东风汽车集团股份有限公司技术中心

东风汽车集团股份有限公司技术中心

挑战

• 提高电动助力转向系统的设计与分析能力

• 将实物试验与建模仿真相结合

• 缩短设计周期

成功的关键

• LMS Amesim的图形化、模块化多学科系统建模

• 提供广泛的元件库，涵盖可能用到的所有分析域

• 建立多层次、多级复杂程度不同的模型

• 与多体动力学软件联合仿真

结果

• 通过优化仿真设计，缩短了开发周期

• 提高了转向力特性模型的准确性

• EPS子系统仿真计算模型

• 显著提高EPS系统控制参数标定效率

良好的开始

汽车市场日趋激烈的竞争态势，不仅对汽车制造企业的生产效率、加工成本提出更多要求，对汽车及相关产品的设计开发周期也提出新的挑战。作为汽车底盘四大系统之一，转向系统在汽车结构中扮演着重要角色。随着转向系统产品的不断升级革新，电动助力转向系统（简称“EPS系统”）得到推广应用。

要获得良好的产品质量，保证汽车的整体性能，前期的设计开发工作十分重要。作为汽车行业的领导企业，东风汽车集团股份有限公司技术中心（以下简称“东风技术中心”）在EPS系统的设计开发方面做了较大投入，使用LMS Imagine.Lab Amesim™提供的建模仿真平台，搭建EPS仿真模型，同时通过数据分析和试验结果对比，优化产品设计， 在保证产品性能的同时，缩短了开发周期。

洞察市场变革

转向系统主要由转向操纵机构、转向器、转向传动机构三部分组成，至今经历了机械式转向系统（MS）、液压助力转向系统（HPS）、电控液压助力转向系统（EHPS）和电动助力转向系统（EPS）几个发展阶段。EPS正呈现出不断增长的态势。

2014年全球汽车转向系统市场规模超过9000万台，销售额达到311亿美元。随着中国汽车市场规模的扩大，国内汽车转向系统市场发展迅速，且自主品牌的占有率较高。在国内市场中，2014年中国汽车转向系统 市场规模增至2389万套，其中乘用车转向系统需求量增至1992万套。

随着汽车排放法规的日趋严格，中国EPS转向系统市场潜力巨大。与传统液压助力转向系统（HPS）相比，EPS可单独于发动机工作，能节省油耗约2%～5%。所以EPS产品需求量增长迅速，正在不断替代HPS成为汽车转向系统市场的主流。从汽车工业发达的欧、美、日等地区来看，EPS搭载率已超过50%，而在日本已接近90%。

EPS既是电子控制技术、微型电机、高精度传感器的集成者，也是现代汽车节能、环保、可靠性能提升的技术支撑者。随着国家对新能源汽车的大力推广，EPS系统已经成为标准配置，从供应商到主机厂也越来越重视 EPS系统与整车的匹配开发及核心技术的掌握。

应对开发挑战

东风技术中心的所有乘用车全部标配EPS系统（国内自主品牌供应商），这对系统的匹配与设计提出了更高的要求，因此在近几年出现了很多问题，主要集中在以下两个方面：EPS控制逻辑方面有缺陷、底盘调校过程繁琐，由此导致整车性能不能尽如人意（往往要经过3到4轮调试才达到预定目标）。

东风技术中心CAE工程师李凌阳博士表示“主要原因是现有国内自主品牌供应商与主机厂均在EPS系统开发的系统匹配、标定等很多领域欠缺经验。”

为了克服传统方法的局限性，提高EPS系统的设计与分析能力，东风汽车寻求外部资源，通过实物试验与建模仿真相结合的手段，寻求更好的开发方案。据李凌阳博士介绍，本次科研课题的目标是把控开发和设计前端，建立EPS建模仿真能力，掌握系统性能指标分解方法，包括：

• 各种类型EPS的建模仿真方法

• EPS系统各部件关键参数选取与分析

• 系统与整车分析结合仿真

• 系统分析与实际试验结果对比分析，尝试将主观感受进行量化

• 使用硬件在环测试（HiL）方法

选择正确的合作伙伴

基于多年的合作基础以及通过对多个产品工具进行对比，东风技术中心锁定了Siemens PLM Software作为开拓新市场的合作伙伴，并选定LMSImagine.Lab Amesim作为开发工作中的应用工具。LMS Imagine.Lab Amesim是Siemens PLM Software的代表性软件产品，是一个多学科领域复杂系统建模仿真平台。用户可以在这个单一平台上建立复杂的多学科领域的系统模型，并在此基础上进行仿真、计算和深入分析。

此外，用户还可以在这个平台上研究任何元件或系统的稳态和动态性能。LMS Amesim是汽车工业研发部门的理想选择，工程师完全可以应用高度集成的LMSAmesim应用库来设计一个系统。所有这些来自不同物理领域的模型都已经过严格测试和实验验证。LMSAmesim可以帮助工程师迅速实现建模搭建、仿真分析和优化工程设计等目标，从而帮助用户降低开发成本，缩短开发周期。

“根据以往的合作基础以及其他企业的推荐，我们深信Siemens PLMSoftware的工程咨询服务能带来更好更多的附加价值。此外，通过对比其他服务供应商的方案，SiemensPLM Software提供的解决方案与服务更为完整与可靠。”

东风技术中心项目

东风技术中心开展了一个EPS建模与优化仿真分析项目。该项目的开发对象是一辆5座A级轿车和一个EPS系统，目前该车型已经实现了量产。该车型利用LMS Amesim以及硬件在环系统（HiL）进行建模和仿真分析，零部件及系统相对稳定。

此外，李凌阳博士介绍，根据供应商提供的电控装置（ECU）原理说明，东风技术中心建立了基于LMS Amesim平台的EPS控制器模型，这也是本次研发中重要的部分。P-EPS系统在整车上运行时，提供两版不同的控制器参数，作为ECU控制策略模型的标定依据。

将实车试验的车速和方向盘转角信号作为模型仿真的输入条件，仿真输出的侧向加速度、横摆角速度、车身侧倾角及方向盘转矩等，与实车试验结果进行对标；驾驶员对P-EPS系统两个版本的控制器参数的效果分别进行主观评价，结合客观测量结果，可作为后续灵敏度分析的方向性参考。

经过对标，EPS系统模型仿真结果与试验测量误差在10%以内，模型精度甚至更为准确。

实现创新共赢

李凌阳博士对Siemens PLM Software和LMS Imagine.Lab Amesim赞不绝口，因为LMS Imagine.Lab Amesim为东风技术中心提供了：图形化、模块化的多学科系统建模平台；基于集中参数和物理元件的数学模型；由多个物理元件模型组成的仿真模型（每个物理元件模型用图标表示，且完全参数化）；丰富的行业元件库，已基本覆盖可能用到的各个分析领域。

该软件可建立多层次、多级复杂程度的模型：对于不同的子系统，可在同一仿真平台进行机、电、液、控多领域多学科耦合建模；对于多体动力学软件联合仿真，可用于整车动力学性能匹配集成，而强大的二次开发功能可灵活定制模板化分析流程。

该软件解决了长久以来困扰车辆操纵稳定性仿真的转向力特性模型不准的问题。1D+3D联合仿真能力不仅能对EPS系统模型单独进行仿真分析，而且还能将EPS系统模型与整车多体动力学模型联合起来进行仿真分 析。

此外，东风技术中心还制定了EPS系统及其子系统和零部件关键参数获取试验规范，开发了控制器逆向分析建模方法，EPS系统模型精度显著较高。不仅如此，东风汽车还开发了EPS系统参数灵敏度及优化自动分析工具，显著提高了EPS 系统参数标定效率。

李凌阳博士表示，“通过与Siemens PLM Software工程咨询部门的合作，东风技术中心完善并细化了产品的开发流程，从转向系统与整车集成的角度，建立了完整的指标体系，使车辆性能有了更大的提高。我们期待继续与Siemens PLM Software合作构建底盘关键性能多领域设计分析平台。”

东风技术中心已与SiemensPLM Software建立了牢固的联盟关系，携手为中国汽车产业的发展做出更大贡献。