型、整车动力学模型，其中电控液压助力转向模 型包括转向盘模型、输入和输出轴模型、转阀模型、齿轮齿条模型、转向累模型、叶片累驱动 电机模型、轮胎模型；
[0012] 2)建立优化指标模型，包括转向系统能耗模型、灵敏度模型、路感模型，将运=个 模型作为转向系统设计的评价指标，建立转向系统优化目标函数；同时W转向灵敏度的能 量值范围作为约束条件，建立电控液压助力转向系统多目标优化模型；
[0013] 3)将定子厚度B，电机与油累的转动惯量Jm,转矩传感器刚度Ks小齿轮半径液压 缸活塞面积Ap转阀阀口间隙宽度W，作为电控液压助力转向系统的设计变量；
[0014] 4)采用协同优化方法对电控液压助力转向系统进行结构分解，对系统进行划分， 划分为转向能耗系统，灵敏度系统，路感系统;总系统采用多岛遗传算法，子系统采用化PQL 算法，对电控液压助力转向系统在步骤4)中设计变量进行优化，得到最优解。
[0015] 所述无刷直流电机的相应模型为：电机根据ECU传递的控制信号，调节PWM占空比， 使得电机按一定转速运转，W电机转速作为反馈，调节电机占空比，此为外反馈，同时，电机 受负载影响，负载在转速变化下也将发生相应变化，此时，通过内反馈，对电流进行调节，构 成内反馈。通过内外反馈，更快的实现电机控制，转速调节。
[0016] 经过Iaplace变换，无刷直流电机速度响应为：
[0017]
[0018] 其中，La为电机电感，J为电机转动惯量，。为电机电阻，Bv为电机粘滞阻尼系数，Kl 为电机阻力矩系数，Kt为电机转矩系数，Ke为电机反感电动势系数，Ud为电机母线电压，W为 电机转动角速度。
[0019] 步骤2)中，转向系统能耗量化公式为：
[0020] E = Pm-1oss+P v-loss+P pump-loss
[0021] 其中Pm-Ioss为电机能量损耗，Pv-Ioss为转阀能量损耗，Ppump-lMS为液压累能量损耗，E 为总能量损耗；
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
[002引
[0029] 其中，A为阀间隙的油流量面积，N为转阀阀口数，L为转阀口狭口长度，W为转阀阀 口间隙宽度，Cq为阀间隙的流量系数，Qs为转阀进油量，&为齿轮齿条位移；
[0030] Ppump-Ioss = Psqn-PsQs
[0031
[0032
[0033
[0034
[0035] 式中，S(S)为经拉普拉斯变换后的前轮转角，0s(s)为经拉普拉斯变换后的方向盘 转角，e(s)为经拉普拉斯变换后的横摆加速度，(1) (S)为经拉普拉斯变换后的质屯、侧偏角， Wr (S)为经拉普拉斯变换后的横摆角速度，n为双作用叶片累的转速，m为转向输出轴到前轮 的传动比，a为汽车质屯、到前轴距离，U为汽车车速，d为车辆1/2轮距，Ei为侧倾转向系数，ki、 k2为前轮侧偏刚度，mr为齿条质量，Jm为电机与油累的转动惯量，Br为齿条阻尼系数，Bm为电 机与油累的粘性阻尼系数，nv为油累的容积效率，Cq为阀间隙的流量系数，K为电机助力系 数，Ka为转向助力电机转矩系数，Ks为转矩传感器刚度，Ktt为转向轴与扭杆的综合刚度;路 感量化心.
[0036]
[0037] 式中，Th为转向盘输入转矩，Tr为转向螺杆的助力转矩，q为累的排量，B为定子厚 度，R2为定子长轴半径，Ri为定子短轴半径，Z为叶片累叶片数，t为叶片厚度。
[0038] 所述步骤2)中，电控液压助力转向系统优化的目标函数f(x)为：
[0039]
[0040] AT : It价阻四mi VXi;户jit々IMJI曰记巾XJC少巧率范围（0, W日）的频域能量平均值，优化方
案中CO 0 = 40Hz ;灵敏度函数f (X2)为路面信息有效频率范围（0，《 0)的频域能量平均值;f (X3)为转向系统能耗；
[0041 ] 在优化过程中，函数满足2.8 X 1(T6 < f (X2) < 8.6 X 1(T6的约束条件。
[0042] 在所述步骤4)中，其结构或实施流程为：建立多目标协同优化模型，W转向路感， 灵敏度，能耗的综合数学模型f (X)作为系统级优化目标，再分别W转向路感、灵敏度、能耗 为子系统，构建多学科协同优化模型；
[0043] 系统级优化模型：
[0044]
[0045] 式中，Z为系统级优化器中的设计变量向量;f (Z)为系统级优化器的目标函数;Ri 为系统级优化器和子系统级优化器的等式一致性约束条件，同时，也是各个子系统的目标 函数，松弛因子e在此取0.001;
[0046] W转向灵敏度作为第一子系统，则子系统一优化模型为：
[0047]
[004引 I型为；
[0049]
[0050] I 型为：
[0化1 ]
[0052] 在总系统中按照选取多岛遗传算法作为优化算法，在子系统中都选取化PQL算法 作为优化算法，按照默认步长进行优化，得到最终的优化结果。
[0053] 本实用新型采用W上技术方案与现有技术相比，具有W下技术效果：
[0054] (1)本实用新型综合考虑汽车转向过程中的路感、灵敏度、转向能耗，进行了多学 科优化，从优化结果来看，有效的提高了转向路感，使得转向灵敏度满足要求，仍在合适的 范围之内，同时降低了转向系统的能耗。
[0055] (2)本实用新型提出的针对电控液压转向系统的多学科协同优化方法，与其他针 对总系统的优化方法相比，显著降低总的优化运算时间。
[0056] (3)本实用新型提出的针对电控液压转向系统的多学科协同优化方法采用多岛遗 传算法与NLP化算法结合的方式，兼顾了优化运算速度与准确性，最优解更具全局性。
【附图说明】
[0057] W下将结合附图对本实用新型作进一步说明：
[0058] 图1为电控液压助力转向系统结构图；
[0059] 图中，1、转向盘;2、扭矩传感器;3、转向轴;4、齿轮齿条转向器;5、车轮;6、液压缸 回油管路;7、液压缸;8、液压缸活塞;9、液压缸进油管路；10、转阀回油管路；11、液压油箱； 12、双作用叶片累；13、油累驱动电机;14、转阀进油管路;15、累油电机转速控制信号；16、电 子控制单元ECU; 17、电机转速信号；18、车速信号；19、纵向加速度信号；20、转向盘转角信 号；21、横摆角速度信号；22、液压缸压差信号；23、转矩传感器信号；24、转阀；25、转向横拉 杆。
【具体实施方式】
[0060] 本实用新型提供一种电控液压助力转向系统，为使本实用新型的目的，技术方案 及效果更加清楚，明确，W及参照附图并举实例对本实用新型进一步详细说明。应当理解， 此处所描述的具体实施仅用W解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0061 ]实施例1电控液压助力转向系统
[0062] 如图1所示，一种电控液压助力转向系统，包括转向机械部分、液压助力部分、信号 传感器部分和电子控制单元ECU 16;
[0063] 其中，转向机械单元包括依次连接的转向盘1、转向轴3、转阀24、齿轮齿条转向器4 W及两端连有车轮5的转向横拉杆25,横拉杆上还设有液压缸7,液压液压缸活塞8位于液压 缸中7中；
[0064] 液压助力部分包括顺序连接的液压油箱11，双作用叶片累12,与双作用叶片累直 接相连的油累驱动电机13,转阀24与双作用叶片累12通过转阀进油管路14连接，转阀24与 液压油箱11之间设有液压回油管路10,并且转阀24与液压缸7之间设有液压缸进油管路9和 液压缸回油管路6;
[0065] 传感器部分包括转向轴上的扭矩传感器2，车速传感器，电机转速传感器，与液压 缸相连的压力传感器，方向盘转角传感器，纵向加速度传感器，横摆角速度传感器，由他们 传递对应的信号给ECU16。
[0066] 当驾驶员有转向操作时，扭矩传感器2传递转矩传感器信号23到ECU16,同时， ECU16接收来自对应信号传感器的车速信号18、转向盘转角信号20、横摆角速度信号21，分 析运些信号，查找ECU16预制的Map图，由ECU16向油累驱动电机13传递累油电机转速控制信 号15,控制电机转速，油累驱动电机13直接驱动双作用叶片累12从油箱11中累油到转阀24 中，油液在转阀24处分流，一部分液压油通过液压缸进油管路9流入液压缸7-侧，在液压缸 7两侧产生压差，推动液压缸活塞8移动，液压缸7另一侧的液压油再由回油管路6流回转阀 26,最终流回液压油箱11，由液压缸7两侧的压差为电控液压助力转向提供助力，同时，一方 面ECU 16接收来自油累驱动电机13的电机转速信号17，对电机转速进行PID控制，对传递给 电机的转速控制信号15进行修正，另一方ECU16接收来自与液压缸相连的压力传感器传递 的液压缸压差信号22,与理想的助力压力进行比较，通过鲁棒控制方法，调节电机电压输 出，使得压力维持在理想值附近（± 1 % )，帮助驾驶员完成转向。
[0067]实施例2多学科协同优化方法
[006引本实施例中，所使用的建模软件为MATLAB-Simuli址，优化软件为isight;
[0069] 本实施例采用实施例1所述系统进行多学科优化计算，具体步骤如下：
[0070] 步骤1:依据《转阀式液压助力转向系统建模与仿真分析》（石培吉，北京理工大 学）、《无刷直流电机控制系统》(夏长亮，科学出版社）、《电控液压助力转向系统的设计研 究》(张君君，江苏大学）、《电动液压助力转向系统控制策略及其能耗分析方法》(苏建宽等， 机械设计与制造)文献公开的方法，建立电动液压助力转向系统模型、整车动力学模型，W 及能耗模型，其中电动液压助力转向系统模型包括电机模型、转向盘模型、齿轮齿条模型、 转向累模型、转阀模型、输入和输出轴模型、液压位置伺服控制模型、轮胎模型，通过建立转 向系统模型、能耗模型，为后续步骤的转向系统仿真及优化奠定基础；
[0071 ]步骤2:建立优化指标模型，包括转向系统能耗模型、灵敏度模型、路感模型，将运 =个数学模型作为转向系统设计的评价指标；
[0072] 其中，转向系统能耗量化公式为：
[0073] E = Pm-1oss+P v-loss+P pump-loss
[0074] 其中Pm-Idss为电机能量损耗，Pv-Idss为转阀能量损耗，Ppump-lDss为液压累能量损耗，E 为总能量损耗
[007引 Pm-Ioss = Udi-时 iw [0076；
[0077：
[0078；
[0079；
[0080；
[0081；
[0082] 其中，AP为液压缸活塞面积，A为阀间隙的油流量面积，N为转阀阀口数，L为转阀口 狭口长度，W为转阀阀口间隙宽度，Cq为阀间隙的流量系数，Qs为转阀进油量，Xr为齿轮齿条 位移；
[0083] Ppump-Ioss = Psqn-PsQs
[0084]
[0085]
[0086]
[0087]
[0088] 式中，S(S)为经拉普拉斯变换后的前轮转角，0s(s)为经拉普拉斯变换后的方向盘 转角，e(s)为经拉普拉斯变换后的横摆加速度，(1) (S)为经拉普拉斯变换后的质屯、侧偏角， Wr(S)为经拉普拉斯变换后的横摆角速度，n为双作用叶片累的转速，n为转向输出轴到前轮 的传动比，a为汽车质屯、到前轴距离，U为汽车车速，d为为车辆1/2轮距，El为侧倾转向系数， kl、k2为前轮侧偏刚度，mr为齿条质量，巧为小齿轮半径，nl为转向系统转向盘转角到前轮 转角的传动比Jm为电机与油累的转动惯量，化为齿条阻尼系数，Bm为电机与油累的粘性阻 尼系数，nv为油累的容积效率，Cq为阀间隙的流量系数，K为电机助力系数，Ka为转向助力电 机转矩系数，Ks为转矩传感器刚度，kTT为转向轴与扭杆的综合刚度；
[0089] 路感量化公式为：
[0090]
[0091] 式中，Th为转向盘输入转矩，Tr为转向螺杆的助力转矩，q为粟的排量，B为定子厚 度，R2为定子长轴半径，Ri为定子短轴半径，Z为叶片累叶片数，t为叶片厚度；
[0092] 3) W转向路感，灵敏度，能耗建立转向系统优化目标函数，同时W转向灵敏度的能 量值范围作为约束条件，建立电控液压助力转向系统多目标优化模型，电控液压助力转向 系统优化的目标函数f(x)为：
[0093]
[0094] 式中：路感函数f (Xi)为路面信息有效频率范围(0，《〇)的频域能量平均值，优化方 案中CO 0 = 40Hz ;灵敏度函数f (X2)为路面信息有效频率范围（0，《 0)的频域能量平均值;f (X3)为转向系统能耗；
[0095] 在优化过程中，函数满足2.8 X 1(T6 y (X2) < 8.6 X 1(T6的约束条件；
[0096] 4)将定子厚度B，电机与油累的转动惯量Jm,转矩传感器刚度Ks,小齿轮半径液 压缸活塞面积Ap,转阀阀口间隙宽度W，作为电控液压助力转向系统的设计变量；
[0097] 5)采用协同优化方法对电控液压助力转向系统进行结构分解，对系统进行划分， 划分为转向能耗系统，灵敏度系统，路感系统。总系统采用多岛遗传算法，子系统采用化PQL 算法，对电控那个液压助力转向系统4)中设计变量进行优化，得到最优解。优化目标函数值 低于优化前，则认为优化有效。
[0098] 所述协同优化方法，其特征在于，其结构或实施流程为：
[0099] 51)建立多目标协同优化模型，W转向路感，灵敏度，能耗的综合数学模型f (X)作 为系统级优化目标，再分别W转向路感、灵敏度、能耗为子系统，构建多学科协同优化模型。
[0100] 系统级优化模型：
[0101]
[0102] 式中，Z为系统级优化器中的设计变量向量;F(Z)为系统级优化器的目标函数;Ri 为系统级优化器和子系统级优化器的等式一致性约束条件，同时，也是各个子系统的目标 函数，松弛因子e在此取0.001。
[0103] W转向灵敏度作为第一子系统，则子系统一优化模型为：
[0104]
[0105] 型为：
[0106]
[0107] 型为：
[010 引
[0109] 通巧上答《统的候型分化，电巧汲压助力转问系统的多学科协同优化模型可表 述为:根据W上模型，在isight软件中建立对应的电控液压助力转向系统多学科协同优化 模型，在总系统中按照选取多岛遗传算法作为优化算法，在子系统中都选取NLP化算法作为 优化算法，按照默认步长进行优化，得到最终的优化结果。
[0110] 优化工况为汽车WSOkmA行驶，方向盘转动角度为25°
[0111] 表1协同优化前后各设计变量及性能指标对比表
[0112]
[0113] 经比较，转向路感有所提高，转向灵敏度在合理范围之内，转向能量消耗降低，优 化效果显著。
[0114] W上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型掲露的技术范围内，可轻易想到 的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该 W权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种电控液压助力转向系统，其特征在于，包括转向机械部分、液压助力部分、信号 传感器部分和电子控制单兀E⑶； 所述转向机械部分包括依次连接的转向盘、转向轴、转阀、齿轮齿条转向器以及两端连 有车轮的转向横拉杆，转向横拉杆上设有液压缸，转向轴上设有扭矩传感器； 所述液压助力部分包括顺序连接的油壶，吸、回油管路，双作用叶片栗，连接转阀与液 压缸的液压缸进油管路和液压缸回油管路，与双作用叶片栗直接相连的叶片栗驱动电机， 转阀不仅与转向轴、齿轮齿条转向器机械连接，还与叶片栗、液压缸通过液压管路相连； 所述传感器部分包括转向轴上的扭矩传感器，车速传感器，电机转速传感器，与液压缸 相连的压力传感器，方向盘转角传感器，纵向加速度传感器，横摆角速度传感器； 所述电子控制单元ECU与各传感器部件连接。2. 根据权利要求1所述的一种电控液压助力转向系统，其特征在于，所述叶片栗驱动电 机为无刷直流电机。3. 根据权利要求1所述的一种电控液压助力转向系统，其特征在于，所述电子控制单元 ECU用于接收各传感器部件发出的电信号，并向叶片栗驱动电机发出控制信号。
【文档编号】B62D5/06GK205524447SQ201620260576
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】崔滔文, 赵万忠, 王春燕
【申请人】南京航空航天大学