2009产品创新数字化峰会征文：基于ADAMS的汽车EPS系统仿真分析方法研究

2009产品创新数字化峰会征文：基于ADAMS的汽车EPS系统仿真分析方法研究 2009产品创新数字化峰会征文:基于ADAMS的汽车EPS系统仿真分析方法研究 摘要:深入研究汽车电动助力转向(EPS)系统工作原理的基础上建立了EPS系统三维模型，该模型采用了轮系构成减速机构，然后探讨了将Pro/E图形转换到ADAMS环境中进行仿真分析的方法，该方法能够避免直接在ADAMS软件中建立模型的诸多缺陷，更好地发挥了ADAMS软件在动力学分析方面的优势，为EPS系统的设计及优化提供了良好的依据。 产品创新数字化峰会有奖征文火热进行中…… 1 引言 ADAMS机械系统自动化动力学分析软件，是由美国机械动力公司开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，其建模仿真的精度和可靠性在现在所有的动力学分析软件中名列前茅。它为用户提供了强大的建模、仿真环境，具有十分强大的运动学和动力学分析功能，其应用覆盖汽车、工程机械、铁道、船舶、航空航天等行业[1]。ADAMS可以像建立物理样机一样建立任何机械系统的虚拟样机。首先建立运动部件，用约束将它们连接，而后通过装配成为系统，再利用外力或运动将他们驱动，形成仿真模型在机械及车辆系统设计研究过程中，除了对样机进行建模、仿真分析和数据处理外，还要对样机的各种特性进行深入分析。转向系统是汽车的主要子系统之一，其性能直接关系到车辆的舒适性和安全性。运用ADAMS软件强大的动力学仿真优势，导入转向系统PRO/ENGINEER三维模型，在模型上施加力/力矩和运动激励，最后执行不同工况的运动仿真模拟，所得的结果近似转向系统工作的实际情况。动力学仿真软件ADAMS和Pro/E对复杂机械系统进行动力学仿真，解决了ADAMS在建模方面不利的缺点，是一种较实用的仿真方案。 2 EPS系统工作原理 EPS系统是继液压助力转向(Hydraulic Power Steering，简称HPS)系统后产生的一种新型动力转向系统。HPS系统已发展了半个多世纪，其技术已相当成熟。但随着汽车微电子技术的发展，对汽车节能 性和环保性要求不断提高，该系统存在的耗能、对环境可能造成的污染等固有不足已越来越明显，不能完全满足时代发展的要求[2]。EPS系统将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统，能显著改善汽车动态性能和静态性能、提高行驶中驾驶员的舒适性和安全性、减少环境的污染等。因此，EPS系统一经提出，就受到许多大汽车公司的重视，并进行开发和研究，未来的转向系统中EPS将成为转向系统主流。EPS系统纯粹依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构，其结构简单、零件数量大大减少、可靠性增强，解决了长期以来一直存在的液压管路泄漏和效率低下的问题，是转向系统的一次革命[3]。EPS系统符合现代汽车机电一体化的设计，由机械式转向装置、驱动电机、减速器、扭矩、扭矩传感器及控制单元等组成，EPS系统结构与原理如图1所示。 EPS系统根据作用在方向盘上的转矩信号和车速信号，通过电子控制装置使电机产生相应大小和方向的辅助力，协助驾驶员进行转向操纵，并获得最佳转向特性的反馈伺服系统。其基本的工作原理如下:该系统工作时，转向传感器检测到转向轴上转动力矩和转向盘位置两个信号，与车速传感器测得的车速信号一起不断地输入微电脑控制单元，该控制单元通过数据分析以决定转向方向和所需的最佳助力值，然后发出相应的指令给控制器，从而驱动电机，通过助力装置实现汽车的转向。通过精确的控制算法，可任意改变电机的转矩大小，使传动机构获得所需的任意助力值。 图1 EPS系统工作原理图 3 汽车EPS系统减速机构设计 减速比是减速机构最重要的参数，它对EPS系统以及整车的性能都有很大的影响。选择这个参数要同时考虑电动机的性能指标以及转向系统的特殊工况。转向系统的工作特点是:转向盘速度范围很大,可以从保舵到每秒数圈[4]。作为助力转向系统,应该在这个转向速度范围内都能够提供助力,其最低要求就是至少不能阻碍转向动作。 图2 EPS系统减速传动机构图 如图2所示的减速传动机构中，设齿轮3、5齿数为z、z，齿轮335的转速为n，齿轮5的转速为n，行星架H的转速为n，由轮系的传动35H 比有 整理得 由此可知，该方案中行星架H的转速即前轮等效到转向轴转速，其值为手动转向速度和电动机转速的合成，该方案具有两个自由度，当手动转向速度n确定，而电动机转速改变时，合成得到的转臂输出转速n3H也随之改变，因此可通过独立地调整电动机的转速来获得不同的转臂H输出转速n，故此方案下转向灵敏性可调[5]。 H