[发明专利]一种电控液压助力转向系统及基于该系统的多目标优化方法

摘要

本发明涉及一种电控液压助力转向系统及基于该系统的多目标优化方法，其中，电控液压助力转向系统包括转向机械单元、转阀开度调节单元、油泵调节单元和电子控制单元ECU，解决传统的电控液压转向助力系统只能通过改变油泵驱动电机的转速来改变转向助力，而转阀的开度只能根据转向盘转角线性调节的问题，同时通过对电控液压助力转向系统多目标优化，以转向路感、转向灵敏度、能量消耗为目标，基于改进的Memetic智能算法，对电控液压助力转向系统的机械参数、液压系统参数进行优化设计，使得系统以较小的能量消耗获得良好的转向路感和转向灵敏度。

主权项

一种电控液压助力转向系统的多目标优化方法，其特征在于，步骤如下：1)建立电动液压助力转向系统模型、整车动力学模型，以及能耗数学模型，其中电动液压助力转向系统模型包括电机模型、转向盘模型、齿轮齿条模型、转向泵模型、转阀模型、输入和输出轴模型、液压位置伺服控制模型、轮胎模型；2)将转向系统能耗、转向路感以及转向灵敏度作为电控液压助力转向的性能评价指标，并建立三个性能评价指标的量化公式；其中，转向路感定义为转向螺杆的助力转矩到转向盘输入转矩的传递函数，其量化公式为：Th(s)Tr(s)=qKTT(mrrp2q+n1JmAprp)s2+(Brqrp2+n1BmAprp+ρq2nηvAp2rp22Cq2A2)s+AprpKKaKs+qKTTq=2B[12(R22-R12)π-(R2-R1)Zt]---(1)]]>式(1)中，Th为转向盘输入转矩，Tr为转向螺杆的助力转矩，mr为齿条质量，rp为小齿轮半径，n1为转向系统转向盘转角到前轮转角的传动比，Jm为电机与油泵的转动惯量，AP为液压缸活塞面积，Br为齿条阻尼系数，Bm为电机与油泵的粘性阻尼系数，ρ为油液密度，A为阀间隙的油流量面积，ηv为油泵的容积效率，Cq为阀间隙的流量系数，K为电机助力系数，Ka为转向助力电机转矩系数，Ks为转矩传感器刚度，KTT为转向轴与扭杆的综合刚度，q为泵的排量，B为定子厚度，R2为定子长轴半径，R1为定子短轴半径，Z为叶片泵叶片数，t为叶片厚度；转向灵敏度定义为方向盘转角到前轮转角的传递函数，其量化公式为：δ(s)θs(s)=WXs2+Ys+Z+qd(k1+k2)n2(auwr(s)δ(s)+β(s)δ(s)+E1φ(s)δ(s))W=AprpKKaKs+KTTqX=mrrp2qn2+n1JmAprpn2Y=(Brqrp2+n1BmAprp+ρq2nηvAp2rp22Cq2A2)n2Z=(AprpKKaKs+KTTq)n2-qd(k1+k2)n2---(2)]]>式(2)中，δ(s)为经拉普拉斯变换后的前轮转角，θs(s)为经拉普拉斯变换后的方向盘转角，β(s)为经拉普拉斯变换后的横摆加速度，φ(s)为经拉普拉斯变换后的质心侧偏角，wr(s)为经拉普拉斯变换后的横摆角速度，n为双作用叶片泵的转速，n2为转向输出轴到前轮的传动比，a为汽车质心到前轴距离，u为汽车车速，d为车辆1/2轮距，E1为侧倾转向系数，k1、k2为前轮侧偏刚度；转向系统能耗量化公式为：E=PECU-loss+PE-motorloss+Ppump-loss+Pv-lossE=UAIA+RAIA2+UsRelec2+Aprpθ·P[ρ(qnηv+Aprpθ·P)28CqnL(w+RKcθKc+Kn)2-ρ(qnηv-Aprpθ·P)28CqnL(w-RKcθKc+Kn)2]---(3)]]>式(3)中，E为转向系统总能耗功率，PECU‑loss为ECU消耗功率，PE‑motorloss为电机损失功率，Ppump‑loss为液压泵损耗功率，Pv‑loss为转阀损耗功率；UA为液压泵驱动电机的有效电压,IA为发动机电流,RA为电枢电流的负载电阻，Relec为非电枢电流上的电阻,US为电源电压，L为转阀开口长度，w为转阀开口宽度，Kc为转向轴刚度，Kn为转矩传感器刚度；3)以转向路感和转向系统能耗为优化目标，转向灵敏度为系统约束条件，建立电控液压助力转向系统多目标优化模型，电控液压助力转向系统优化的目标函数f(x)为：f(x)=ka1f(x1)+ka2f(x2)f(x1)=12πω0∫0ω0|Th(s)Tr(s)|s=jω2dωf(x2)=PE-motorloss+Pv-loss---(4)]]>式(4)中：路感函数f(x1)为路面信息有效频率范围(0，ω0)的频域能量平均值，优化方案中ω0＝40Hz；能耗函数f(x2)为系统电机的能量损耗和转阀的能量损耗；电控液压助力转向系统优化的约束条件为：f(x3)=12πω0∫0ω0|ωr(s)θh(s)|2dω---(5)]]>在优化过程中ω0＝40Hz，并且式(5)函数满足0.0008≤f(x3)≤0.0099的约束条件；4)将定子厚度B，电机与油泵的转动惯量Jm，转矩传感器刚度Ks，液压泵转速n，转阀转角θ作为电控液压助力转向系统的设计变量；5)采用融合布谷鸟算法的改进Memetic智能算法对式(1)‑(4)中的机械参数、液压系统参数进行优化，根据优化结果得出最优pareto解集，并选取最优妥协解；6)将获得的最优妥协解各参数对应的能耗值与优化前的能耗值进行比较，若低于优化前的能耗值，则认为优化有效。