一種適用於汽車線控轉向的硬體在環試驗臺的製作方法
2023-08-08 03:24:11
本實用新型涉及汽車轉向技術領域，具體設計一種適用於汽車線控轉向的硬體在環試驗臺。
背景技術：
汽車線控轉向系統性能直接影響汽車行駛過程中的操縱穩定性、安全性和舒適性。汽車轉向系統經歷了傳統的機械轉向、液壓助力轉向系統和電動助力轉向系統等階段，對駕駛員的操縱、乘坐體驗有了較大提升。上述轉向系統的共同點是操縱機構和轉向執行機構之間存在機械連接，傳動比固定，車輛的轉向特性隨車速發生變化。當前汽車電子控制技術迅猛發展促進了汽車轉向系統技術上的改革與創新。線控轉向技術已開始被一些車企認可與應用，自上世紀開始各大汽車公司和高校已開始針對線控轉向進行研究。線控轉向系統取消了操縱機構和轉向執行機構之間的機械連接，通過電子控制單元將駕駛員轉向意圖傳遞給轉向執行機構並實時反饋信息。線控轉向技術的電子控制單元可以設置任意傳動比，從而擺脫了傳統轉向傳動比固定的限制，使得車輛轉向特性不隨車速發生變化，提升車輛駕駛主動安全性和穩定性。
汽車轉向系統從研發到量產應用需要經歷物理樣機設計、臺架試驗、實車測驗和調校完善等一系列階段。線控轉向系統取消了操縱機構和轉向執行機構之間的機械連接，控制系統中控制邏輯較為複雜，可靠性和安全性有待進一步驗證，因此為避免不必要的安全意外，在進行實車試驗之前需要對系統的軟、硬體進行充分調試，直到系統具有最佳性能。因此，線控轉向硬體在環實驗臺的搭建對線控轉向系統的開發極為重要。
因為線控轉向硬體在環實驗臺需要反映汽車在轉向過程中會受到環境施加到車輪上的外力，所以對路面轉向阻力的模擬是試驗臺架的重要組成部分，用以模擬車輛轉向過程中車輪受到的路面外力在主銷位置上形成的力矩。
目前阻力模擬形式多樣，典型的方式有彈簧加載式、千斤頂加載式、電液伺服式、磁粉制動式及電機加載式；如申請號200820081713.5採用一端固定彈簧模擬阻力，模擬阻力大小與彈簧的壓縮量或伸長量呈線性關係，一旦彈簧選型完成，彈簧剛度保持不變，阻力模擬只與彈簧形變量有關，但阻力模擬大小不受控制，精確度不能滿足實驗要求，不能反映實際車輛轉向過程中的受外力情況。申請號201010191612.5採用電液系統進行阻力模擬，採用伺服閥對於液壓缸進行阻力模擬控制，由於液壓系統設備要求較高，成本高昂，且佔用空間較大，結構複雜，同時液壓系統存在漏油隱患，目前尚無法有效解決，另外液壓系統輸出存在一定滯後性，不能滿足仿真的實時性要求。申請號201310274371.4採用電機進行阻力模擬，電機安裝在轉向執行機構上，電機輸出軸與轉向執行機構齒條嚙合以模擬轉向阻力，未考慮到現實情況外界環境是通過輪胎反映轉向阻力，不能完全反映現實情況。
技術實現要素：
本實用新型針對現有技術的不足，提出了一種適用於汽車線控轉向的硬體在環試驗臺，在設計的轉矩模式下，通過阻力模擬電機控制器進行力矩控制以實現快速動態加載。
為了解決上述技術問題，本實用新型的技術方案如下：一種適用於汽車線控轉向的硬體在環試驗臺，包括支撐裝置、轉向執行系統、阻力模擬系統、兩個轉向節，實時仿真平臺和信號傳遞線纜，其特徵在於：支撐裝置作為基架安裝有轉向執行系統、轉向節及其安裝組件與實時仿真平臺，結構簡單便於實驗室布置；在轉向執行系統通過與轉向器齒條球銷連接的轉向橫拉杆利用螺栓連接在轉向節臂上，阻力加載電機與減速裝置通過外殼螺栓連接固定，並通過螺栓安裝在阻力模擬系統支撐板上，阻力電機輸出軸經過減速器減速增扭，通過鍵連接作用在轉向節主銷位置上，轉向節在轉向執行系統與阻力模擬系統的共同作用下運動，表徵車輛轉向輪轉向時的運動姿態，高度模擬的實車轉向系統；支撐裝置由鋁型材經過鑄鋁角件固定架構而成，在鋁型材導軌方向上可通過鬆緊鑄鋁角件調節各鋁型材杆件的相對位置，通過調節鋁型材杆件與更換轉向器，形成不同的輪距與轉向梯形，可以滿足模擬不同車型轉向系統；
支撐裝置包括：底部支撐架、左右轉向節懸掛杆、轉向執行系統支撐板、左右轉向節支撐板；所述的底部支撐架包括底座、轉向執行系統支撐板安裝杆、座椅滑軌導向杆和轉向節臂懸掛杆穩定杆；所述底座包括左右縱梁、前中後三根橫梁及兩根橫向調節的縱嚮導向杆；所述轉向執行系統支撐板安裝杆垂直於水平面安裝在縱嚮導向杆上可以縱向調節；所述轉向執行系統支撐板平行於水平面安裝在轉向執行系統支撐板安裝杆上；所述轉向節臂懸掛杆垂直於水平面安裝在安裝底座的前橫梁上，平行於前橫梁且垂直於節臂懸掛杆安裝轉向節臂懸掛杆穩定杆對整個支撐裝置進行加固；
所述支撐裝置由鋁型材經過鑄鋁角件固定架構而成，在鋁型材導軌方向上可通過鬆緊鑄鋁角件調節各鋁型材杆件的相對位置，通過調節鋁型材杆件與更換轉向器，形成不同的輪距與轉向梯形，可以滿足模擬不同車型轉向系統；
所述轉向執行系統包括轉向執行電機、齒輪齒條轉向器、齒條、左右轉向橫拉杆、轉向執行電機控制器；齒輪齒條轉向器整體呈L形，水平設置在轉向系統支撐板上；轉向執行電機固定在轉向器殼體上，轉向執行電機輸出軸伸入電機安裝孔內；轉向執行電機經過蝸輪蝸杆、齒輪齒條兩級減速機構將電機旋轉運動轉變為齒條線性運動；齒條兩端通過球銷與轉向橫拉杆連接；每個轉向橫拉杆另一端與轉向節的轉向節臂鉸接；轉向執行電機的輸入端通過線纜與轉向執行電機控制器的輸出端連接，轉向執行電機控制器的輸入端與實時仿真平臺的一個輸出端相連；
所述阻力模擬系統包括左右阻力模擬電機、左右減速裝置、阻力模擬電機控制器、左右轉向節及其支撐裝置；減速器外殼與阻力模擬電機支撐板上板通過螺栓固定；減速器外殼與阻力模擬電機外殼通過螺栓固定；阻力模擬電機的輸入端通過線纜與阻力模擬電機控制器的輸出端連接，阻力模擬電機控制器的輸入端與實時仿真平臺的一個輸出端相連；
所述轉向節安裝裝置包括主銷、轉向節支撐板、下軸承、上軸承、阻力模擬系統支撐板組成，轉向節支撐板通過螺釘、螺母固定在轉向節臂懸掛杆外側，主銷通過上下軸承被固定在轉向節支撐板和阻力模擬系統支撐板之間並可以繞垂向自由轉動；轉向節夾持在主銷上，可隨主銷繞垂向自由轉動以模擬汽車轉向輪運動學特性；減速器輸出軸與主銷鍵連接，減速器輸入軸與阻力模擬電機輸出軸夾持固定。
對上述技術方案的改進：實時仿真平臺作為阻力加載實驗臺的測控系統核心，利用其信息採集模塊經由阻力模擬電機控制器，解算並採集光電編碼器輸出得到的轉向節轉角信息；阻力模擬電機控制器設定為轉矩控制模式，通過對收取實時仿真平臺輸出的DA信號處理運算驅動阻力模擬電機加載阻力大小和方向；轉向執行電機控制器設定為轉角閉環控制模式，轉向執行電機控制器根據實時從CAN總線上獲取的期望前輪轉角與實際前輪轉角信息，驅動轉向執行電機對轉向節進行角度閉環控制；工業計算機通過TCP/IP協議與實時仿真平臺軟體連接，負責測控程序的下載和實時數據監控。
對上述技術方案的進一步改進：阻力模擬系統採用低慣量交流伺服電機，在設計的轉矩模式下通過阻力模擬電機控制器進行力矩控制以實現快速動態加載；阻力加載過程中，可以根據實時仿真平臺中運行的整車動力學模型計算獲得車輪受到路面轉矩作為目標加載力矩，可以動態模擬不同車速、不同轉向意圖下的轉向工況，通過實時仿真平臺軟體中的DA通道經過阻力模擬控制器進行高精度動態阻力加載。
對上述技術方案的更進一步改進：利用工業計算機上安裝的軟體操縱界面可實時調整阻力控制系統加載參數，並可實時監測實驗結果且具備數據儲存功能。
對上述技術方案的更進一步改進：不同的控制系統由不同的電源驅動，其中，上位機、實時仿真系統、阻力電機有220V交流電源供電；阻力模擬電機控制器、轉向驅動系統控制器、編碼器有5V直流電源供電；轉向驅動電機由12V直流電源供電。
有益效果：
1、本實用新型根據實時仿真平臺中運行的整車動力學模型計算獲得車輪受到路面轉矩作為目標加載力矩，可以動態模擬不同車速下的轉向工況。
2、本實用新型轉向阻力作用形式為作用在主銷上的阻力矩，生動形象反映轉向姿態，真實反映了車輛轉向系統運動學特性。
3、本實用新型可以通過改變阻力模擬電機控制器中阻力模擬系統控制算法，以比較不同控制算法下的控制效果，針對不同情況確定理想控制算法。
4、本實用新型實時仿真平臺可以與上位機實時通訊，便於監視獲取轉向過程中的轉角、阻力矩信息，為後期數據分析提供依據。
5、本實用新型支撐裝置結構簡單，可供調整，方便實驗室安裝布置且具有一定通用性適用於模擬不同車型的轉向系統。
附圖說明
圖1 本實用新型所述的一種適用於汽車線控轉向的硬體在環試驗臺所述的原理圖。
圖2 本實用新型所述的一種適用於汽車線控轉向的硬體在環試驗臺所述的三維總成圖。
圖3 本實用新型所述的一種適用於汽車線控轉向的硬體在環試驗臺所述的支撐裝置結構示意圖。
圖4 本實用新型所述的一種適用於汽車線控轉向的硬體在環試驗臺所述的齒輪齒條轉向器傳動原理圖。
圖5 本實用新型所述的一種適用於汽車線控轉向的硬體在環試驗臺所述的轉向節安裝裝置結構示意圖。
圖6 本實用新型所述的一種適用於汽車線控轉向的硬體在環路面阻力模擬試驗臺所述的控制系統部分的結構框圖。
圖中：支撐裝置1、轉向執行系統2、阻力模擬系統3、轉向節4、實時仿真平臺5、信號傳遞線纜6；
支撐裝置1包括：底部支撐架1-1、左右轉向節懸掛杆1-2和1-12、轉向執行系統支撐板1-3、轉向節臂懸掛杆穩定杆1-4、左右轉向節支撐板1-5和1-6,左右阻力模擬系統支撐板1-7和1-8；
底座包括前中後三根橫梁1-9、1-10、1-11，座椅滑軌導向杆1-13和1-14、轉向執行系統支撐板安裝杆1-15和1-16、縱嚮導向杆1-17和1-18、左右縱梁1-19和1-20；
右轉向節安裝裝置包括：右轉向節支撐板1-6、右阻力模擬系統支撐板1-8、下軸承1-21、主銷1-22、上軸承1-23；
轉向執行系統包括：轉向執行電機2-1、齒輪齒條轉向器2-2、齒條2-3、左右轉向橫拉杆2-4和2-5、轉向執行電機控制器2-6轉向蝸杆2-7與轉向蝸輪2-8配合連接、蝸輪2-8、小齒輪2-9；
每個轉向橫拉杆另一端與轉向節的轉向節臂4-3和4-4鉸接；轉向執行電機的輸入端通過線纜與轉向執行電機控制器2-6；
阻力模擬系統包括：左右阻力模擬電機3-1和3-2、左右減速裝置3-3和3-4、左右角位移傳感器3-5和3-6、阻力模擬電機控制器3-7和3-8；
轉向節包括：左右轉向節4-1和4-2、轉向節臂4-3和4-4。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本實用新型進一步說明
如圖2所示，一種適用於汽車線控轉向的硬體在環試驗臺，包括支撐裝置1、轉向執行系統2、阻力模擬系統3、兩個轉向節4，實時仿真平臺5和信號傳遞線纜6，根據圖2和圖3所示，支撐裝置1包括：底部支撐架1-1、左右轉向節懸掛杆1-2和1-12、轉向執行系統支撐板1-3、左右轉向節支撐板1-5和1-6；所述的底部支撐架包括底座、轉向執行系統支撐板安裝杆1-15和1-16、座椅滑軌導向杆1-13和1-14和轉向節臂懸掛杆穩定杆1-4；所述底座包括左右縱梁1-19和1-20、前中後三根橫梁1-9、1-10、1-11及兩根橫向調節的縱嚮導向杆1-17和1-18；所述轉向執行系統支撐板安裝杆1-15和1-16垂直於水平面安裝在縱嚮導向杆1-17和1-18上可以縱向調節；所述轉向執行系統支撐板1-3平行於水平面安裝在轉向執行系統支撐板安裝杆1-15和1-16上；所述轉向節臂懸掛杆1-2和1-12垂直於水平面安裝在安裝底座的前橫梁1-9上，平行於前橫梁1-9且垂直於節臂懸掛杆1-2和1-12安裝轉向節臂懸掛杆穩定杆1-4對整個支撐裝置進行加固；所述支撐裝置都由鋁型材通過鑄鋁角鐵連接而成，在所安裝軌槽方向上存在線位移自由度，便於調節轉向執行系統與阻力加載系統安裝位置。
如圖2和圖4所示所述轉向執行系統包括轉向執行電機2-1、齒輪齒條轉向器2-2、齒條2-3、左右轉向橫拉杆2-4和2-5、轉向執行電機控制器2-6；齒輪齒條轉向器2-2整體呈L形，水平設置在轉向系統支撐板1-3上；轉向執行電機2-1固定在轉向器2-2殼體上，轉向執行電機2-1輸出軸伸入電機安裝孔內；轉向執行電機2-1輸出軸上固連轉向蝸杆2-7，轉向蝸杆2-7與轉向蝸輪2-8配合連接；蝸輪2-8轉動軸上固連的小齒輪2-9與轉向齒條2-3配合連接；齒條2-3兩端通過球銷與轉向橫拉杆連接2-4和2-5；每個轉向橫拉杆另一端與轉向節的轉向節臂4-3和4-4鉸接；轉向執行電機的輸入端通過線纜與轉向執行電機控制器2-6的輸出端連接，轉向執行電機控制器2-6的輸入端與實時仿真平臺5的一個輸出端相連。
如圖2和圖3所示，所述阻力模擬系統包括左右阻力模擬電機3-1和3-2、左右減速裝置3-3和3-4、阻力模擬電機控制器3-7和3-8、左右轉向節4-1和4-2及其支撐裝置1-5、1-7和1-6、1-8；所述轉向節安裝裝置以右側為例包括主銷1-22、轉向節支撐板1-6、下軸承1-21、上軸承1-23、阻力模擬系統支撐板1-8組成，轉向節支撐板1-6通過螺釘、螺母固定在轉向節臂懸掛杆1-12外側，主銷1-22通過上下軸承1-21和1-23被固定在轉向節支撐板1-6和阻力模擬系統支撐板1-8之間並可以繞垂向自由轉動；右轉向節4-2夾持在右主銷1-22上，可隨主銷1-22繞垂向自由轉動；減速器3-4輸出軸與主銷1-22鍵連接，減速器3-4輸出軸與阻力模擬電機3-2輸出軸夾持固定；減速器3-4外殼與阻力模擬系統支撐板1-8上板通過螺栓固定；減速器3-4外殼與阻力模擬電機3-2外殼通過螺栓固定；阻力模擬電機3-2的輸入端通過線纜6與阻力模擬電機控制器3-8的輸出端連接，阻力模擬電機控制器3-8的輸入端與實時仿真平臺5的一個輸出端相連。
如圖6所示：不同的控制系統由不同的電源供電，其中，上位機、實時仿真系統、阻力電機有220V交流電源供電；阻力模擬電機控制器、轉向驅動系統控制器、編碼器有5V直流電源供電；轉向驅動電機由12V直流電源供電。
硬體在環路面阻力模擬實驗臺的工作過程如下：
如圖1和圖2所示，上位機向實時仿真平臺5傳遞目標轉角信號δ_target，以模擬駕駛員轉向意圖。同時實時仿真平臺5以20ms頻率收取實際轉角δ_real信號，其中實際轉角δ_real由與阻力模擬電機3-1一體化的編碼器3-5採集得到。實時仿真平臺5將目標轉角信號δ_target與實際轉角信號δ_real發送到轉向執行電機控制器2-6，轉向執行電機控制器2-6根據事先刷寫設置的控制方法對目標轉角信號δ_target與實際轉角信號δ_real進行處理運算，生成合適的PWM信號經過功率電路驅動轉向執行電機2-1動作。轉向執行電機2-1經過轉向器2-2驅動轉向節4-1繞主銷軸線轉動。與轉向節4-1固連的主銷1-22轉動後，經過減速器3-3帶動阻力模擬電機3-1運動，而與阻力模擬電機3-1一體化的的編碼器3-5能夠採集到角位置相對變化。編碼器3-5將實時的實際轉角δ_real經過阻力模擬電機控制器3-7發送到實時仿真平臺5，嵌套於實時仿真平臺5中的汽車系統動力學仿真軟體根據實際轉角信號δ_real計算得到道路阻力T_resistance,並反饋到阻力模擬電機控制器3-7中，阻力模擬電機控制器3-7驅動阻力模擬電機3-1產生指定大小與方向的力矩，經過減速器3-3後作用在主銷1-22位置上以模擬轉向阻力。當目標轉角信號δ_target與實際轉角信號δ_real相近後，轉向執行電機2-1作用在轉向節4-1繞主銷軸線的力矩與阻力模擬電機3-1經過減速器3-3作用在主銷1-22力矩形成的合力矩逐漸趨於0，完成轉向動作。上位機可以通過總線與實時仿真平臺5連接，實時獲取阻力模擬實驗臺工作過程中的各類數據，便於後期分析線控轉向控制策略。