汽车主动悬架及电动转向系统模拟实验装置的研究与开发

姜绍忠，张希通

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

现代汽车悬架分为被动悬架和主动悬架2种。被动悬架因为具有固定的弹簧悬架刚度和减振器阻尼系数，在结构设计上只能是满足平顺性和操纵稳定性之间矛盾的折衷，无法达到悬架控制的理想境界。主动悬架能够根据汽车的行驶条件的变化而对悬架的刚度和阻尼进行动态的自适应调节，使悬架系统始终处于最佳减震状态。目前，主动悬架在国外发达国家豪华汽车上已被广泛采用，在高速客车和豪华城市客车上的使用率已达100%。

电动转向系统（简称EPS）使用电动机的动力帮助驾驶员进行转向。该系统能够显著改善汽车的动态性能和静态性能，提高行驶中驾驶员操纵的舒适性和安全性，节能环保。

现代汽车上，主动悬架系统和电动助力转向系统之间存在着相互作用、相互影响的关系。主动悬架系统对于转向系统有着十分重要的辅助功能，而主动悬架本身的工作也需要包括电动转向等系统性的支持（如，转角信号等）；同时，在总线控制系统中，主动悬架ECU与电动转向ECU之间还存在着相互传递信息的关系。所以有必要将主动悬架系统与电动转向系统进行综合性和系统性研究。

目前，国内对于诸如主动悬架以及电动转向系统的研究还处于起步阶段，缺乏必要的研究手段。因此，研发汽车主动悬架及电动转向系统模拟实验装置可以作为科学研究的辅助工具，通过该实验装置获取原车主动悬架以及电动转向系统的控制策略。同时，利用该模拟实验装置，将使学校教学和培训过程变得更加方便、直观。

1 主动悬架及电动转向模拟实验装置总体结构设计

1.1 控制策略及需要模拟的信号

主动悬架及电动转向系统模拟实验装置控制策略如图1所示。

需要模拟的主要信号包括：车速信号；加速度信号；减振器阻尼信号；转向盘转矩信号；高度控制信号；制动信号。

1.2 辅助部分组成及产品软件部分开发

辅助部分包括开关电源、悬架高度显示、故障模拟设置、诊断连接线及诊断接口等。

软件部分设计要求能够实现对系统数据采集、故障诊断、数据流分析。同时，将计算机软件、多媒体技术和虚拟仿真技术与主动悬架与电动转向系统总成实训台软硬件交互、虚实融合，从而有利于科学研究及教学培训等。

图1 主动悬架及电动转向系统模拟实验装置控制策略图

1）利用SolidWorks，对系统进行三维建模并利用此模型用3D软件对系统主要控制过程进行动画制作。

2）利用Flash，对转向、高度、阻尼控制过程进行二维动画阐释。

3）专业诊断软件开发。

4）教学资源软件系统的加密、解密设计。

2 实验台架的设计与加工制作

实验台的设计制作要有利于研究、培训、实验、实训教学；同时，还要达到安全可靠、操作方便、结构稳定、造型美观的要求。实验台架采用钢质结构，要求造型美观、合理、安全。实验台架上部放置面板图、显示器、电子仪表，与面板连接的部分是钢制的底部盘支架部分，用于放置主动悬架和电动助力转向系统。为便于学习，主动悬架与电动助力转向系统的安装位置与实车大体一致。为方便实验台移动，在实验台的4角分别制作有4个脚轮，前脚轮上都设置了锁止装置防止实验台自由滑动。根据主动悬架系统与电动助力转向系统的外廓尺寸，利用SolidWorks软件对模拟实验装置的台架总体结构进行建模设计，作为台架制作的依据，如图2和图3所示。

图2 台架设计建模

图3 台架实物制作

3 实验台面板及数字仪表控制电路的设计

实验台的面板如图4所示。

实验台的面板是进行研究应用、实训教学、电路分析、故障诊断与排除的主要平台，是实验台总体设计中的极其重要和关键的一环。主动悬架及电动转向系统模拟实验台的面板主要由4个部分组成。第1部分和第2部分分别为主动悬架系统电路图和电动转向系统电路图部分；第3部分为数字式信号显示器；第4部分为执行器的工作指示灯。当执行器处于工作状态时，指示灯会闪亮。

图4 主动悬架及电动转向系统实验台面板示意图

模拟实验装置数字仪表的工作电压为直流5 V。为了能够使其正常工作，必须为其提供合适的工作电压。汽车上采用的是12 V直流电，因此该实验台采用78系列集成稳压块（三端集成稳压器）将12 V直流电压变为5 V直流电压为仪表提供工作电源。7805稳压块的外形结构及原理如图5和图6所示。

图5 稳压块结构简图

图6 稳压块稳压原理图

4 基于实车的多媒体制作

本实验装置的硬件部分可以模拟再现原车运动状态、数据检测及故障设置；与硬件对应的适合于学校教学及培训机构使用的演示软件。例如，空气弹簧和阻尼器总成是主动悬架系统的重要组成部分，然而由于该总成部件对于密封性的要求极其严格，整个部件采取了整体焊接工艺。因此，对于其内部的结构、形状及其安装位置无法从外观上看到。为了解决这个问题，通过切割的形式，将完整的主动悬架系统中的主要部件如空气弹簧进行了剖切，使其内部机构可视化，然后进行尺寸测量，并通过SolidWorks软件对空气弹簧和阻尼器总成进行三维建模，根据建好的模型利用3DVIA Composer对其进行动画制作展示，如图7所示。

图7 三维动画制作

本模拟实验装置配置了自主开发的USB数据诊断线和诊断软件，利用该诊断线可以实现PC机与模拟实验装置的通讯连接，实现对主动悬架系统的检测、匹配、读码、清码、数据流读取等原厂功能。

5 结束语

本研究开发的主动悬架及电动转向系统模拟实验装置有机地将主动悬架和电动转向系统集成在一起。利用该装置可以方便、直观地了解汽车主动悬架和电动转向系统的组成、各部件的结构和安装位置，可以模拟汽车不同行驶状况和姿态变化时悬架系统的动作过程，可以通过仪器对系统工作进行实时监测，也可以及时进行故障设置与检测，为现代汽车新技术的主动悬架系统以及电动转向系统的研究以及教学提供了较好的支持。

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