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汽车电动助力转向系统操纵性能分析和模型仿真研究

杨芬  
【摘要】: 汽车电动助力转向系统EPS(Electric Power Steering)是一种新型转向系统,具有节约燃料、减轻自重、安装和维修方便、提高主动安全性、有利于环保等一系列优点,正逐步取代传统的液压助力转向系统HPS(Hydraulic Power Steering),成为世界汽车技术发展的研究热点之一,目前对这种转向系统进行研究和开发是十分必要的。 本文对基于蜗轮蜗杆直接助力式EPS和蜗轮蜗杆—差动轮系传动的EPS机构进行了运动学和动力学分析,总结了基于这两种减速传动机构的EPS各自优缺点;按照EPS系统机构参数的选择原则确定电机类型;按照机械设计及汽车设计理论确定蜗轮蜗杆、差动轮系和转向轴参数;采用MATLAB函数对蜗轮蜗杆各参数进行优化,以此作为建模的依据。 研究了转向梯形机构的组成和作用,按照汽车梯形机构的设计方法,先设计整体式梯形机构;再确定分段式转向梯形机构各参数,并采用解析法和模型法同时验证了所设计梯形参数的合理性,使得车辆在转向过程中内外轮实际转角接近理想的阿克曼转角;分析了转向系受力与操纵稳定性的关系;选择别克轿车和法拉利跑车的车型参数,研究表征汽车操纵稳定性的稳态响应和频率响应;利用MATLAB分析不同车速下各车型横摆角速度变化曲线,并独立开发安装EPS系统汽车的操纵稳定性分析平台。 研究EPS助力系统现存的直线型、折线型和曲线型三种助力曲线各自的优缺点,确定基于蜗轮蜗杆—差动轮系传动机构时EPS系统的直线型助力特性曲线的各项参数;确定基于该转向系统的直线型的理想方向盘转矩和电机助力矩线图;利用数据拟合法确定了车速感应系数曲线;建立基于蜗轮蜗杆—差动轮系减速传动机构的转向系三维模型,仿真分析了在有无助力情况下方向盘阶跃输入时齿条的位移、速度曲线以及车轮转角变化的曲线,该曲线反映同样方向盘输入情况下有助力时内外轮转角明显大于无助力时,为后续研究EPS系统控制系统奠定了基础。 通过上述研究全面的分析了蜗轮蜗杆—差动轮系机构EPS系统相对与目前已在国外应用的直接式蜗杆助力机构EPS的优点,模型仿真有利的揭示了基于该传动机构EPS系统的优越性,为EPS系统的后续研究和开发提出一种新见解。


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