CarSim仿真快速入門(十三)—轉向系統(tǒng)

什么是轉向?

轉向是指車輛的坐標系中的車輪的角度方位的一個方面（其它的是外傾角或傾斜和旋轉）。具體地說，轉向是從車輛縱軸（在CarSim中為X軸）到由車輪的平面與車輛水平面（在CarSim中為X-Y平面）的交點形成的線的角度。在CarSim中，除了使用LegacyTwist Beam（Legacy Twist Beam不包括轉向自由度）的懸架外，任何軸上的所有車輪都可以轉向。CarSim不支持拖車軸的轉向，但高級用戶可以使用VS命令來實現。

.轉向力有多個來源。首先，最明顯的是車輛和車軸轉向系統(tǒng)（如果存在）的輸出。轉向系統(tǒng)將施加到車輛方向盤（或其他輸入）的轉向命令轉換為車輪的轉向。在內部，轉向系統(tǒng)可以具有或可以不具有動態(tài)元素（微分方程及其積分），并且可以取決于或不取決于施加的力。這部分轉向可以稱為主動轉向。

車輪轉向的第二個來源是懸架系統(tǒng)的運動學特性。無論是否存在轉向命令，都會發(fā)生此轉向。通常將其稱為“轉向平順性”，“轉向前束”，“側傾轉向量”或“側傾轉向角”。在這里，轉向角按照傳統(tǒng)習慣是指在軸上的兩個車輪上以相反的符號進行轉向運動。當兩個車輪都轉向車輛中心線時，這種作用稱為轉向角向內或正轉向角。當兩個車輪都轉向遠離車輛中心線時，這種影響稱為轉向角向外或負轉向角。（請注意，兩側的轉向幅度不必相等，即效果可能是不對稱的。）

車輪轉向的第三個來源是運動，這是由于部件（主要是輪胎力）施加彈性變形而產生的運動（主要是彈性襯套，但也包括結構變形）。被稱為轉向運動特性或運動學轉向角，通常通過描述施加力分量的單位變化的車輪轉向變化率的系數來表征.上面列出的第二和第三種轉向源可以稱為被動轉向，因為它們在沒有命令的轉向變化的情況下發(fā)生。CarSim轉向系統(tǒng)可轉向，以響應命令輸入，包括運動學特性和彈性學特性（如果有）。換句話說，它是主動轉向。懸架系統(tǒng)提供了被動式轉向（盡管在界面上具有順應性之一，并且具有轉向系統(tǒng)的其他特性）。在“轉向系統(tǒng)”界面上的數據字段中輸入參數以描述系統(tǒng)的許多屬性，而可配置函數則用于描述許多其他屬性。每個可配置函數都由一個單獨的庫界面表示，如表1所示。（有關可配置函數及其各種選項的說明，請參見VehicleSim瀏覽器參考手冊。）

轉向系統(tǒng)概念

轉向系統(tǒng)提供了許多選項，以代表當今乘用車和輕型卡車提供的大多數配置。高級用戶還可以使用VS Commands或Simulink之類的外部代碼用自己的定義替換系統(tǒng)元素。這些選項將在此處概述，并在本文檔的后面部分進行更詳細的討論。第一個最基本的選擇是選擇是否可以主動轉向軸上的車輪。CarSim瀏覽器將參數OPT_STEER_EXT的值設置為零（主動轉向）或一個參數值（非主動轉向）以設置此選項，但高級應用程序用外部定義的子系統(tǒng)替換了轉向系統(tǒng)的元素。其次，任何主動轉向的車軸都可以使用齒輪齒條或循環(huán)球式轉向器。值得注意的幾點：盡管瀏覽器和手冊中使用了“循環(huán)球”一詞，但實際的齒輪可能具有以下幾種配置中的任何一種，例如蝸桿和滾輪或蝸桿和扇形。唯一的重要特征是齒輪的輸入和輸出都是旋轉，而齒輪齒條則以旋轉為輸入，而平移為輸出。同樣，CarSim也不區(qū)分齒輪是安裝在軸的前面還是后面。齒條和小齒輪的正輸入會產生正向平移，正向平移會產生正向轉向。同樣，循環(huán)球齒輪的正輸入會在輸出處產生正旋轉，進而產生正轉向。選擇該約定是出于涉及閉環(huán)轉向控制器支持的技術原因。在順應性轉向的計算中記錄了歸因于車軸前進檔與車軸后方的影響。

第三，第一軸可以被指定為助力轉向或手動轉向。所有其他軸都在伺服控制下處理，只有第一個軸有助于方向盤上的扭矩。由于在控制輸入（轉向柱旋轉）和齒輪輸入之間插入了扭力彈簧（扭力桿），因此帶有助力系統(tǒng)的車橋獲得了更大的自由度。彈簧中的扭矩輸入到助力表（或扭矩）以獲得助力水平。

提供了幾個次要選項。方向盤扭矩可以從扭矩表中讀取，這些扭矩是轉向軸（主銷）扭矩的總和，或者可以根據系統(tǒng)運動學，增壓（如果有），阻尼和磁滯來計算?？梢枣溄颖砀褚灾付ㄒ砑拥霓D向扭矩的附加分量作為速度的函數，以反映例如駐車操縱中表現出的較高扭矩。并且，“轉向”的定義可以在如上所述的車輛坐標系中或圍繞轉向軸的旋轉來引用。第二種選擇很少使用，但是例如在通過測量圍繞轉向軸的角度的儀器獲得的實驗數據的情況下。

車輪的轉向取決于轉向系統(tǒng)和懸架的特性。轉向系統(tǒng)模型包含相當多的細節(jié)，包括轉向輪的完整多體動力學表示以及動力轉向系統(tǒng)。它還區(qū)分了齒條和小齒輪轉向和循環(huán)球轉向系統(tǒng)。轉向系統(tǒng)包括運動和順應性效果。運動效應是轉向運動，僅取決于部件的位置（例如，方向盤或齒條位置）。順應性效應是由轉向系統(tǒng)或車輪內的力或力矩引起的轉向運動。除由懸架運動引起的轉向效果外，還將兩者結合起來以確定每個車輪的轉向角。懸架界面中包含描述懸架運動和轉向角之間相互作用的參數，這些參數在為每個仿真生成的Echo文件的“轉向”部分中列出（圖1）?？膳渲煤瘮涤糜诿枋鲛D向系統(tǒng)和組件的許多屬性。請注意，在Echo文件的“轉向”部分開頭的注釋中也提供了函數名稱（圖1，第314 – 316行）。每個表都由一個單獨的庫界面表示，如表1所示。一個例外是，扭桿剛度在數學模型中使用可配置函數M_TBAR表示，但GUI支持線性系數，該系數由關鍵字M_TBAR_COEFFICIENT標識。高級用戶可以鏈接到通用表數據集，以將扭矩指定為扭曲的非線性函數。

圖1. Echo文件的Steering部分，其中列出了參數和名稱可配置函數

詳細轉向系統(tǒng)模型?

CarSim提供四種轉向系統(tǒng)。每個轉向助力輔助系統(tǒng)提供兩個選項（輔助應用于齒輪的輸出側或應用于圓柱或輸入側），總共有六個選項。轉向系統(tǒng)的選擇是使用圖2所示的下拉控件進行的。下面將分別對它們進行描述。

圖2.轉向系統(tǒng)選擇

表1.轉向表庫總結

庫界面	跟關鍵字	描述
Steering: Parking Torque	MZ_PARKING_STEER	低速和停車扭矩
Steering: Parking Torque for ?2 Wheels
Steering System: Compliance	STEER_COMP	轉向角歸因于主銷力矩
Steering ?System: Gear Kinematics	GEAR_ROT ISHAFT_KIN	轉向器輸出旋轉與輸入旋轉，中間軸輸出旋轉與輸入旋轉
Steering ?System: Rack Kinematics	RACK_TRAVEL ISHAFT_KIN	轉向齒條位移與小齒輪旋轉，中間軸輸出
Steering: ?Power Assist Force	F_BOOST_R	旋轉與輸入旋轉
Steering: ?Power Assist Torque	M_BOOST_G	助力施加于轉向齒條
Steering System: Kinematics for One Wheel	STEER_KIN	助力扭矩施加到轉向器（回流球）
Steering System: Kinematics for 2 Wheels ?(Recirc. Ball)
Steering ?System: Kinematics for 2 Wheels (Rack & Pinion)	RACK_KIN	車輪轉向vs轉向臂旋轉
Steering System: Rear-Wheel Gain	R_STEER_SPEED
Steering ?Wheel Torque	M_SW	車輪轉向vs齒條

齒輪齒條式無助力轉向系統(tǒng)

圖3示出了手動（例如，無輔助）齒條和小齒輪轉向系統(tǒng)的示意圖。這是最簡單的系統(tǒng)。如果仿真不需要有關轉向扭矩和偏轉的詳細信息，建議使用此系統(tǒng)或其對應的“手動循環(huán)球式”。左舵系統(tǒng)和右舵系統(tǒng)的系統(tǒng)定義及其方程式相同。手動齒輪齒條系統(tǒng)組成是：

轉向柱慣性。它由從方向盤到小齒輪的圓柱部件組成，但不包括小齒輪.

轉向柱摩擦。由于旋轉摩擦始終與旋轉方向相反的恒定轉矩。當行進方向反向時，它需要一個參考角，該參考角代表所觀察到的磁滯回線寬度的三分之一。

轉向柱阻尼。與轉向柱角速度成正比的扭矩，與旋轉方向相反。

轉向齒輪比。對于單比率機架組件，這通常表示為“C因子”。C因子是齒條在一整圈內齒條的橫向位移。該關系在內部由一個表（可配置函數）表示，該表的輸入為小齒輪旋轉度，輸出為毫米的齒條平移。在手動系統(tǒng)中，小齒輪角和方向盤角相同。

（可選）中間軸運動學。中間軸及其接頭的幾何形狀導致輸出角度超前或滯后于輸入旋轉，在此表示為輸出旋轉與輸入旋轉的關系表。

 

圖3.手動齒輪齒條

6. 系統(tǒng)慣量。包括齒條，拉桿等質量的影響，表示為以小齒輪速度為索引的旋轉慣性加上實際的小齒輪慣性。在齒輪系統(tǒng)的多體分析中，慣性和質量對單個零件運動的索引是常見的。將其視為小齒輪螺距半徑上某一點的各種組件的質量可能會有所幫助.

7.齒條阻尼。與齒條的平移速度成比例的，與運動方向相反的力。

8.齒條摩擦。與詞條的運動方向相反的恒定力。它需要一個參考長度，該長度代表方向相反時觀察到的磁滯回線寬度的三分之一。

9.轉向柔度。除了懸架系統(tǒng)的柔順性外，轉向系統(tǒng)還有助于提高柔順性。懸架系統(tǒng)的合規(guī)性通常通過反力測試來衡量，以避免轉向系統(tǒng)的影響。使用平行力的第二次測量包括轉向和懸架柔度。從該總數中減去懸架效果，以獲得轉向系統(tǒng)的柔順性。由于主銷力矩的總和，它表示為每個車輪的轉向。

10.運動學特性。這是隨齒條平移而變化的車輪轉向表。它包括拉桿和轉向臂的幾何形狀。

11（可選）限制停止轉向角。當通過轉矩進行轉向控制時，如果輸入轉矩超過反作用轉矩，則可能會達到不切實際的轉向角。這可能會導致不穩(wěn)定或結果不正確。施加扭力彈簧來限制行程可以防止這種情況。當轉向由輸入角度控制時，它們是不必要的，應通過將其設置為零來禁用.

在該系統(tǒng)中，所有轉向效果在運動學上都是相關的。如果通過設置轉向角來控制轉向，例如通過開環(huán)控制或通過閉環(huán)路徑跟隨器（“駕駛員模型”）來控制，則齒條位置是轉向角的函數，而車輪位置是齒條位置的函數。因為所有運動都受到限制，所以沒有“自由度”。如果系統(tǒng)由施加在方向盤上的扭矩控制，則運動仍然在運動學上相關，但是運動是通過對等式進行積分得出的。因此，在扭矩控制中，手動轉向為車輛模型增加了一個自由度。

手動循環(huán)球式

圖4示出了手動（例如，無輔助）再循環(huán)球轉向系統(tǒng)的示意圖。盡管我們將此系統(tǒng)稱為“循環(huán)球”，但這僅表示輸入是旋轉，輸出是旋轉。其他類型的齒輪，例如 “蝸桿和蝸輪”也使用此系統(tǒng)。如果仿真不需要有關轉向扭矩和偏轉的詳細信息，則建議使用此系統(tǒng)或其對應的“手動齒條和小齒輪”。

左舵系統(tǒng)和右舵系統(tǒng)的系統(tǒng)定義及其方程式相同。手動循環(huán)球系統(tǒng)組成是：

轉向柱慣性。它由從輪到小齒輪的圓柱部件組成，但不包括小齒輪。

轉向柱摩擦。由于旋轉摩擦始終與旋轉方向相反的恒定轉矩。當行進方向反向時，它需要一個參考角，該參考角代表所觀察到的磁滯回線寬度的三分之一。

轉向柱阻尼。與轉向柱角速度成正比的扭矩，與旋轉方向相反.

圖 4 手動循環(huán)球式

4.轉向齒輪比。這是每度輸出（轉向連接桿臂）角度的輸入（方向盤）角度。該關系在內部由表（可配置函數）表示，該表的輸入為轉向輸入齒輪旋轉度，輸出為轉向連接桿臂旋轉度。在手動系統(tǒng)中，輸入齒輪角和方向盤角相同。

5.（可選）中間軸運動學。中間軸及其接頭的幾何形狀導致輸出角度超前或滯后于輸入旋轉，在此表示為輸出旋轉與輸入旋轉的關系表。

6.系統(tǒng)慣量。包括繼動桿，拉桿，轉向連接桿臂，惰輪臂等的質量和慣性的影響，表示為與輸入速度索引的旋轉慣性，再加上實際的輸入齒輪慣性。在齒輪系統(tǒng)的多體分析中，慣性和質量對單個零件運動的索引是常見的。

7.系統(tǒng)阻尼。施加到齒輪的扭矩與齒輪的角速度成正比，與運動方向相反。

8.系統(tǒng)摩擦。向機架施加與其運動方向相反的恒定扭矩。它需要一個參考長度，該參考長度大約代表當行進方向反轉時所觀察到的磁滯回線寬度的三分之一。

9.轉向柔度。除了懸架系統(tǒng)的柔順性外，轉向系統(tǒng)還有助于提高柔順性。懸架系統(tǒng)的合規(guī)性通常通過反力測試來衡量，以避免轉向系統(tǒng)的影響。使用平行力的第二次測量包括轉向和懸架柔度。從該總數中減去懸架效果，以獲得轉向系統(tǒng)的柔順性。由于主銷力矩的總和，它表示為每個車輪的轉向.

10.運動學。這是隨齒條平移而變化的車輪轉向表。它包括拉桿和轉向臂的幾何形狀。

11.（可選）轉向角限制器停止。當通過轉矩進行轉向控制時，如果輸入轉矩超過反作用轉矩，則可能會達到不切實際的轉向角。這可能會導致不穩(wěn)定或結果不正確。施加扭力彈簧來限制行程可以防止這種情況。當轉向由輸入角度控制時，它們是不必要的，應通過將其設置為零來禁用.

在該系統(tǒng)中，所有轉向效果在運動學上都是相關的。如果通過設置轉向角來控制轉向，例如通過開環(huán)控制或通過閉環(huán)路徑跟隨器（“駕駛員模型”）控制，則Pitman位置是轉向角的函數，而車輪位置是Pitman臂位置的函數。因為所有運動都受到限制，所以沒有“自由度”。如果系統(tǒng)由施加在方向盤上的扭矩控制，則運動仍然在運動學上相關，但是運動是通過對等式進行積分得出的。因此，在扭矩控制中，手動轉向為車輛模型增加了一個自由度。

帶助力的齒輪齒條轉向系統(tǒng)

圖5顯示了動力齒條齒輪系統(tǒng)的示意圖。在齒條或立柱上施加輔助齒條和小齒輪轉向是當今乘用車和輕型卡車中最常見的系統(tǒng)。但是，助力助力轉向系統(tǒng)規(guī)格增加了一些復雜性，并增加了動態(tài)自由度，因此，如果仿真不需要關于轉向扭矩和角度的詳細數據，因此建議使用“手動轉向”選項之一。

助力式齒輪齒條轉向系統(tǒng)組成是：

轉向柱慣性。它由從輪到小齒輪的圓柱部件組成，但不包括小齒輪。

轉向柱摩擦。由于旋轉摩擦始終與旋轉方向相反的恒定轉矩。當行進方向反向時，它需要一個參考角，該參考角代表所觀察到的磁滯回線寬度的三分之一。

轉向柱阻尼。與轉向柱角速度成正比的扭矩，與旋轉方向相反。

扭桿剛度。扭桿是在轉向柱和小齒輪輸入側之間的扭力彈簧。通過允許圓柱和小齒輪的相對旋轉，它用作扭矩傳感器。旋轉可以通過電子或光學方式進行測量，也可以控制液壓助力系統(tǒng)中液壓閥的位置。因為它是彈簧，所以挺桿的角度和轉向柱的角度與手動系統(tǒng)中的不一樣。齒條的運動是通過微分方程的積分來計算的，該方程涉及施加到齒條的所有力和系統(tǒng)慣量。

圖5.齒輪齒條助力式轉向系統(tǒng)

.轉向齒輪比。對于單比率齒條組件，這通常表示為“C因子”。C因子是齒條在一整圈內齒條的橫向位移。該關系在內部由一個表（可配置函數）表示，該表的輸入為小齒輪旋轉度，輸出為毫米的齒條平移。在手動系統(tǒng)中，小齒輪角和方向盤角相同。在動力輔助系統(tǒng)中，小齒輪角是由齒條運動產生的，該齒條運動是通過微分方程的積分而得出的，該微分方程包括施加到齒條的所有力和系統(tǒng)慣量。

（可選）中間軸運動學。中間軸及其接頭的幾何形狀導致輸出角度超前或滯后于輸入旋轉，在此表示為輸出旋轉與輸入旋轉的關系表。當輔助施加到圓柱上時，扭桿的輸出角是中間軸的輸入，中間軸的輸出是小齒輪的輸入。當輔助裝置施加到齒條時，中間軸的輸出角是扭力桿的輸入，扭力桿的輸出是小齒輪的輸入。

系統(tǒng)慣量。包括齒條，拉桿等質量的影響，表示為以小齒輪速度為索引的旋轉慣性加上實際的小齒輪慣性。在齒輪系統(tǒng)的多體分析中，慣性和質量對單個零件運動的索引是常見的。將其視為小齒輪的螺距半徑上某個點處各種組件的質量可能會有所幫助。

助力（助力）。這由施加到齒條的力（“齒條輔助”）或施加到小齒輪的轉矩（“列輔助”）來實現，這由下拉控件為選擇系統(tǒng)類型指定。提升水平來自一個表格（可配置函數），其中以扭力桿扭矩為輸入，并且具有提升力（機架輔助）或增壓扭矩（助力桿）作為其輸出。為了避免數學模型中的數值剛度，并且為了仿真增壓系統(tǒng)中的液壓或電氣延遲，采用了時間常數。時間常數應用于助力或轉矩。

齒條阻尼。與齒條的平移速度成比例的，與運動方向相反的力。

齒條摩擦。與齒條的運動方向相反的恒定力。它需要一個參考長度，該參考長度表示當方向反轉時觀察到的磁滯回線寬度的三分之一。

轉向柔度。除了懸架系統(tǒng)的柔順性外，轉向系統(tǒng)還有助于提高柔順性。懸架系統(tǒng)的柔度通常通過反力測試來衡量，以避免轉向系統(tǒng)的影響。使用平行力的第二次測量包括轉向和懸架柔度。從該總數中減去懸架效果，以獲得轉向系統(tǒng)的柔順性。由于主銷力矩的總和，它表示為每個車輪的轉向。

運動學。這是隨齒條平移而變化的車輪轉向表。它包括拉桿和轉向臂的幾何形狀。

（可選）轉向角限制器停止。當通過轉矩進行轉向控制時，如果輸入轉矩超過反作用轉矩，則可能會達到不切實際的轉向角。這可能會導致不穩(wěn)定或結果不正確。施加扭力彈簧來限制行程可以防止這種情況。當轉向由輸入角度控制時，它們是不必要的，應通過將其設置為零來禁用.

在此系統(tǒng)中，由于扭桿在負載下會發(fā)生撓曲，因此圓柱的位置與小齒輪的位置不同。如果通過設置轉向角來控制轉向，例如通過開環(huán)控制或通過閉環(huán)路徑跟隨器（“駕駛員模型”）進行控制，則由于柱子受到約束，因此柱子沒有自由度，因此更改柱子慣性不會產生任何影響。

齒條位置是由一個方程的積分得出的，該方程包括施加到齒條的所有力，包括扭桿扭矩，輔助力或扭矩，阻尼，摩擦力和拉桿力。因此，從小齒輪到車輪的系統(tǒng)始終為模型增加一個自由度。車輪轉向角在運動學上與齒條位置相關。如果系統(tǒng)由施加在方向盤上的扭矩控制，則方向盤的運動是通過對方程進行積分得出的。因此，在扭矩控制中，動力轉向為車輛模型增加了兩個自由度。

循環(huán)球式助力轉向系統(tǒng)

圖6顯示了循環(huán)球轉向系統(tǒng)的示意圖。轉向助力器應用于轉向拉桿或轉向柱。但是，助力轉向系統(tǒng)的技術增加了一些復雜性，并增加了動態(tài)自由度，因此，如果仿真不需要關于轉向扭矩和角度的詳細數據，建議使用非助力式。動力輔助循環(huán)球系統(tǒng)的組成是：

1. ????轉向柱慣性。它由從輪到小齒輪的圓柱部件組成，但不包括小齒輪。

圖 6?助力循環(huán)球式轉向系統(tǒng)

2. ????轉向柱摩擦。由于旋轉摩擦始終與旋轉方向相反的恒定轉矩。當行進方向反向時，它需要一個參考角，該參考角代表所觀察到的磁滯回線寬度的三分之一。

3. ????轉向柱阻尼。與轉向柱角速度成正比的扭矩，與旋轉方向相反。

4. ????扭桿剛度。扭桿是在轉向柱和齒輪輸入側之間的扭力彈簧。通過允許圓柱和齒輪的相對旋轉，它用作扭矩傳感器。旋轉可以通過電子或光學方式進行測量，也可以控制液壓助力系統(tǒng)中液壓閥的位置。由于它被實現為彈簧，因此轉向輸入齒輪的角度和轉向柱的角度與手動系統(tǒng)中的角度不同。輸出齒輪的運動是通過微分方程的積分來計算的，該方程包含了施加在齒輪和連桿上的所有力以及系統(tǒng)慣量。

5. ????轉向齒輪比。這是每度輸出（轉向橫拉桿）角度的輸入（方向盤）角度。該關系在內部由表（可配置函數）表示，該表的輸入為轉向輸入齒輪旋轉度，輸出為轉向橫拉桿旋轉度。在手動系統(tǒng)中，輸入齒輪角和方向盤角相同。

6. ????（可選）中級軸運動學。中間軸及其接頭的幾何形狀導致輸出角度超前或滯后于輸入旋轉，在此表示為輸出旋轉與輸入旋轉的關系表。當對柱施加輔助時，扭桿的輸出角度是中間軸的輸入，中間軸的輸出是轉向器的輸入。當輔助施加到齒輪時，中間軸的輸出角被輸入到扭桿，并且扭桿的輸出被輸入到轉向齒輪。

7. ????助力。這由施加到輸出齒輪的扭矩（“齒輪輔助”）或施加到輸入齒輪的扭矩（“轉向柱助力”）來實現，這由用于選擇系統(tǒng)類型的下拉控制指定。增壓水平來自一個表格（可配置函數），其中扭力桿扭矩為輸入，增壓扭矩為輸出。為了避免數學模型中的數值剛度，并且為了仿真增壓系統(tǒng)中的液壓或電氣延遲，采用了時間常數。時間常數將應用于提升轉矩。

8. ????系統(tǒng)阻尼。施加到齒輪的扭矩與齒輪的角速度成正比，與運動方向相反。

9. ????系統(tǒng)摩擦。向機架施加與其運動方向相反的恒定扭矩。它需要一個參考長度，該參考長度表示當方向反轉時觀察到的磁滯回線寬度的三分之一。

10. ?轉向柔度。除了懸架系統(tǒng)的柔順性外，轉向系統(tǒng)還有助于提高柔順性。懸架系統(tǒng)的柔度通常通過反力測試來衡量，以避免轉向系統(tǒng)的影響。使用平行力的第二次測量包括轉向和懸架柔度。從該總數中減去懸架效果，以獲得轉向系統(tǒng)的柔順性。由于主銷力矩的總和，它表示為每個車輪的轉向。

11. ?運動學特性。這是隨齒條平移而變化的車輪轉向表。它包括拉桿和轉向臂的幾何形狀。

12. ?（可選）轉向角停止限制器。當通過轉矩進行轉向控制時，如果輸入轉矩超過反作用轉矩，則可能會達到不切實際的轉向角。這可能會導致不穩(wěn)定或結果不正確。施加扭力彈簧來限制行程可以防止這種情況。當轉向由輸入角度控制時，它們是不必要的，應通過將其設置為零來禁用.

在此系統(tǒng)中，由于扭桿在載荷作用下會偏轉，因此立柱的位置與轉向輸入齒輪的位置不同。如果通過設置轉向角來控制轉向，例如通過開環(huán)控制或通過閉環(huán)路徑跟隨器（“駕駛員模型”）進行控制，則由于該列受到約束，因此該列沒有自由度，因此更改列慣性不會產生任何影響。轉向主動臂位置是由一個方程的積分得出的，該方程涉及施加到齒輪輸出側的所有扭矩，包括扭桿扭矩，輔助扭矩，阻尼，摩擦和拉桿力，這些扭矩表示為皮特曼臂上的扭矩。因此，從輸入齒輪到車輪的系統(tǒng)始終為模型增加一個自由度。車輪轉向角在運動學上與轉向主動臂位置相關。如果系統(tǒng)由施加在方向盤上的扭矩控制，則方向盤的運動是通過對方程進行積分得出的。因此，在扭矩控制中，動力轉向為車輛模型增加了兩個自由度.

模型關鍵特性

在本節(jié)中，還請參考上一節(jié)的示意圖和隨后的“Steering Screen”部分。

模型中的自由度

用戶有時會詢問轉向模型中的自由度（DOF）數量。當物體在每個時間步的位置由物體的加速度的常微分方程（ODE）的積分獲得其速度并對其速度的積分獲得其位置時，就會產生自由度。如果模型部件的運動是通過類似表格的形式來描述的，該表格描述了它在任何時間點的位置（例如方向盤角度隨時間的變化），或者是通過ODE積分以外的其他方式（例如“閉環(huán)轉向控制器”或“駕駛員模型”）確定轉向角，該運動不存在自由度。而是由代數關系確定。在這些情況下，該運動被稱為“受約束的”。當某物的運動受到約束時，其加速度是未知的，并且其速度只能通過使用向后差分計算來估算。這意味著可能影響加速度（最顯著的是慣性或質量）的事物的屬性在運動的計算中不起作用，因此對其沒有影響。CarSim轉向系統(tǒng)可能具有零，一或兩個自由度，具體取決于型號和控制方式。

零自由度模型

由方向盤角度控制的手動轉向系統(tǒng)為模型增加了零自由度。所有零件都通過代數約束鏈接，并且轉向命令定義每個時間步的位置。

一自由度模型

由轉向扭矩輸入控制的手動轉向系統(tǒng)增加了一個自由度。所有組件都與轉向柱的運動代數相關，因此，轉向柱，齒條或齒輪的運動以及車輪的轉向是由包含所有這些部分的慣性和質量以及所有力（阻尼，磁滯）的復雜表達式的積分產生的，輪胎力等）應用于系統(tǒng)中的零件。

由方向盤角度控制的助力轉向系統(tǒng)也為模型增加了一個自由度。在動力輔助系統(tǒng)中，圓柱運動和齒條（或齒輪）運動不是代數關聯(lián)的。取而代之的是，在立柱和操舵裝置輸入之間引入彈簧（扭桿）。扭桿下方所有零件的運動（齒條或齒輪，車輪轉向）是由于對復雜表達進行積分而產生的，涉及所有這些零件的質量和慣性以及施加在其上的所有力。但是，轉向柱被限制為具有特定的轉向角，因此其加速度是未知的，并且其慣性沒有影響。方向盤的反饋扭矩包括扭桿處的扭矩（由輸入齒輪的角度偏斜引起），轉向柱遲滯和阻尼（使用向后差來獲得角速度的估計值），但沒有影響角加速度，這是未知的。在這種情況下，說輸入（駕駛員模型或開環(huán)轉向命令）具有無限扭矩，因為它只是將車輪從一個時間步移到另一個時間步.

二自由度模型

由轉向轉矩控制的助力轉向系統(tǒng)為系統(tǒng)增加了另外一個自由度，總共兩個。在這種情況下，柱的角加速度也可以通過積分獲得，角速率也是如此。如果將慣性和力或影響力的參數（例如輪胎松弛長度，助力助力時間常數等）的選擇不當，則將DOF添加到模型中的任何時候都存在不穩(wěn)定的可能性。因此，建議不要求有關轉向扭矩和角度的詳細信息的仿真使用手動轉向選項之一。扭力桿的撓度確實會影響所需的轉向輸入以獲得給定的轉向輸出，因此諸如車輛的轉向不足坡度之類的東西會反映出這一點。

轉向扭矩和拉桿載荷的計算

轉向輪扭矩?

如上所述，方向盤扭矩來自兩個可能來源之一。在通過轉向轉矩進行控制的情況下，輸入轉矩是已知的，因為它是在仿真數據中指定的。在通過角度控制的情況下，方向盤扭矩由多個作用求和。轉向助力輔助情況下比手動更簡單。轉向管柱扭矩是扭桿扭矩、柱阻尼扭矩和磁滯扭矩的總和。（回想一下，當控制角度時，角加速度是未知的，因此列慣性不起作用。）在手動轉向的情況下，計算會更加復雜。此處沒有扭力桿，因此通過求和所有施加到齒輪或齒條上的力或扭矩來得出轉向器的輸入。請記住，在手動轉向情況下，齒條或齒輪位置受到限制（扭桿沒有自由度），因此齒輪慣性沒有影響。導出的轉向器扭矩添加到列扭矩中以報告方向盤扭矩。

拉桿載荷

對齒輪上的力求和確實需要有關拉桿載荷的信息。在CarSim中，幾乎所有系統(tǒng)（包括轉向系統(tǒng)）的元素都是在系統(tǒng)級別定義的。這意味著沒有關節(jié)或連桿（如拉桿）確切位置的信息。在不了解拉桿幾何形狀的情況下，并且由于運動受到限制，因此我們必須從其他信息中推斷拉桿載荷。雖然不知道在任何約束下的詳細力（球形接頭，拉桿），但知道了轉向輪和轉向懸架部件（轉向節(jié)，制動部件等）的總運動。因為知道它的運動，質量和慣性，所以可以計算施加到身體的總力和力矩。減去作用力（輪胎力，制動器，彈簧，阻尼器等）會由于約束而留下總力和力矩。這些是反作用力和力矩。沿轉向軸的反作用力矩的分量是由于所有力和力矩而引起的轉向轉矩。（不沿著轉向軸的組件會受到其他約束的影響）。有關輪端運動學的約束信息（橫拉桿/轉向臂）意味著有效的力矩臂。從該力矩臂和轉向力矩的總和可以得到一個力。在有動力輔助的情況下，此力會施加到齒條上，或僅用于在手動轉向中獲得齒條的總力。（當通過齒輪而不是齒條進行轉向時，由于沒有關于轉向橫拉桿臂長的信息，因此計算了由拉桿引起的力矩）。

轉向管柱和轉向齒輪特性?

轉向系統(tǒng)大致分為兩部分：圓柱和齒輪（包括小齒輪或輸入齒輪）。在電動助力轉向系統(tǒng)中，立柱通過扭桿連接至齒輪。在手動轉向系統(tǒng)中，不存在扭力桿，并且轉向柱直接連接至輸入齒輪。轉向柱的特性是它的慣性，阻尼系數和摩擦力（磁滯），由力大小和參考角組成，該參考角大約等于磁滯回線度數的寬度的三分之一。齒條或齒輪的屬性是指系統(tǒng)慣性，阻尼系數和磁滯。慣性隨轉向管柱屬性一起列出，因為它已索引到小齒輪或輸入齒輪。慣性表示包括齒條和拉桿在內的組件的質量，小齒輪或輸入齒輪的慣性以及輸出齒輪和轉向臂的慣性。零件使用單個慣性值，而不是單個質量或慣性。慣性分度到小齒輪或輸入齒輪。在多體建模中，齒輪系統(tǒng)中的屬性索引到系統(tǒng)的單個元素是很常見的?？紤]系統(tǒng)慣性的一種方法是考慮齒條和拉桿的質量，該質量集中在小齒輪的螺距半徑處。請注意，齒條和小齒輪的“ C因子”僅是小齒輪的螺距周長。分度到輸入齒輪的慣性將是質量乘以俯仰半徑的平方。齒條或齒輪的阻尼和磁滯值參考輸出側.

控制方法和某些屬性的影響

當對象的運動受到限制時（例如，轉向的輸入是通過開環(huán)或閉環(huán)控制來控制轉向角時），該位置不是通過對常微分方程（ODE）進行積分獲得的，而只需設置即可作為查找表中的值，閉環(huán)駕駛員模型的輸出或從外部代碼或VS命令導入的值。沒有ODE，人體的加速度是未知的。慣性效應是對加速度的反應。因此，當物體受到約束并且無法獲得ODE的加速度時，其慣性不會對運動產生影響。這意味著當控制轉向角而不是轉矩時，轉向管柱慣性不會產生影響。在柱和齒輪之間沒有扭桿的手動轉向系統(tǒng)中，系統(tǒng)慣性同樣無效。但是，在轉矩控制中，將各種力（輸入轉矩，阻尼轉矩，磁滯轉矩，可能是扭桿轉矩）施加到慣性以獲得加速度。對加速度積分以獲得速度和位置?？赡軙T使用戶為慣性輸入諸如0的值，這些慣性不會對角度控制產生影響，但請注意。在某些時候，用戶可能會使用同一輛帶有扭矩控制的車輛來創(chuàng)建仿真。在這種情況下，仿真將失敗。

四輪轉向和拖車轉向軸

可以操縱CarSim車輛上的任何車軸，包括拖車車軸。默認情況下，僅牽引車輛的第一個軸?！稗D向系統(tǒng)”界面通過下拉控件支持后軸轉向，該控件顯示其他區(qū)域和鏈接以描述其特性。拖車界面不直接支持轉向，但可以使用通用界面和其他控件來添加。四輪轉向非常少見，可轉向的拖車軸幾乎聞所未聞，但是如果需要，可以創(chuàng)建它們。指定要轉向的軸會增加模型的復雜性，因此僅在必要時才使用。通過將OPT_STEER_EXT（iaxle）設置為0來啟用軸的內部轉向模型，并通過將其設置為1來禁用軸的內部轉向模型。0是軸1的默認值，而1是所有其他軸的默認值。如果需要創(chuàng)建可轉向的拖車，則可以創(chuàng)建具有四輪轉向的牽引車輛，并研究轉向系統(tǒng)界面的Parsfile，以查看添加的參數和可配置的函數。注意，假定第一軸以外的軸是伺服控制的。只有第一軸上的作用會影響駕駛員的轉向扭矩。

主銷幾何參數的影響

主銷（轉向軸）由其相對于車輪中心的位置以及其在側視圖（腳輪角度）和正視圖（主銷傾斜角度）的傾斜度定義。當車輪被轉向時，車輪和懸架的轉向部分圍繞主銷軸旋轉。偏移量和傾斜度的綜合作用導致輪胎接觸中心繞著主銷軸與地面的交點通過弧線移動，使車輪彎曲，并使車輪中心相對于懸架垂直移動。所有這些效果都包含在VS求解器中。方向盤的旋轉軸通常不垂直于轉向軸。在CarSim中，主銷軸由在轉向系統(tǒng)界面上設置的幾何參數定義。車輪旋轉軸的相應方向在懸架運動學界面上使用靜態(tài)前束和外傾角指定。這些描述了轉向軸和旋轉軸之間的固定3D關系。懸架運動學和柔度特性會影響X，Y和Z軸的平移，這將應用于主銷軸。影響外傾角和俯沖的懸架運動學和柔順特性也適用于主銷軸。另一方面，圍繞腳趾的懸吊效果會在圍繞主銷軸轉向的方向上作用于車輪（其方向又由其旋轉軸定義）。主銷軸的傾斜度會隨著主銷轉向角的變化而產生可變的轉向增益，該增益通過車輪平面與車輛X-Y平面的交點繞轉向軸（主銷）的旋轉單位來測量。通過CarSim轉向系統(tǒng)界面，用戶可以選擇圍繞車輪Z軸轉向還是圍繞主銷轉向的車輪轉向定義。相對于Z軸定義轉向，意味著此可變增益的影響包括在車輪轉向的運動學表中（例如，轉向是在地面上測量的）。相對于主銷定義轉向，意味著可變增益的影響未包含在車輪轉向的運動學表中（例如，將轉向測量為圍繞轉向軸的旋轉角度）。第一個選項（在地面上測量轉向）是CarSim中的默認行為。請注意，此處的“在地面上測量的Steer”實際上表示“在K＆C測試臺上在彈簧質量X-Y基準平面上測量的Stete”。它不是車輪平面與道路的交角，因為車輛的運動和道路的幾何形狀使這種關系連續(xù)變化。

轉向助力系統(tǒng)?

如果選擇了助力轉向系統(tǒng)，則藍色鏈接可用于助力轉向數據集，該數據集將助力曲線定義為扭桿扭矩和車速的函數。黃色區(qū)域可用于定義扭桿的剛度。在常見的助力轉向系統(tǒng)配置中，扭桿放置在轉向柱和轉向輸入齒輪之間。由于施加的扭矩而導致的扭桿撓曲會打開一個閥，將液壓壓力沿撓曲方向引導至轉向齒輪。壓力產生力或扭矩以輔助轉向。在某些系統(tǒng)中，扭桿的撓曲是通過光學或電子方式讀取的，并且此信息會傳遞到控制器。控制器將信息發(fā)送到電動機，電動機在齒條或齒輪上產生動力。在每種不同的情況下，結果都是相同的：扭力桿由駕駛員的輸入和轉向系統(tǒng)的反饋加載。通過液壓或電動方式處理信息，以控制齒條或齒輪上的助力或力矩。選擇了轉向管柱助力后，將其應用于輸入齒輪。由于系統(tǒng)的輸出不能響應輸入的變化而瞬時變化，因此使用簡單的時間常數來定義系統(tǒng)響應的一階延遲。助力轉向助力曲線界面上有一個數據區(qū)域，可用于定義系統(tǒng)液壓系統(tǒng)的時間常數。時間常數反映了系統(tǒng)提升響應扭桿扭矩的變化而從一個穩(wěn)態(tài)值變?yōu)榱硪粋€穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。它為動力轉向系統(tǒng)增加了動態(tài)效果。由于其質量，慣性，助力大小，輪胎特性，扭桿特性以及轉向器的阻尼和滯后性，因此無法給出具體的指導值?？梢哉f，如果時間常數太短，系統(tǒng)將變得僵硬，模型可能會崩潰。如果時間太長，助力將滯后于轉向輸入并產生不切實際的結果或穩(wěn)定性問題。響應于扭桿扭矩的變化，將時間常數應用于助力（或扭矩）。通常通過內部閥門將助力轉向輔助系統(tǒng)限制在某個最大值，以防止壓力過大。助力轉向助力曲線界面上的數據區(qū)域用于指定最大輸出力或扭矩。默認最大值是10000（N或N-m，取決于轉向器類型的選擇），該值高于大多數系統(tǒng)的最大輸出。這使用戶可以選擇是通過使用升壓曲線的平線外推法還是通過指定最大值來限制最大輸出。在計算中，施加的提升等于指定最大值或表中值中的較低者。

使用助力轉向

轉向助力系統(tǒng)為模型增加了助力特性。扭桿是彈簧，齒輪有質量（在齒條和小齒輪的情況下）或轉動慣量（在循環(huán)球齒輪的情況下）。系統(tǒng)會產生助力或力矩，其大小受時間常數的影響。如果參數和表的值選擇不當，則系統(tǒng)可能會顯示不穩(wěn)定性，例如轉向轉矩或轉向角的振蕩，或兩者兼而有之。助力轉向系統(tǒng)可以應用于齒輪的輸出側（齒條或循環(huán)球），也可以應用于輸入側。當它應用于輸入端時，我們稱其為“轉向管柱助力”。轉向管柱助力是施加到小齒輪或輸入齒輪的扭矩。在輸出側，助力作用是施加在齒條上的力或輸出齒輪上的扭矩。如果助力是從外部模型或VS Commands導入的，則齒條輔助的導入變量為IMP_F_BOOST_EXT，即施加到齒條的力。對于帶有轉向管柱助力的齒輪齒條，帶齒輪助力的循環(huán)球或帶轉向管柱助力的循環(huán)球，導入變量名稱為IMP_M_BOOST_EXT。請注意，盡管變量名稱相同，但應用的重點取決于轉向類型的選擇。齒輪類型由OPT_RACK設置，動力轉向選項由OPT_POWER設置。齒輪類型的選擇通常由“轉向系統(tǒng)”界面處理。大多數用戶不需要研究動力轉向系統(tǒng)的詳細行為。用戶可能還不熟悉這些系統(tǒng)，并且難以提供適當的數據來描述該系統(tǒng)。（“混合搭配”很少是一個好主意）。因此，僅在需要系統(tǒng)的詳細操作時才應選擇動力輔助。在手動轉向系統(tǒng)中，可以通過使用從查詢表中獲得轉向轉矩的選項（而不是根據主銷力矩進行計算）來模仿動力系統(tǒng)提供的轉矩降低。如果使用導入變量替換內部計算出的動力轉向助力（IMP_F_BOOST_EXT或IMP_M_BOOST_EXT），則在外部代碼處理系統(tǒng)動態(tài)的情況下，將動力轉向時間常數（TC_BOOST）設置為零。如果要讓CarSim處理動態(tài)變化（一階延遲），請給時間常數一個適當的非零值。

Kinematics運動學特性

轉向系統(tǒng)的運動學特性包括固定比率或可變比率的轉向和用于連桿機構運動學的表格。如果選擇了可變比率轉向，則會在界面上提供一個鏈接，其中包含一個表格，用于定義中間軸輸出旋轉角度與輸入旋轉角度之間的關系，以及一個表格，用于定義轉向齒輪輸出（度數或mm，取決于所選齒輪類型）與轉向器輸入軸之間的關系。在手動轉向的情況下，方向盤輸入等于方向盤輸入，可能由中間軸修改。在使用助力轉向時，方向盤輸入等于方向盤輸入（可能由中間軸修改）加上扭桿撓度。如果選擇恒定的轉向比，則會顯示一個區(qū)域來定義齒條和小齒輪C因子（每小齒輪旋轉的齒條位移毫米，小齒輪的螺距圓周）或循環(huán)球轉向齒輪速比（轉向臂旋轉每度的輸入齒輪旋轉度）轉向器通過可改變轉向器輸出的連桿機構（例如，拉桿）連接至轉向節(jié)。這些影響的單位轉向器輸出的車輪轉向表，例如Ackerman轉向。表中定義的駕駛員轉向控制模型與轉向系統(tǒng)運動學之間的相互作用涉及一些假設。由于前輪轉向角在正轉向輸入下應始終為正（將方向盤向左旋轉會導致前輪向左旋轉），因此轉向齒輪箱和方向盤轉向的梯度標志必須為相同。為簡單起見，表中的數據應始終具有正斜率。也就是說，轉向架的位移（以毫米為單位）或轉向臂的旋轉（以度為單位）必須始終隨轉向輸入的增加而增加。同樣，方向盤轉向必須隨著轉向器或齒條輸出的增加而增加。對于后軸轉向與前軸轉向相反相位的四輪轉向車輛，可以將速度敏感的后轉向增益設為負號。安裝在軸前方的齒條和小齒輪系統(tǒng)與安裝在軸后方的齒輪系統(tǒng)之間的差異是由轉向和懸架依從性界面上指定的依從性轉向（例如，轉向與風向）引起的。

Compliance 彈性學(柔性)特性

認為轉向系統(tǒng)的柔順性是由于圍繞車輪主銷軸的總力矩所致。力矩是由垂直載荷，輪胎力和定位力矩以及主銷幾何形狀產生的。總力矩和非線性柔度函數決定懸架中兩個車輪的柔度轉向。由于兩個車輪均由相同的轉向系統(tǒng)驅動，因此兩個車輪的轉向系統(tǒng)順應性轉向相同。垂直輪胎力會導致圍繞主銷軸的力矩。如果左右方向的垂直力不同（例如底盤轉彎或不對稱時），則轉向系統(tǒng)會產生凈力矩，可能會導致一些順應性轉向。

速度敏感型低速轉向扭矩（駐車扭矩）

在零速行駛時，根據磨砂半徑（輪胎接觸中心與轉向軸與地面的交點之間的橫向偏移），對輪胎進行轉向需要同時進行磨損和滾動。這種磨損所產生的阻力會給主銷力矩增加扭矩，從而增加了低速行駛時的轉向力。如果使用計算低速轉彎滑移影響的輪胎模型，則應將此屬性設置為零。這些屬性在“轉向：駐車扭矩”界面上的表格中描述。該扭矩的大小取決于許多因素，包括輪胎性能，轉向系統(tǒng)幾何形狀和靜態(tài)定位。輪胎模型并非旨在預測這種性能，因此很少測量輪胎在不打滑的情況下繞貼片中心純轉彎的數據。盡管如此，某些應用（例如，半實物轉向測試系統(tǒng)和駕駛模擬器）仍需要現實的低速轉向扭矩。作為車輛，輪胎和道路的經驗確定的特性，包括低速轉向轉矩。用戶可以將其定義為速度的函數，以在零或非常低的速度下提供逼真的轉向系統(tǒng)負載，并消除速度增加和滾動變得支配行為時的磨損效應。縮放效果以考慮道路摩擦系數。轉向方向相反時，觀察到的轉矩不會立即從一個極限跳到另一個極限，而是需要一定的轉向才能過渡。稱為beta的參數定義了轉向系統(tǒng)進行過渡的速率。Beta有時稱為空間時間常數，在方程中出現的時間常數與一階微分方程中的時間常數相同。但是，它不是具有時間單位，而是具有角偏轉單位。Beta大約是通過一個極限到另一個極限的95％扭矩變化所需要的角度的1/3。例如，如果需要1.5°來覆蓋95％的轉矩滯后，則Beta應為0.5°。

外部轉向模型??(Simulink, VS Commands, etc.)

經驗豐富的用戶可以用外部定義的模型替換整個或部分轉向系統(tǒng)。通常，這是使用Simulink或VS Commands完成的，盡管使用API可以實現許多其他替換方法。數學模型包括許多導入變量，這些變量可用于替換內部模型的某些部分。表2列出了轉向控制的導入變量，表3列出了用于使軸1上的車輪轉向的導入變量。后軸帶有后綴2的后軸（_L2和_R2）也存在類似的變量。.

表2.轉向系統(tǒng)頂層控件的導入變量

輸入關鍵字	描述
IMP_DSTEER_SW	方向盤角速度
IMP_F_BOOST_EXT	轉向齒條助推力（僅適用于內部轉向模型）
IMP_M_BOOST_EXT	轉向器助力扭矩（僅適用于內部轉向模型）
IMP_M_TBAR_EXT	外部模型的轉向柱反作用扭矩
IMP_STEER_SW	方向盤角度
IMP_STEER_T_IN	轉向輸入扭矩

表3.車軸1轉向系統(tǒng)的導入變量

關鍵字	描述
IMP_DSTEER_CON_L1	外部模型的車輪L1和R1的轉向器角速度
IMP_DSTEER_CON_R1
IMP_DSTEER_L1	轉向系統(tǒng)導致的車輪L1和R1轉向角速率（不進行平移/側傾轉向），來自外部模型
IMP_DSTEER_R1
IMP_DSTEER_RACK_CON_L1	外部型號的車輪L1和R1的轉向齒條速度
IMP_DSTEER_RACK_CON_R1
IMP_F_TIEROD_L1	外部模型在車輪L1和R1的拉桿上的齒條上的作用力
IMP_F_TIEROD_R1
IMP_M_KP_L1	額外的主銷扭矩在彈簧上反作用
IMP_M_KP_R1
IMP_M_TIEROD_L1	由于外部模型的車輪L1和R1的拉桿負載而在Pitman臂上產生的力矩
IMP_M_TIEROD_R1
IMP_R_STR_EXT_L1	帶有外部轉向模型的車輪L1的總轉向比，由閉環(huán)轉向控制器使用（駕駛員模型）
IMP_R_STR_EXT_R1
IMP_STEER_CON_L1	外部模型的車輪L1和R1的轉向器輸出角度（輸入到非線性轉向運動學表中）
IMP_STEER_CON_R1
IMP_STEER_L1	轉向系統(tǒng)導致的車輪L1和R1轉向角（非行駛/側傾轉向）來自外部模型
IMP_STEER_R1
IMP_STEER_RACK_CON_L1	外部模型的車輪L1和R1的轉向齒條位置（輸入到非線性轉向運動學表）
IMP_STEER_RACK_CON_R1

經驗豐富的用戶可以使用這些導入變量的許多組合來替換轉向系統(tǒng)模型的某些部分。此外，還為每個車軸提供了參數，以支持替換模型部分的三個選項。參數為OPT_STEER_EXT（iaxle）。OPT_STEER_EXT的有效值為0到4之間的整數。請記住，當OPT_STEER_EXT設置為2、3或4時，將替換轉向系統(tǒng)的一個或多個特定部分，并且將忽略描述該系統(tǒng)部分的內部代碼。也就是說，CarSim沒有有關系統(tǒng)那部分的信息，因此用戶必須提供通常為該系統(tǒng)內部計算的所有信息。

0和1,設置內部轉向和無轉向?

設置OPT_STEER_EXT =1表示軸不進行轉向，也沒有為其定義轉向系統(tǒng)。但是，仍然存在由懸架運動學和順應性引起的轉向效應。當指定為1時，將繞過轉向運動學的求解器代碼，從而使效率略有提高。與轉向相關的大多數參數和表未顯示在回聲文件中。由于會忽略用于計算轉向系統(tǒng)效果的代碼，因此任何導入變量均無效。除第一個軸外，所有軸的默認值為1。?值為0表示車軸的完整轉向來自CarSim內置轉向模型。在VS瀏覽器中的適當位置鏈接到轉向效果，則將該軸的OPT_STEER_EXT設置為0。對于完整的內部轉向模型（選項0），存在導入變量，并且可以將其與內部模型中的變量組合。轉向助力和扭力桿扭矩的導入變量對于內部模型最為有用，并且它們支持所有應用程序選項（加，替換，乘）。其他進口產品涉及對運動的直接控制（機架位置，車輪轉向等），并且僅支持“添加”選項。當使用它們潛在地增強內部模型的運動時，還必須提供其導數的輸入。

選項2替換轉向齒輪

設置OPT_STEER_EXT =2將保留轉向柱和拉桿/轉向臂的運動學特性，并用外部元件代替齒條和小齒輪或轉向齒輪等的動態(tài)特性，助力和控制信息。

更換轉向器后，CarSim不會獲得有關該齒輪的特性，其動力學特性，助力系統(tǒng)，摩擦，阻尼等信息。在外部模型中計算出的內容必須具有用戶創(chuàng)建的導入變量，才能使用可視化工具，或以任何其他方式使用。表4列出了外部模型應提供的導入變量，表5列出了外部模型可能需要的輸出變量。

表4.更換轉向齒條/齒輪時要導入的變量

變量	描述
IMP_DSTEER_CON_(whl)	（whl）（L1，R1等）的齒輪輸出速度
IMP_STEER_CON_(whl)	（whl）的齒輪輸出角（L1，R1等）
IMP_DSTEER_RACK_CON_(whl)	（whl）（L1，R1等）的齒條的輸出速度
IMP_STEER_RACK_CON_(whl)	（whl）（L1，R1等）齒條的輸出位置
IMP_R_STR_EXT_(whl)	（whl）（L1，R1等）的瞬時總轉向比
IMP_M_TBAR_EXT	齒輪到圓柱的反作用扭矩

表5.更換轉向齒條/齒輪的輸出變量

變量	描述
STEER_SW	方向盤（柱）角
STRAV_SW	方向盤（柱）角速度
F_Trd(whl)	在齒條的運動方向上對齒條施加的拉桿力或
M_Trd(whl)	在轉向器輸出端由于拉桿力而產生的力矩

選項3:更換整個系統(tǒng)，拉桿/轉向臂動力學除外

設置OPT_STEER_EXT = 3會替換除橫拉桿和轉向臂運動學之外的所有內容。更換轉向器和轉向柱時，CarSim沒有有關轉向柱或齒輪的特性，其動力學，運動學聯(lián)系，助力系統(tǒng)，摩擦，阻尼等信息。在外部模型中計算的內容必須由用戶創(chuàng)建導入變量以使用VS Visualizer進行繪制，或以任何其他方式使用。表6列出了外部模型應提供的導入變量，表7列出了外部模型通常需要的輸出變量。

表6.更換轉向管柱和轉向齒條/齒輪時要導入的變量

描述	描述
IMP_DSTEER_CON_(whl)	（whl）（L1，R1等）的齒輪輸出速度
IMP_STEER_CON_(whl)	（whl）的齒輪輸出角（L1，R1等）
IMP_DSTEER_RACK_CON_(whl)	（whl）（L1，R1等）的齒條的輸出速度
IMP_STEER_RACK_CON_(whl)	（whl）的齒條的輸出位置（L1，R1等）
IMP_R_STR_EXT_(whl)	（whl）（L1，R1等）的瞬時總轉向比
IMP_STEER_T_IN	轉向輸入扭矩

表7.更換轉向管柱和轉向齒條/齒輪的輸出變量

變量	描述
STEER_SW	方向盤角度（控制輸入）
STRAV_SW	方向盤角速度（控制輸入）
M_SW	轉向扭矩輸入（開環(huán)控制）
F_Trd(whl)	在齒條運動方向上對齒條施加的拉桿力或
M_Trd(whl)	在轉向器輸出端由于拉桿力而產生的力矩

選項4替換整個轉向系統(tǒng)

當轉向系統(tǒng)被完全更換（OPT_STEER_EXT= 4）時，CarSim沒有有關任何組件的屬性，其動力學，運動學聯(lián)系，助力系統(tǒng)，摩擦，阻尼等的信息。在外部模型中計算出的內容必須具有用戶 -創(chuàng)建的導入變量，以使用VS Visualizer進行繪制或以其他任何方式使用。表8列出了外部模型應提供的導入變量，表9列出了外部模型通常需要的輸出變量。

表8.更換整個轉向系統(tǒng)時要導入的變量

變量	描述
IMP_DSTEER_(whl)	轉向速度（whl）（L1，R1等）
IMP_STEER_(whl)	轉向角（whl）（L1，R1等）
IMP_R_STR_EXT_(whl)	（whl）（L1，R1等）的瞬時總轉向比
IMP_STEER_T_IN	轉向輸入扭矩

表9.用于替換整個轉向系統(tǒng)的輸出變量

變量	描述
STEER_SW	方向盤角度
STRAV_SW	方向盤角速度
M_SW	轉向扭矩輸入（開環(huán)控制）
F_Trd(whl)	在齒條的運動方向上對齒條施加的拉桿力或
M_Trd(whl)	在轉向器輸出端由于拉桿力而產生的力矩

轉向界面?

有兩個界面可以裝配轉向系統(tǒng)的屬性。圖7顯示的是定義了整個轉向系統(tǒng)的界面。①轉向柱慣量（關鍵詞=I_COL）。轉向盤和旋轉柱部件的慣性力矩。當轉向輸入是通過轉向角度（開環(huán)控制或閉環(huán)控制），這個參數沒有影響。由于管柱的加速度是未知的，CarSim無法計算出慣性力矩效應。當輸入的是開環(huán)扭矩控制時，這個參數是必須的。②轉向系統(tǒng)慣量（關鍵字=I_GEAR_IN）。轉向齒輪和連桿部件的慣性力矩。系統(tǒng)慣性與輸入齒輪有關。它代表了在輸入齒輪處產生角加速度所需的扭矩。這個量不包括轉向輪端部件（轉向節(jié)、剎車、車輪和輪胎）在轉向軸上的慣性力矩。將慣量與輸入齒輪的慣量相加，意味著方程將齒條和拉桿的質量，或輸出齒輪、搖臂和拉桿的慣量，視為它們與輸入齒輪的慣量組合在一起。例如，如果齒條和小齒輪的C系數為40mm/rev，則小齒輪節(jié)距半徑為0.00637m。4kg的齒條和拉桿質量將對系統(tǒng)慣性產生m*r^2或0.000162kg-m^2。這是一個重要的事實：如果對C系數進行調整，系統(tǒng)慣性應按C系數平方的變化比例進行調整。

③轉向柱阻尼（關鍵詞 = D_COL）。應用于轉向柱的粘性阻尼系數。

④轉向柱滯后（關鍵字=HYS_COL）。轉向柱滯后扭矩。這是在向左和向右轉動方向盤時測量到的扭矩差值的二分之一，僅適用于轉向柱部件。它代表了轉向柱部件中的摩擦力。

圖 7 轉向系統(tǒng)界面

? ??⑤轉向柱參考滯后角（關鍵詞=BETA_COL）。當轉向方向反轉時，摩擦（滯后）力矩不會瞬間從一個極限跳轉到另一個極限, 需要一定的位移量來實現過渡。一個名為β的參數定義了摩擦力矩實現這一過渡的速度。β有時被稱為空間時間常數，出現在方程中，與一階微分方程中的時間常數相同。但是，它是以位移（度）為單位，而不是以時間為單位。

β約為從一個極限轉矩到另一個極限轉矩變化的95%所需的角度的1/3。例如，如果需要1.5°才能覆蓋95%的轉矩滯后，那么Beta就是0.5°。

⑥下拉列表，用于選擇方向盤處的扭矩計算方法（圖8）。

圖 8.在方向盤處計算扭矩的選項

如果選擇了從表格中計算方向盤扭矩，則可以鏈接到定義方向盤扭矩為總扭矩和車速的函數的表格。如果選擇了 "主銷力矩計算"，那么用于獲得方向盤扭矩的方法取決于轉向器的控制輸入。當轉向器由扭矩輸入控制時，只需將指定的輸入扭矩傳遞給輸出變量進行計算。當轉向由方向盤角度輸入控制時（開環(huán)或由駕駛者模型控制），則需要利用主銷轉矩、瞬時轉向比、動力轉向輔助、立柱阻尼和立柱滯后等參數來計算出方向盤轉矩。轉向柱慣性加速所需的轉矩不包括在計算中，因為開環(huán)控制指定了一個轉向角，而駕駛員模型產生的是一個轉向角，而轉向角的二導數（角加速度）在VS求解器中一般是沒有定義的。?輸出變量F_TRdL*和F_TRdR*(來自拉桿的齒條載荷)是用每個車輪的主銷力矩乘以車輪運動學表插值值計算出來的。

⑦@中心的側向偏移量(關鍵字=L_KPO)。車輪中心平面在中心軸之外的側向距離。這個距離是沿著輪子的旋轉軸取的。

⑧Kingpin傾斜度（關鍵字=A_KPI）。Kingpin軸傾角（轉向軸傾角）相對于車輛的X-Z平面。轉向軸的Kingpin角為正的轉向軸向內傾，如界面上的圖所示。

⑨X坐標@中心（關鍵字=X_KPO）。相對于車輪旋轉軸的縱向位置。如果輪子中心點在主銷的后方，則該坐標為正，如圖中所示。

⑩?傾斜角（關鍵字=A_CASTER）。從車輛的側面看，Kingpin軸的傾斜度。如界面上的圖所示，具有正向腳輪的轉向軸向后方傾斜。

傳統(tǒng)的扭桿梁從來都是主動轉向的。通過項目中的數據會被忽略。為了達到前束和轉向一致性的目的，車輪在設計負荷時，車輪圍繞著一個軸線，通過車輪中心的垂直方向進行轉向。??用于選擇前輪轉向系統(tǒng)類型的下拉列表（圖9）。

圖 9. 前輪的轉向類型

如果選擇了 "前輪：手動循環(huán)球"，那么動力轉向系統(tǒng)標題下的控件就會被隱藏起來，而顯示的用于指定轉向齒輪運動學和連桿運動學的控件則描述了適當的單位（齒輪箱輸出以皮特曼臂旋轉度為單位）。請注意，雖然該控件指的是循環(huán)球轉向，但這一術語的選擇只是因為它是最常見的齒輪類型。其他類型的齒輪（例如，蝸桿和扇形、蝸桿和滾子）也用這些控制器來描述。只是為了與齒輪齒條和小齒輪系統(tǒng)區(qū)分開來。如果選擇了前輪：手動齒輪齒條和小齒輪，那么動力轉向系統(tǒng)標題下的控件將被隱藏，而顯示的用于指定轉向齒輪運動學和連桿機構運動學的控件描述了適當的單位（齒輪箱輸出，單位為齒條平移毫米）。如果選擇了 "前輪：齒輪輔助循環(huán)球 "或 "前部：立柱輔助循環(huán)球"，則顯示 "動力轉向系統(tǒng) "標題下的控件，用于指定轉向齒輪運動學和連桿運動學的控件描述了適當的單位（齒輪箱輸出，單位為皮特曼臂旋轉度）。請注意，雖然該控件指的是循環(huán)球轉向，但選擇這一術語只是因為它是最常見的齒輪類型。其他類型的齒輪（例如，蝸桿和扇形、蝸桿和滾子）也用這些控制器來描述。只是為了與齒輪齒條和小齒輪系統(tǒng)區(qū)分開來。在齒輪輔助中，輔助是施加到齒輪的輸出端的扭矩。在柱式輔助中，它是施加在齒輪的輸入側。如果選擇了Front: rack assist rack and pinion或Front: column assistrack and pinion，則顯示在動力轉向系統(tǒng)標題下的控件，用于指定轉向齒輪運動學和連桿運動學的控件描述了適當的單位（齒輪箱輸出，單位為齒條平移毫米）。在齒條輔助中，輔助是施加在齒條上的力。在立柱輔助中，輔助力是施加在小齒輪上的力矩。

?用于指定轉向齒輪的運動特性的控制裝置。

根據下拉列表的設置??，這些控件指的是齒輪比或齒輪齒條和小齒輪比。每種齒輪類型提供了一個選項來鏈接到一個可變的轉向傳動的轉向齒比表，或黃色區(qū)域來指定一個恒定齒輪比。如果選擇了恒定齒輪比，并且齒輪類型是循環(huán)球，那么會出現一個指定齒輪比的字段（圖7）。

圖 7. 設置一個恒定的齒輪比（循環(huán)球）

變速比是以每度輸出的輸入度數來指定的。這是工業(yè)上指定轉向齒輪比的常用術語。它應該總是有一個非零的正值。如果這里指定的值為0，VS求解器將因除以0的錯誤而失敗。程序函數決定轉向器輸出響應于一個輸入。該字段中的0會產生一個未定義的結果。如果你希望由于某種原因而禁用轉向，請選擇可變齒輪比選項，并在表格界面上指定一個常數值為零。當選擇了可變齒輪比時，鏈接的表格定義了單位輸入的輸出（恒定齒輪比的倒數）。第二個表格可選擇定義中間軸的輸出旋轉角度作為輸入角度的函數。如果選擇了恒定齒輪比，并且齒輪類型為齒輪齒條和小齒輪，則會出現一個指定齒輪比的字段（圖8）。

圖 8. 設置一個恒定的C系數（齒條和小齒輪）

?傳動比由C系數指定-C齒條和小齒輪傳動比在工業(yè)上是一個常用術語。C系數是小齒輪每轉一圈的齒條平移量，單位為mm。在VS求解器中，它應始終具有正值。

??鏈接到數據集的鏈接，這些數據描述了在沒有輪胎力的情況下方向盤的轉向與轉向器輸出的關系。

這些表中的數據必須始終具有正斜率。

?用于指定用于定義車輪轉向角的軸的下拉列表（圖9）。

圖 9. 用于指定用于定義轉向角的軸的選項

第一個選擇“在車輛坐標系中定義轉向角”是默認選擇。它規(guī)定了相對于車輛Z軸定義了車輪轉向角。這是由車輪平面與車輛X-Y平面的相交線形成的角度，并且是通常在運動學測試臺上測量的角度。第二個選擇“將轉向角定義為主銷旋轉”指定相對于轉向軸（主銷）定義車輪轉向角。如果使用安裝在懸架上的傳感器測量轉向角，或者根據轉向幾何因素（例如轉向臂長度和齒條平移）計算轉向角，則此選擇可能更方便。?鏈接到轉向系統(tǒng)：彈性學特性數據集。鏈接的數據集定義了轉向輪的總體轉向系統(tǒng)順彈性學效果。每個都是非線性成形表，該表乘以左右車輪圍繞其主銷軸的總力矩來獲得彈性學轉向效果。

?轉向器阻尼（關鍵字= D_GEAR）或轉向齒條阻尼（關鍵字=D_RACK）。這是轉向器的阻尼系數。對于循環(huán)球轉向，該值基于轉向臂的角速度。對于齒條齒輪系統(tǒng)，它基于齒條平移速度。

?轉向器遲滯（關鍵字= HYS_GEAR）或轉向齒條滯后（關鍵字=HYS_RACK）。轉向器處的磁滯（摩擦）。這是左右轉向時測得的扭矩（或齒條和小齒輪系統(tǒng)的力）差的一半。它表示齒輪，拉桿，球節(jié)，主銷等的總摩擦。

?轉向器參考滯后角（關鍵字= BETA_COL）或齒條參考滯后長度（關鍵字=BETA_RACK）。當轉向方向反轉時，摩擦（磁滯）不會立即從一個極限跳到另一個極限，過渡需要一定的位移量。稱為Beta的參數定義了摩擦進行此過渡的速率。Beta有時稱為空間時間常數，在方程中出現的時間常數與一階微分方程中的時間常數相同。但是，它以位移單位（度或毫米）而不是時間表示。

Beta大約是改變運動方向時通過力（或扭矩）變化的95％所需的位移的1/3。例如，如果需要1.5毫米來覆蓋95％的磁滯，則beta將為0.5毫米。

?數據集的可選鏈接，描述了要添加到主銷力矩上的附加抵抗扭矩，該扭矩是車輪垂直載荷和車輛速度的函數。

?轉向停止角限制（關鍵字= A_STR_STOP_L，A_STR_STOP_R）遇到轉向停止時的車輪轉向角。通常，左輪為負值（右轉時為外輪），右輪為正值（左轉時為外輪）。

?轉向止動剛度（關鍵字= K_STR_STOP_L，K_STR_STOP_R）每個車輪上的轉向止動裝置的剛度。通常，如果通過轉向角控制轉向，則應將其設置為零（禁用），因為轉向控制將繼續(xù)轉向，從而導致很高的轉向力，并且模型可能會變得不穩(wěn)定。但是，當通過扭矩進行轉向控制時，轉向停止會阻止系統(tǒng)中不切實際的轉向角度。

?可選鏈接到描述助力轉向系統(tǒng)的助力扭矩或力的數據集。僅當選擇了一種助力轉向選項時才會顯示。顯示的類型取決于所選的齒輪類型。當選擇了后轉向選項之一時，后橋沒有助力轉向信息，因為它假定處于伺服控制之下。

轉向助力界面包括一個字段，用于定義動力轉向系統(tǒng)的時間常數。由于系統(tǒng)的輸出不能響應輸入的變化而瞬時變化，因此使用簡單的時間常數來定義系統(tǒng)響應的一階延遲。

??扭力桿剛度（關鍵字= TBAR）如果選擇了助力轉向選項之一，則顯示此字段以指定動力轉向器扭力桿的剛度。

?用于選擇后輪轉向系統(tǒng)類型的下拉列表（圖10）

圖10后輪的轉向選項

如果選擇“后輪：未選擇后輪轉向”，則用于指定后輪轉向系統(tǒng)的控件將被隱藏。如果選擇了后轉向選項之一，則將顯示鏈接以指定系統(tǒng)屬性，與前轉向系統(tǒng)一樣，并顯示后轉向主銷幾何形狀的字段。此外，還提供了指向“轉向系統(tǒng)：后輪增益”數據集的鏈接。假定后輪轉向系統(tǒng)處于伺服控制之下。即，它們沒有機械地鏈接到前轉向系統(tǒng)。典型的后轉向系統(tǒng)受到控制，以使其根據車輛速度以與前轉向不同的比例進行轉向。由于前轉向系統(tǒng)在機械上未連接到它們，因此它們對方向盤扭矩沒有貢獻，因此沒有為它們提供單獨的輔助信息。出于相同的原因，沒有提供轉向停止信息。?高級用戶的雜項鏈接，包括與轉向系統(tǒng)有關的更多數據.

將駕駛員模型與外部轉向模型一起使用

用外部模型替換轉向系統(tǒng)元件的每個選項都可以接受開環(huán)或閉環(huán)控制輸入。可以使用導入變量IMP_STEER_SW修改轉向命令信號，并在I / O通道：導入界面的下拉列表中選擇選項設置添加，替換或乘以之一。

將數學模型設置為開環(huán)控制時，導入的轉向命令可能會修改表中的一個。在閉環(huán)控制（驅動程序模型）中，導入會修改駕駛員模型的行為。

可選關鍵字OPT_DRIVER_ACTION（對于高級用戶，通過在其他黃色字段區(qū)域中鍵入關鍵字及其值進行設置），控制駕駛員模型的行為（如果已選擇）。將OPT_DRIVER_ACTION設置為0會使駕駛員模型照常執(zhí)行其計算，但是結果控件不會應用于方向盤。此模式可用于為外部定義的轉向系統(tǒng)（例如線控轉向）提供控制輸入?？梢哉J為是駕駛員的轉向“要求”。可以將計算出的駕駛員控件導出（在變量STEER_DM中），以供外部軟件（例如Simulink）或VS命令定義的方程式使用。將OPT_DRIVER_ACTION設置為1（默認值）會導致駕駛員模型應用計算出的方向盤角度來操縱車輛。

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