专利名称：一种汽车线控转向试验台架阻力模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种汽车电子控制台架试验装置，特别涉及一种汽车线控转向试验台 架阻力模拟装置。
背景技术：
传统车辆的转向系统在转向盘与车轮之间是靠机械连接的，具有固定的传动比， 因此很多技术设想受到了限制。线控转向系统(Steer-By-Wire，SBW)取消了机械连接装 置，通过软件来协调转向盘与车轮之间的运动关系，它可以任意设置转向系统的传动比，并 对随车速变化的参数进行补偿，使汽车转向特性不随车速变化，还可以与其他主动安全设 备结合，提高汽车整体操纵稳定性。其次，线控转向系统可以用回正力矩电机，即路感电机 模拟驾驶员手上的转向盘力，可以从信号中提出最能够反映汽车实际行驶状态和路面状况 的信息，作为转向盘回正力矩的控制变量，从而提供更为准确和人性化的“路感”；同时由于 取消了传统机械部件，因此节省了驾驶员的活动空间，给车内布置带来了很大的灵活性，也 减少了事故发生时对驾驶员的伤害。汽车的转向系统经历了机械式、传统液压助力、电液助力、电动助力各个阶段，线 控转向是汽车自动控制的一个必然趋势，但是目前线控转向系统因为结构特殊，各种控制 逻辑算法极其复杂，还没有达到机械或者液压部件的可靠程度，因而还没有实现产品化，在 线控转向系统装车之前，其硬件和软件必须在试验台上进行充分测试，通过不断地调试和 改进，才能确保其具有良好的可靠性，因此线控转向系统试验台的建设是非常重要且必须 的。在线控转向系统试验台的建设过程中，阻力模拟系统又是很重要的一个模块，试验台能 够真实地再现车辆转向时的环境，更能够实时仿真出转向时的受力环境，从而获得更为准 确的试验数据，为产品的开发提供依据。中国专利200910066983. 8 “车辆线控制动线控转向硬件在环试验台”中，用磁粉制 动器来加载路面阻力，从而进行硬件在环试验。使用磁粉制动器来进行路面阻力加载需要减 速器和由转动变为直动的齿轮齿条机构，涉及的机械连接比较复杂，中间能量传递过程消耗 较大，同时因为机械机构的质量和惯性，使侧向阻力的响应不够迅速，导致实时性不好。中国专利200820081713. 5 “汽车驾驶模拟器中转向检测及回正装置”中，采用弹 簧进行侧向阻力的模拟与转向的回正，在此专利中在左右两端各连接了一个细弹簧和一个 粗弹簧，其中细弹簧的两端固定，而粗弹簧只有一端固定。这种模拟方式比较简单，但是由 于模拟出的侧向力大小是与弹簧的的被压缩长度成正比，因此它不能够模拟出侧向阻力的 准确值，而且一旦选定弹簧，那么就固定了弹簧刚度，无论在什么工况或条件下转向，侧向 阻力都是不可变的，因此不能反映实际试验过程中的阻力情况，得出的试验数据将于真实 情况的数据差距较大。

发明内容
本发明的目的是为了进一步研究车辆转向过程中操纵稳定性，尤其是线控转向系统的性能，路感的评价，以及验证控制算法的有效性，为了更好地再现转向时的系统环境， 提出一种汽车线控转向试验台架阻力模拟装置。本发明采用液压系统代替磁粉制动器和弹 簧机构，可以节省中间的机械结构，并且响应很快，中间过程功率损失较低，能够实现车辆 转向过程中侧向阻力的精确控制与模拟，同时使用软管连接，易于布置，可以节省空间。本发明采用油缸和阀块等液压元件模拟线控转向试验台架的阻力，可以根据控制 器设定的侧向力大小实时准确地输出侧向力，可以根据路面的附着系数、轮胎参数等在线 修改输入参数，具有很大的灵活性和通用性。涉及的元件体积较小，不会因为质量体积而产 生的惯性力影响侧向力加载的实时性。因为使用的液压管路是软管，所以布置时更为灵活， 节省了空间。本发明试验台架阻力模拟装置主要由加载油缸、电磁换向阀、电磁比例溢流阀、主 泵、辅助泵、溢流阀、过滤器、压力传感器、油箱、辅助液压管路以及阻力模拟控制器组成。加 载油缸的活塞杆与汽车的转向执行机构齿轮齿条固接在一起，加载油缸活塞的左右两腔均 安装有压力传感器，电磁换向阀的工作油口 A、B与加载油缸的进、出油口用液压管路分别 相连，电磁换向阀的进油口 P与电磁比例溢流阀用液压管路相连，电磁比例溢流阀旁并联 了一个大流量的主泵，主泵的进油口与过滤器用液压管路相连。电磁换向阀的出油口 T与 溢流阀用液压管路相连，溢流阀的一端连接了一个大流量的辅助泵，辅助泵的进油口与过 滤器用液压管路相连。阻力模拟控制器与压力传感器用电线相连，获取加载油缸内的压力 信号。阻力模拟控制与转角传感器用电线相连，获取转角信号。阻力模拟控制器与电磁换 向阀用电线连接，根据汽车转向时的方向控制电磁换向阀的方向。同时，阻力模拟控制器与 电磁比例溢流阀用电线连接，向电磁比例溢流阀输出电流信号，控制电磁比例溢流阀的溢 流压力。本发明阻力模拟装置将侧向阻力加载到齿轮齿条机构上，为实现这一目的，将加 载油缸的活塞杆与齿条固接在一起。电磁换向阀的A、B工作油口与加载油缸的进出油口相 连，电磁换向阀的进油口与电磁比例溢流阀相连，电磁比例溢流阀的一端连接了一个大流 量的主泵，主泵的进油口与过滤器相连。电磁换向阀的出油口与溢流阀相连，溢流阀的一端 连接了一个大流量的辅助泵，辅助泵的进油口与过滤器相连。与现有技术相比本发明的有益效果是1.本发明实现了线控转向系统的侧向阻力模拟，采用比例溢流阀能够精确地控制 油缸中液压油的压力，从而控制加载到转向机构的阻力，使试验数据更为准确。2.本发明选用了大流量的主泵和辅助泵，以此来减小溢流阀7和电磁比例溢流阀 12因流量变化而引起的输出压力的波动，保证系统输出压力的动态平稳。3.本发明的溢流阀起到了一个平衡背压的作用。因为电磁比例溢流阀的输出压力 很小的时候有一个静态工作死区是不可调的，而在线控转向试验过程中，小转角和小侧向 阻力是一种重要的工况，因此为了在小转角和小侧向阻力工况下，能够准确的控制试验的 进行，在电磁换向阀出油口连接溢流阀，从而使得电磁比例溢流阀不是从0压力开始调节， 此时避免了在小范围内调节电磁比例溢流阀的输出压力，保证系统输出压力的静态可调。4.可以通过计算机模拟特定工况，不受人员、场地和天气的影响，对于极限工况也 可以模拟，在转向系统的设计过程中更加安全，同时使设计周期大大缩短。5.本发明可以在试验台上在线调整控制算法和控制参数，从而可以快速的对参数
5进行优化，节省准备周期，获得满意结果。6.本发明减少了很多的中间机械结构，无需克服额外的惯性力，加快了系统响应， 减少了损失功率，维护安装简便。7.本系统的液压元件体积较小，使用软管连接，方便部件放置，节省空间。


图1是本发明的液压系统原理图；图2a，图2b，图2c是本发明的阻力模拟控制器6的电路图；图3，图4是本发明工作过程流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。本发明试验台架阻力模拟装置主要由加载油缸1、电磁换向阀5、电磁比例溢流阀 12、主泵10、辅助泵8、溢流阀7、过滤器9、第一压力传感器2、第二压力传感器13、油箱11、 转角传感器4、辅助液压管路以及阻力模拟控制器6组成。如图1所示，加载油缸1的活塞杆与汽车的转向执行机构齿轮齿条3固接在一起。 电磁换向阀5的工作油口 A、B与加载油缸1的进、出油口分别相连，电磁换向阀5的进油口 P与电磁比例溢流阀12的进油口相连，电磁比例溢流阀12的进油口同时并联一个大流量的 主泵10，主泵10的进油口与过滤器9连接，主泵(10)的出油口、电磁比例溢流阀(12)的 进油口与电磁换向阀(5)的进油口 P相连。电磁换向阀5的出油口 T与溢流阀7的进油口 相连，溢流阀7的进油口同时并联一个大流量的辅助泵8，辅助泵8的进油口与过滤器9相 连，电磁比例溢流阀12、溢流阀7、过滤器9的另一端与油箱11连接。本发明试验台架阻力模拟装置中，阻力模拟控制器6与电磁换向阀5用电线连接， 根据汽车转向时的方向控制电磁换向阀5的方向，同时阻力模拟控制器6与电磁比例溢流 阀12用电线连接，给电磁比例溢流阀12电流信号，控制电磁比例溢流阀12的溢流压力。图2a，图2b，图2c所示是本发明的阻力模拟控制器6的电路结构。该阻力模拟控 制器器包括微处理器电路、时钟电路和复位电路。微处理器电路中，微处理器U1为MC9S12XF512单片机。微处理器U1的3引脚接插 接件J3的第一端口 1，控制电磁换向阀5。微处理器U1的112引脚接插接件J3的第二端口 2，控制电磁比例溢流阀12。转角传感器4通过插接件J2与放大器U3TLC271芯片相连，放大 器U3TLC271芯片的6引脚接微处理器U1的81引脚，电容C822的一端接放大器U3TLC271 芯片的4引脚，另一端接放大器U3TLC271芯片的3引脚，电阻R822和电阻R821串联，电阻 R822和电阻R821的一端接放大器U3TLC271芯片的3引脚，另一端接插接件J2的第一端口 1。电阻R823的一端接放大器U3TLC271芯片的2引脚，另一端接GND。电阻R824的一端接 放大器U3TLC271芯片的6引脚，另一端接放大器U3TLC271芯片的2引脚，电容C821的一 端接放大器U3TLC271芯片的6引脚，另一端接J2的输出端口 1。第一压力传感器2通过插 接件J2与放大器U4TLC271芯片相连。放大器U4TLC271的6引脚接微处理器U1的79引 脚，电容C822的一端接放大器U4TLC271芯片4引脚，另一端接放大器U4TLC271芯片的3 引脚，电阻R822和电阻R821串联，电阻R822和电阻R821的一端接放大器U4TLC271芯片3引脚，另一端接插接件J2的第二端口 2。电阻R823的一端接放大器U4TLC271芯片的2 引脚，另一端接GND。电阻R824的一端接放大器U4TLC271芯片的6引脚，另一端接放大器 U4TLC271芯片的2引脚，电容C821的一端接放大器U4TLC271芯片的6引脚，另一端接插接 件J2的第二输出端口 2。第二压力传感器13通过插接件J2与放大器TOTLC271芯片相连， 放大器TOTLC271的6引脚接微处理器U1的77引脚，电容C822的一端接放大器TOTLC271 芯片的4引脚，另一端接放大器TOTLC271芯片的3引脚。电阻R822和电阻R821串联，电 阻R822和电阻R82的一端接放大器U5TLC271芯片的3引脚，另一端接插接件J2的第三端 口 3。电阻R823的一端接放大器U5TLC271芯片2引脚，另一端接GND。电阻R824的一端 接放大器TOTLC271芯片的6引脚，另一端接放大器TOTLC271芯片的2引脚，电容C821的 一端接放大器U5TLC271芯片的6引脚，另一端接J2的第三端口 3。时钟电路以4M有源晶振芯片0SC1为核心，电容C29接0SC1的引脚1和引脚2， 电阻R39的一端接有源晶振芯片0SC1的时钟输出引脚3，另一端接到微处理器U1的EXTAL 引脚，为微处理器U1提供时钟信号，电容C27为0SC1的滤波电容，并联在电阻R39引脚两 端，R42接在微处理器U1的EXTAL引脚和GND信号之间。复位电路以复位芯片MAX705U2为核心，按键复位开关S1 —端接GND信号，另一端 接限流电路R16，R16的另一端接U2的引脚7，U2的引脚7输出的复位信号RESET接到微处 理器U1的RESET引脚。如图2c所示，电源电路通过插接件J1与12V电源连接，防冲击二极管D52串联在 J1的正极，构成第一级电源信号处理电路；稳压管1N6276、电容C9和电容C11并联在D52 电源输出引脚和GND信号之间，组成第二级滤波电路；电压转换芯片VR1和并联在VR1输出 引脚Vout和GND信号之间的滤波电容C12、C10构成第三级转换电路，将12V直流电压转换 成5V直流电压，送到VCC端。直流电压转换芯片7805是使用广泛的直流电压转换芯片，可 以把从7V到30V范围内的直流电压转换成5V稳定的直流电压输出，电阻R12和发光管DS1 串联组成电源指示电路接在VCC和GND之间。如图3、图4所示，本发明的工作过程如下在汽车线控转向试验台架试验时，首先要调定溢流阀7的溢流压力，阻力模拟控 制器6给电磁比例溢流阀12上电，同时电源给溢流阀7上电，此时开启主泵10和辅助泵7， 油箱11中的液压油进入到加载油缸1中，齿轮齿条机构3上安装的转角传感器4检测出加 载油缸1活塞的位置，并将转角信号传递给阻力模拟控制器6。如图3所示，阻力模拟控制 器6实时检测转角传感器4的实际值，并在阻力模拟控制器6中将转角传感器4的测量值 与目标值进行比较，对电磁比例溢流阀12的控制电流进行PI调节，输出电磁比例溢流阀12 的控制电流，控制电磁比例溢流阀12的溢流压力。在不断对转角值的调整过程中，转角的 测量值与目标值趋于一致，此时即活塞到达油缸的中间位置，试验的准备工作结束。如图4 所示，开始进行试验时，转角传感器4实时测量齿轮齿条机构3中齿轮的转角值，并将转角 信号传输给阻力模拟控制器6，阻力模拟控制器6输出控制电流，控制电磁比例溢流阀12的 溢流压力，从而控制加载油缸1中系统压力达到指定的目标值，令油缸的活塞杆输出指定 的压力。压力传感器2、13实时检测出加载油缸1活塞左右两腔的实际输出压力，输入到阻 力模拟控制器6中，对电磁比例溢流阀12的控制电流进行PI控调节。本发明选用大流量的主泵10和辅助泵8，主泵10泵出的液压油，一部分供给加载油缸1，推动活塞杆移动，另外的一部分从电磁比例溢流阀12和溢流阀7中溢流回到油箱 11，本发明可以使在电磁比例溢流阀12和溢流阀7的流量发生改变时，减小电磁比例溢流 阀12和溢流阀7流量改变的幅度，以保证溢流压力的稳定，从而保证电磁比例溢流阀12和 溢流阀7的压力稳定，即保证加载油缸的左右两工作腔内的压力稳定。电磁换向阀5的出 油口 T连接溢流阀7，并于试验初始设定溢流压力，此溢流压力要高于电磁比例溢流阀12的 最小可调溢流压力，以避开电磁比例溢流阀12的工作死区，保证汽车线控转向在小转角、 小侧向力时，能够准确控制系统压力。
权利要求
一种汽车线控转向试验台架阻力模拟机构，其特征在于所述的阻力模拟机构包括加载油缸(1)、电磁换向阀(5)、电磁比例溢流阀(12)、主泵(10)、辅助泵(8)、溢流阀(7)、过滤器(9)、油箱(11)、辅助液压管路及阻力模拟控制器(6)；加载油缸(1)的活塞杆与汽车的转向执行机构的齿轮齿条(3)相连，将侧向力作用于齿条机构(3)上以模拟车辆转向时所受的地面侧向阻力；加载油缸(1)的进油口与电磁换向阀(5)的工作油口A连接，加载油缸(1)的出油口与电磁换向阀(5)的工作油口B相连；电磁换向阀(5)的进油口P与电磁比例溢流阀(12)的进油口相连，电磁比例溢流阀(12)的进油口并联主泵(10)，主泵(10)的进油口与过滤器(9)连接；电磁换向阀(5)的出油口T与溢流阀(7)的进油口相连，溢流阀(7)的进油口并联辅助泵(8)，辅助泵(8)的进油口与过滤器(9)相连，电磁比例溢流阀(12)、溢流阀(7)、过滤器(9)的另一端与油箱连接；阻力模拟控制器(6)与电磁换向阀(5)连接，阻力模拟控制器(6)与电磁比例溢流阀(12)连接，向电磁比例溢流阀(12)输出电流信号，控制电磁比例溢流阀(12)的溢流压力。
2.按照权利要求1所述的汽车线控转向试验台架阻力模拟机构，其特征在于主泵(10) 的出油口、电磁比例溢流阀(12)的进油口与电磁换向阀(5)的进油口 P相连，辅助泵(8) 的出油口、溢流阀(7)的进油口与电磁换向阀(5)的出油口 T相连，在这种连接机构中，系 统选用了大流量的主泵(10)和辅助泵(8)，以此来减小溢流阀(7)和电磁比例溢流阀(12) 因流量变化而引起的输出压力的波动，保证系统输出压力的动态平稳。
3.按照权利要求1所述的汽车线控转向试验台架阻力模拟机构，其特征在于阻力模拟 控制器(6)中，微处理器Ul为MC9S12XF512单片机；微处理器Ul的3引脚接插接件J3的第 一端口(1)，控制电磁换向阀(5)；微处理器Ul的112引脚接插接件J3的第二端口(2)，控 制电磁比例溢流阀(12)；转角传感器(4)通过插接件J2与放大器U3TLC271芯片相连，放大 器U3TLC271芯片的6引脚接微处理器Ul的81引脚，电容C822的一端接放大器U3TLC271 芯片的4引脚，电容C822的另一端接放大器U3TLC271芯片的3引脚，电阻R822和电阻R821 串联，电阻R822和电阻R821的一端接放大器U3TLC271芯片的3引脚，另一端接插接件J2 的第一端口(1)；电阻R823的一端接放大器U3TLC271芯片的2引脚，电阻R823的另一端 接GND ；电阻R824的一端接放大器U3TLC271芯片的输出6引脚，电阻R824的另一端接放 大器U3TLC271芯片的2引脚，电容C821的一端接放大器U3TLC271芯片的6引脚，另一端 接插接件J2的第一端口(1)；第一压力传感器(2)通过插接件J2与放大器U4TLC271芯片 相连，放大器U4TLC271芯片的6引脚接微处理器Ul的79引脚，电容C822的一端接放大器 U4TLC271芯片的4引脚，电容C822的另一端接放大器U4TLC271芯片的3引脚，电阻R822 和电阻R821串联，电阻R822和电阻R821的一端接放大器U4TLC271芯片的3引脚，另一端 接插接件J2的第二端口(2)，电阻R823的一端接放大器U4TLC271芯片的2引脚，另一端 接GND ；电阻R824的一端接放大器U4TLC271芯片的6的引脚，电阻R824的另一端接放大 器U4TLC271芯片的2引脚，电容C821的一端接放大器U4TLC271芯片的6引脚，另一端接 插接件J2的第二端口(2)；第二压力传感器(13)通过插接件J2与放大器TOTLC271芯片 相连，放大器TOTLC271芯片的6引脚接微处理器Ul的77引脚，电容C822的一端接放大器 U5TLC271芯片的4引脚，电容C822的另一端接放大器U5TLC271芯片的3引脚，电阻R822 和电阻R821串联，电阻R822和电阻R821的一端接放大器TOTLC271芯片的3引脚，另一 端接插接件J2的第三端口(3)；电阻R823的一端接放大器TOTLC271芯片的2引脚，电阻R823的另一端接GND ；电阻R824的一端接放大器U5TLC271芯片的6引脚，另一端接放大器U5TLC271芯片的2引脚，电容C821的一端接放大器TOTLC271芯片的6引脚，另一端接插接 件J2的第三端口(3)。
全文摘要
一种汽车线控转向试验台架阻力模拟机构，其加载油缸(1)的活塞杆与汽车的转向执行机构齿轮齿条(3)相连，将侧向力作用于齿条机构(3)上以模拟车辆转向时所受的地面侧向阻力。加载油缸(1)的进油口和出油口分别与电磁换向阀(5)的工作油口A、B相连。电磁换向阀(5)的进油口P与主泵(10)的出油口相连，主泵(10)的出油口并联电磁比例溢流阀(12)。溢流阀(7)的进油口并联辅助泵(8)，主泵(10)和辅助泵(8)的进油口与过滤器(9)相连。阻力模拟控制器(6)与电磁换向阀(5)、电磁比例溢流阀(12)连接，向电磁比例溢流阀(12)输出电流信号，控制电磁比例溢流阀(12)的溢流压力。
文档编号G01M17/007GK101865777SQ20101019161
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
发明者吴利军, 吴艳, 廖承林, 李芳 , 王丽芳, 耿姝芳 申请人:中国科学院电工研究所