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原文传递一种基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统及优化方法

专利名称：	一种基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统及优化方法
摘要：	本发明公开了一种基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统及优化方法，系统包括：机械传动模块、磁流变液助力模块、电动助力模块、助力控制模块；该优化方法包括以下步骤：（1）建立齿轮齿条式电液转向系统模型、整车模型及轮胎模型，（2）选择系统优化目标，推导评价公式；（3）选择对转向性能影响大的参数为优化变量，（4）在转向灵敏度和优化变量取值范围的约束条件下，建立系统多目标优化模型；（5）采用基于参考点的多目标进化算法进行优化。本发明利用电动机与磁流变液两种助力方式，转向响应速度快，转向助力范围大，能量消耗少，并有效解决了转向路感、转向能耗和转向助力多个优化目标之间相互冲突的问题。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南京航空航天大学
发明人：	周小川;赵万忠;王一松;张自宇;汪桉旭;王春燕
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-02T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-21T00:00:00+0800
申请号：	CN201910002267.7
公开号：	CN109774785A
代理机构：	江苏圣典律师事务所
代理人：	贺翔
分类号：	B62D5/04(2006.01);B;B62;B62D;B62D5
申请人地址：	210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号
主权项：	1.一种基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统，其特征在于，包括：机械传动模块、磁流变液助力模块、电动助力模块、助力控制模块；所述的机械传动模块包括方向盘、转角传感器、转矩传感器、转向轴、齿轮齿条式转向器、横拉杆、左侧转向梯形、右侧转向梯形、左侧车轮及右侧车轮；转向轴的上端与方向盘相连，方向盘上安装转角传感器；转向轴的下端与齿轮齿条转向器的输入端连接，转向轴下端安装有转矩传感器；齿轮齿条式转向器包括转向齿轮，向心球轴承，转向齿条，弹簧，压块，调整螺母，转向器壳体；转向齿轮通过向心球轴承支承在转向器壳体内，转向齿轮的上端与转向轴连接，下端与水平布置的转向齿条相啮合，形成一对传动副；弹簧通过压块将转向齿条压靠在转向齿轮上，使转向齿条和转向齿轮无间隙啮合；调整螺母通过转向器壳体与弹簧相连，提供弹簧预紧力；转向齿条两端连接横拉杆，横拉杆右端通过右侧转向梯形与右侧车轮连接，横拉杆左端通过磁流变液助力模块连接左侧转向梯形及左侧车轮；所述的磁流变液助力模块包括磁流变液外壳、上金属板、下金属板、左圆锥滚子轴承、右圆锥滚子轴承、左受力板、右受力板、输入轴、输出轴、磁流变液材料、励磁线圈、供电单元；所述横拉杆被磁流变液助力模块打断分为左右两端打断处，横拉杆的左端打断处与输出轴连接，横拉杆的右端打断处与输入轴连接；输入轴依靠右圆锥滚子轴承支撑在磁流变液外壳上，通过右受力板与下金属板连接；输出轴依靠左圆锥滚子轴承支撑在磁流变液外壳上，通过左受力板与上金属板相连；磁流变液外壳包围了上下错开设置的上、下金属板及输入轴、输出轴；磁流变液外壳内部充满磁流变液材料；磁流变液外壳外部水平缠绕励磁线圈，供电单元与励磁线圈电气连接；所述的电动助力模块包括电动机，离合器，减速机构；电动机固定在转向轴一侧，并通过减速机构与转向轴连接，减速机构与电动机间设有离合器；所述的助力控制模块输入端分别与转矩传感器，转角传感器及车速传感器相连，其输出端与电动机、离合器、供电单元相连。 2.一种基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统的多目标优化方法，基于上述权利要求1所述的系统，其特征在于，包括步骤如下： (1)建立齿轮齿条式电液转向系统模型、整车模型及轮胎模型； (2)选择齿轮齿条式电液转向系统优化目标，并根据步骤(1)建立的模型，推导对应优化目标的评价公式； (3)以步骤(2)选择的系统优化目标为基础，进行性能分析；根据性能分析结果，选择对转向性能影响大的机械参数和磁流变液参数为优化变量； (4)在转向灵敏度和优化变量取值范围的约束条件下，建立齿轮齿条式电液转向系统多目标优化模型； (5)根据齿轮齿条式电液转向系统多目标优化模型，采用基于参考点的多目标进化算法，进行多目标参数优化。 3.根据权利要求2所述的基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统的多目标优化方法，其特征在于，所述齿轮齿条式电液转向系统模型包括：转向盘-转向轴模型、齿轮齿条转向器模型、磁流变液助力模块模型及电动助力模块模型。 4.根据权利要求3所述的基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统的多目标优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中的齿轮齿条式电液转向系统模型为：式中：Js为方向盘转动惯量，θs为驾驶员输入转角；Tdri为驾驶员输入力矩，Bs为转向轴阻尼系数，ks为转向传感器刚度，θe为转向齿轮转角，Jds为转向轴与减速机构的转动惯量，Bds为减速机构阻尼系数，G为减速机构减速比，Teps为电动机助力转矩，Tsen为转矩传感器输出力矩，Tw为齿轮齿条作用力，Jm1为电动机转动惯量，θm1为电动机转角，Bm1为电动机阻尼系数，Tem1为助力电机电磁转矩，mr为齿条质量，xr为转向齿条位移，Br为转向齿条阻尼系数，rp为转向齿轮半径，Fhyd为磁流变液助力模块提供的助力，Fz为转向齿条上的阻力；整车模型为：轮胎模型为：式中，Iz为汽车质量对z轴的转动惯量，ωr为横摆角速度，φ为车身侧倾角，Nr、Nβ、Nφ、Nδ分别为单位横摆角速度、单位质心侧偏角、单位侧倾角速度、单位前轮转角对z轴的力矩，u为纵向速度，m为整车质量，Ix为悬挂质量对x轴的转动惯量，β为质心侧偏角，α为前轮侧偏角，δ为前轮转向角，Ixz为悬挂质量对x、z轴的惯性积，d为轮距，GP为转向轴到前轮传动比，h为悬挂质心至侧倾轴线的距离，Lp、Lφ分别为单位侧倾角速度、单位侧倾角对x轴的外力矩，Yr、Yβ、Yφ、Yδ分别为单位横摆角速度、单位整车侧偏角、单位侧倾角、单位前轮转角引起的地面侧向反作用力，k1为前轮侧偏刚度，E1为弧度因子。 5.根据权利要求2所述的基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统的多目标优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中的优化目标包括：转向路感、转向助力、转向能耗；其中，转向路感公式为：转向助力公式为： Fforce＝Tw/rp+FMRF 转向能耗公式为： Fenergy＝Em+EMRF+Emotor+Eecu 式中，Em表示机械传动模块能耗，EMRF表示磁流变液助力模块能耗，Emotor表示电动机能耗，Eecu表示ECU能耗。 6.根据权利要求2所述的基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统的多目标优化方法，其特征在于，所述步骤(3)中的优化变量包括：电动机转动惯量Jm1，转矩传感器刚度KS，金属板间隙L，磁流变液剪切面积A，励磁线圈匝数Z，减速机构减速比G。 7.根据权利要求2所述的基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统的多目标优化方法，其特征在于，所述步骤(4)中的齿轮齿条式电液转向系统多目标优化模型为：式中，Fenergy(X)为转向能耗函数，Froad(X)为转向路感函数，Fforce(X)为转向助力函数，g1(X)为转向灵敏度。 8.根据权利要求2所述的基于磁流变液的齿轮齿条式电液转向系统的多目标优化方法，其特征在于，所述步骤(5)中的基于参考点的多目标进化算法，具体步骤如下： 51)随机生成规模为N的初始父种群Pt(Jm1，KS，L,A,Z,G)，设置进化代数计数t＝1，根据电液转向系统优化变量的初值对种群进行初始化； 52)对父代种群Pt进行交叉、变异、选择等操作，生成子代种群Qt； 53)将Pt与子代种群Qt合并到一个集合中，对集合里的个体进行非支配排序，将所有非支配个体保存到集合Ut中； 54)对集合Ut进行非支配排序并保存所有非支配个体，根据公式(1)计算最优目标函数值，通过选择最优目标值生成候选参考点，保存到集合Rm中；式中，fm(x)为所选优化变量对转向路感、转向助力、转向能耗的期望目标函数值，m＝1时目标函数为转向路感，m＝2时目标函数为转向助力，m＝3时目标函数为转向能耗，为最优目标函数值，εm为零或任意小的正数； 55)根据公式(2)计算Rm中候选参考点的拥挤距离，选取前N个拥挤距离较大的候选参考点，保存到最终参考点集合R中；式中，id为个体间的拥挤距离；为i+1个个体在第m个优化目标函数上的值；为i-1个个体在第m个优化目标函数上的值； 56)对集合R中的每个参考点，根据公式(3)计算集合Ut中所有个体的加权欧几里得距离式中，xi为上述所选的非支配个体，i＝6；fm(xi)为个体xi在第m目标上的值； 57)找出最小的加权欧几里得距离值对应的集合Ut中非支配个体和Rm中的候选参考点，将所找出的非支配个体保存到下一代种群Pt+1中，循环操作直到得到N个个体作为下一代父种群Pt+1； 58)判断t是否等于设置的最大进化代数gen，若t＝gen，则算法结束退出优化，得到电液转向系统最优解；否则t＝t+1，转到步骤52)继续执行优化。
所属类别：	发明专利