7077
什么是转向?
转向是指车辆的坐标系中的车轮的角度方位的一个方面（其它的是外倾角或倾斜和旋转）。具体地说，转向是从车辆纵轴（在CarSim中为X轴）到由车轮的平面与车辆水平面（在CarSim中为X-Y平面）的交点形成的线的角度。在CarSim中，除了使用LegacyTwist Beam（Legacy Twist Beam不包括转向自由度）的悬架外，任何轴上的所有车轮都可以转向。CarSim不支持拖车轴的转向，但高级用户可以使用VS命令来实现。
.转向力有多个来源。首先，最明显的是车辆和车轴转向系统（如果存在）的输出。转向系统将施加到车辆方向盘（或其他输入）的转向命令转换为车轮的转向。在内部，转向系统可以具有或可以不具有动态元素（微分方程及其积分），并且可以取决于或不取决于施加的力。这部分转向可以称为主动转向。
车轮转向的第二个来源是悬架系统的运动学特性。无论是否存在转向命令，都会发生此转向。通常将其称为“转向平顺性”，“转向前束”，“侧倾转向量”或“侧倾转向角”。在这里，转向角按照传统习惯是指在轴上的两个车轮上以相反的符号进行转向运动。当两个车轮都转向车辆中心线时，这种作用称为转向角向内或正转向角。当两个车轮都转向远离车辆中心线时，这种影响称为转向角向外或负转向角。（请注意，两侧的转向幅度不必相等，即效果可能是不对称的。）
车轮转向的第三个来源是运动，这是由于部件（主要是轮胎力）施加弹性变形而产生的运动（主要是弹性衬套，但也包括结构变形）。被称为转向运动特性或运动学转向角，通常通过描述施加力分量的单位变化的车轮转向变化率的系数来表征.上面列出的第二和第三种转向源可以称为被动转向，因为它们在没有命令的转向变化的情况下发生。CarSim转向系统可转向，以响应命令输入，包括运动学特性和弹性学特性（如果有）。换句话说，它是主动转向。悬架系统提供了被动式转向（尽管在界面上具有顺应性之一，并且具有转向系统的其他特性）。在“转向系统”界面上的数据字段中输入参数以描述系统的许多属性，而可配置函数则用于描述许多其他属性。每个可配置函数都由一个单独的库界面表示，如表1所示。（有关可配置函数及其各种选项的说明，请参见VehicleSim浏览器参考手册。）
转向系统概念
转向系统提供了许多选项，以代表当今乘用车和轻型卡车提供的大多数配置。高级用户还可以使用VS Commands或Simulink之类的外部代码用自己的定义替换系统元素。这些选项将在此处概述，并在本文档的后面部分进行更详细的讨论。第一个最基本的选择是选择是否可以主动转向轴上的车轮。CarSim浏览器将参数OPT_STEER_EXT的值设置为零（主动转向）或一个参数值（非主动转向）以设置此选项，但高级应用程序用外部定义的子系统替换了转向系统的元素。其次，任何主动转向的车轴都可以使用齿轮齿条或循环球式转向器。值得注意的几点：尽管浏览器和手册中使用了“循环球”一词，但实际的齿轮可能具有以下几种配置中的任何一种，例如蜗杆和滚轮或蜗杆和扇形。唯一的重要特征是齿轮的输入和输出都是旋转，而齿轮齿条则以旋转为输入，而平移为输出。同样，CarSim也不区分齿轮是安装在轴的前面还是后面。齿条和小齿轮的正输入会产生正向平移，正向平移会产生正向转向。同样，循环球齿轮的正输入会在输出处产生正旋转，进而产生正转向。选择该约定是出于涉及闭环转向控制器支持的技术原因。在顺应性转向的计算中记录了归因于车轴前进档与车轴后方的影响。
第三，第一轴可以被指定为助力转向或手动转向。所有其他轴都在伺服控制下处理，只有第一个轴有助于方向盘上的扭矩。由于在控制输入（转向柱旋转）和齿轮输入之间插入了扭力弹簧（扭力杆），因此带有助力系统的车桥获得了更大的自由度。弹簧中的扭矩输入到助力表（或扭矩）以获得助力水平。
提供了几个次要选项。方向盘扭矩可以从扭矩表中读取，这些扭矩是转向轴（主销）扭矩的总和，或者可以根据系统运动学，增压（如果有），阻尼和磁滞来计算。可以链接表格以指定要添加的转向扭矩的附加分量作为速度的函数，以反映例如驻车操纵中表现出的较高扭矩。并且，“转向”的定义可以在如上所述的车辆坐标系中或围绕转向轴的旋转来引用。第二种选择很少使用，但是例如在通过测量围绕转向轴的角度的仪器获得的实验数据的情况下。
车轮的转向取决于转向系统和悬架的特性。转向系统模型包含相当多的细节，包括转向轮的完整多体动力学表示以及动力转向系统。它还区分了齿条和小齿轮转向和循环球转向系统。转向系统包括运动和顺应性效果。运动效应是转向运动，仅取决于部件的位置（例如，方向盘或齿条位置）。顺应性效应是由转向系统或车轮内的力或力矩引起的转向运动。除由悬架运动引起的转向效果外，还将两者结合起来以确定每个车轮的转向角。悬架界面中包含描述悬架运动和转向角之间相互作用的参数，这些参数在为每个仿真生成的Echo文件的“转向”部分中列出（图1）。可配置函数用于描述转向系统和组件的许多属性。请注意，在Echo文件的“转向”部分开头的注释中也提供了函数名称（图1，第314 – 316行）。每个表都由一个单独的库界面表示，如表1所示。一个例外是，扭杆刚度在数学模型中使用可配置函数M_TBAR表示，但GUI支持线性系数，该系数由关键字M_TBAR_COEFFICIENT标识。高级用户可以链接到通用表数据集，以将扭矩指定为扭曲的非线性函数。
图1. Echo文件的Steering部分，其中列出了参数和名称可配置函数
详细转向系统模型
CarSim提供四种转向系统。每个转向助力辅助系统提供两个选项（辅助应用于齿轮的输出侧或应用于圆柱或输入侧），总共有六个选项。转向系统的选择是使用图2所示的下拉控件进行的。下面将分别对它们进行描述。
图2.转向系统选择
表1.转向表库总结
| 库界面 | 跟关键字 | 描述 |
| Steering: Parking Torque | MZ_PARKING_STEER | 低速和停车扭矩
|
| Steering: Parking Torque for 2 Wheels | ||
| Steering System: Compliance | STEER_COMP | 转向角归因于主销力矩 |
|
Steering System: Gear Kinematics |
GEAR_ROT ISHAFT_KIN | 转向器输出旋转与输入旋转，中间轴输出旋转与输入旋转 |
|
Steering System: Rack Kinematics |
RACK_TRAVEL ISHAFT_KIN | 转向齿条位移与小齿轮旋转，中间轴输出 |
| Steering: Power Assist Force | F_BOOST_R | 旋转与输入旋转 |
| Steering: Power Assist Torque | M_BOOST_G | 助力施加于转向齿条 |
| Steering System: Kinematics for One Wheel |
STEER_KIN |
助力扭矩施加到转向器（回流球）
|
| Steering System: Kinematics for 2 Wheels (Recirc. Ball) | ||
| Steering System: Kinematics for 2
Wheels (Rack & Pinion) |
RACK_KIN | 车轮转向vs转向臂旋转 |
| Steering System: Rear-Wheel Gain | R_STEER_SPEED | |
| Steering Wheel Torque | M_SW | 车轮转向vs齿条 |
齿轮齿条式无助力转向系统
图3示出了手动（例如，无辅助）齿条和小齿轮转向系统的示意图。这是最简单的系统。如果仿真不需要有关转向扭矩和偏转的详细信息，建议使用此系统或其对应的“手动循环球式”。左舵系统和右舵系统的系统定义及其方程式相同。手动齿轮齿条系统组成是：
转向柱惯性。它由从方向盘到小齿轮的圆柱部件组成，但不包括小齿轮.
转向柱摩擦。由于旋转摩擦始终与旋转方向相反的恒定转矩。当行进方向反向时，它需要一个参考角，该参考角代表所观察到的磁滞回线宽度的三分之一。
转向柱阻尼。与转向柱角速度成正比的扭矩，与旋转方向相反。
转向齿轮比。对于单比率机架组件，这通常表示为“C因子”。C因子是齿条在一整圈内齿条的横向位移。该关系在内部由一个表（可配置函数）表示，该表的输入为小齿轮旋转度，输出为毫米的齿条平移。在手动系统中，小齿轮角和方向盘角相同。
（可选）中间轴运动学。中间轴及其接头的几何形状导致输出角度超前或滞后于输入旋转，在此表示为输出旋转与输入旋转的关系表。
图3.手动齿轮齿条
6. 系统惯量。包括齿条，拉杆等质量的影响，表示为以小齿轮速度为索引的旋转惯性加上实际的小齿轮惯性。在齿轮系统的多体分析中，惯性和质量对单个零件运动的索引是常见的。将其视为小齿轮螺距半径上某一点的各种组件的质量可能会有所帮助.
7.齿条阻尼。与齿条的平移速度成比例的，与运动方向相反的力。
8.齿条摩擦。与词条的运动方向相反的恒定力。它需要一个参考长度，该长度代表方向相反时观察到的磁滞回线宽度的三分之一。
9.转向柔度。除了悬架系统的柔顺性外，转向系统还有助于提高柔顺性。悬架系统的合规性通常通过反力测试来衡量，以避免转向系统的影响。使用平行力的第二次测量包括转向和悬架柔度。从该总数中减去悬架效果，以获得转向系统的柔顺性。由于主销力矩的总和，它表示为每个车轮的转向。
10.运动学特性。这是随齿条平移而变化的车轮转向表。它包括拉杆和转向臂的几何形状。
11（可选）限制停止转向角。当通过转矩进行转向控制时，如果输入转矩超过反作用转矩，则可能会达到不切实际的转向角。这可能会导致不稳定或结果不正确。施加扭力弹簧来限制行程可以防止这种情况。当转向由输入角度控制时，它们是不必要的，应通过将其设置为零来禁用.
在该系统中，所有转向效果在运动学上都是相关的。如果通过设置转向角来控制转向，例如通过开环控制或通过闭环路径跟随器（“驾驶员模型”）来控制，则齿条位置是转向角的函数，而车轮位置是齿条位置的函数。因为所有运动都受到限制，所以没有“自由度”。如果系统由施加在方向盘上的扭矩控制，则运动仍然在运动学上相关，但是运动是通过对等式进行积分得出的。因此，在扭矩控制中，手动转向为车辆模型增加了一个自由度。
手动循环球式
图4示出了手动（例如，无辅助）再循环球转向系统的示意图。尽管我们将此系统称为“循环球”，但这仅表示输入是旋转，输出是旋转。其他类型的齿轮，例如 “蜗杆和蜗轮”也使用此系统。如果仿真不需要有关转向扭矩和偏转的详细信息，则建议使用此系统或其对应的“手动齿条和小齿轮”。
左舵系统和右舵系统的系统定义及其方程式相同。手动循环球系统组成是：
转向柱惯性。它由从轮到小齿轮的圆柱部件组成，但不包括小齿轮。
转向柱摩擦。由于旋转摩擦始终与旋转方向相反的恒定转矩。当行进方向反向时，它需要一个参考角，该参考角代表所观察到的磁滞回线宽度的三分之一。
转向柱阻尼。与转向柱角速度成正比的扭矩，与旋转方向相反.
图 4 手动循环球式
4.转向齿轮比。这是每度输出（转向连接杆臂）角度的输入（方向盘）角度。该关系在内部由表（可配置函数）表示，该表的输入为转向输入齿轮旋转度，输出为转向连接杆臂旋转度。在手动系统中，输入齿轮角和方向盘角相同。
5.（可选）中间轴运动学。中间轴及其接头的几何形状导致输出角度超前或滞后于输入旋转，在此表示为输出旋转与输入旋转的关系表。
6.系统惯量。包括继动杆，拉杆，转向连接杆臂，惰轮臂等的质量和惯性的影响，表示为与输入速度索引的旋转惯性，再加上实际的输入齿轮惯性。在齿轮系统的多体分析中，惯性和质量对单个零件运动的索引是常见的。
7.系统阻尼。施加到齿轮的扭矩与齿轮的角速度成正比，与运动方向相反。
8.系统摩擦。向机架施加与其运动方向相反的恒定扭矩。它需要一个参考长度，该参考长度大约代表当行进方向反转时所观察到的磁滞回线宽度的三分之一。
9.转向柔度。除了悬架系统的柔顺性外，转向系统还有助于提高柔顺性。悬架系统的合规性通常通过反力测试来衡量，以避免转向系统的影响。使用平行力的第二次测量包括转向和悬架柔度。从该总数中减去悬架效果，以获得转向系统的柔顺性。由于主销力矩的总和，它表示为每个车轮的转向.
10.运动学。这是随齿条平移而变化的车轮转向表。它包括拉杆和转向臂的几何形状。
11.（可选）转向角限制器停止。当通过转矩进行转向控制时，如果输入转矩超过反作用转矩，则可能会达到不切实际的转向角。这可能会导致不稳定或结果不正确。施加扭力弹簧来限制行程可以防止这种情况。当转向由输入角度控制时，它们是不必要的，应通过将其设置为零来禁用.
在该系统中，所有转向效果在运动学上都是相关的。如果通过设置转向角来控制转向，例如通过开环控制或通过闭环路径跟随器（“驾驶员模型”）控制，则Pitman位置是转向角的函数，而车轮位置是Pitman臂位置的函数。因为所有运动都受到限制，所以没有“自由度”。如果系统由施加在方向盘上的扭矩控制，则运动仍然在运动学上相关，但是运动是通过对等式进行积分得出的。因此，在扭矩控制中，手动转向为车辆模型增加了一个自由度。
带助力的齿轮齿条转向系统
图5显示了动力齿条齿轮系统的示意图。在齿条或立柱上施加辅助齿条和小齿轮转向是当今乘用车和轻型卡车中最常见的系统。但是，助力助力转向系统规格增加了一些复杂性，并增加了动态自由度，因此，如果仿真不需要关于转向扭矩和角度的详细数据，因此建议使用“手动转向”选项之一。
助力式齿轮齿条转向系统组成是：
转向柱惯性。它由从轮到小齿轮的圆柱部件组成，但不包括小齿轮。
转向柱摩擦。由于旋转摩擦始终与旋转方向相反的恒定转矩。当行进方向反向时，它需要一个参考角，该参考角代表所观察到的磁滞回线宽度的三分之一。
转向柱阻尼。与转向柱角速度成正比的扭矩，与旋转方向相反。
扭杆刚度。扭杆是在转向柱和小齿轮输入侧之间的扭力弹簧。通过允许圆柱和小齿轮的相对旋转，它用作扭矩传感器。旋转可以通过电子或光学方式进行测量，也可以控制液压助力系统中液压阀的位置。因为它是弹簧，所以挺杆的角度和转向柱的角度与手动系统中的不一样。齿条的运动是通过微分方程的积分来计算的，该方程涉及施加到齿条的所有力和系统惯量。
图5.齿轮齿条助力式转向系统
.转向齿轮比。对于单比率齿条组件，这通常表示为“C因子”。C因子是齿条在一整圈内齿条的横向位移。该关系在内部由一个表（可配置函数）表示，该表的输入为小齿轮旋转度，输出为毫米的齿条平移。在手动系统中，小齿轮角和方向盘角相同。在动力辅助系统中，小齿轮角是由齿条运动产生的，该齿条运动是通过微分方程的积分而得出的，该微分方程包括施加到齿条的所有力和系统惯量。
（可选）中间轴运动学。中间轴及其接头的几何形状导致输出角度超前或滞后于输入旋转，在此表示为输出旋转与输入旋转的关系表。当辅助施加到圆柱上时，扭杆的输出角是中间轴的输入，中间轴的输出是小齿轮的输入。当辅助装置施加到齿条时，中间轴的输出角是扭力杆的输入，扭力杆的输出是小齿轮的输入。
系统惯量。包括齿条，拉杆等质量的影响，表示为以小齿轮速度为索引的旋转惯性加上实际的小齿轮惯性。在齿轮系统的多体分析中，惯性和质量对单个零件运动的索引是常见的。将其视为小齿轮的螺距半径上某个点处各种组件的质量可能会有所帮助。
助力（助力）。这由施加到齿条的力（“齿条辅助”）或施加到小齿轮的转矩（“列辅助”）来实现，这由下拉控件为选择系统类型指定。提升水平来自一个表格（可配置函数），其中以扭力杆扭矩为输入，并且具有提升力（机架辅助）或增压扭矩（助力杆）作为其输出。为了避免数学模型中的数值刚度，并且为了仿真增压系统中的液压或电气延迟，采用了时间常数。时间常数应用于助力或转矩。
齿条阻尼。与齿条的平移速度成比例的，与运动方向相反的力。
齿条摩擦。与齿条的运动方向相反的恒定力。它需要一个参考长度，该参考长度表示当方向反转时观察到的磁滞回线宽度的三分之一。
转向柔度。除了悬架系统的柔顺性外，转向系统还有助于提高柔顺性。悬架系统的柔度通常通过反力测试来衡量，以避免转向系统的影响。使用平行力的第二次测量包括转向和悬架柔度。从该总数中减去悬架效果，以获得转向系统的柔顺性。由于主销力矩的总和，它表示为每个车轮的转向。
运动学。这是随齿条平移而变化的车轮转向表。它包括拉杆和转向臂的几何形状。
（可选）转向角限制器停止。当通过转矩进行转向控制时，如果输入转矩超过反作用转矩，则可能会达到不切实际的转向角。这可能会导致不稳定或结果不正确。施加扭力弹簧来限制行程可以防止这种情况。当转向由输入角度控制时，它们是不必要的，应通过将其设置为零来禁用.
在此系统中，由于扭杆在负载下会发生挠曲，因此圆柱的位置与小齿轮的位置不同。如果通过设置转向角来控制转向，例如通过开环控制或通过闭环路径跟随器（“驾驶员模型”）进行控制，则由于柱子受到约束，因此柱子没有自由度，因此更改柱子惯性不会产生任何影响。
齿条位置是由一个方程的积分得出的，该方程包括施加到齿条的所有力，包括扭杆扭矩，辅助力或扭矩，阻尼，摩擦力和拉杆力。因此，从小齿轮到车轮的系统始终为模型增加一个自由度。车轮转向角在运动学上与齿条位置相关。如果系统由施加在方向盘上的扭矩控制，则方向盘的运动是通过对方程进行积分得出的。因此，在扭矩控制中，动力转向为车辆模型增加了两个自由度。
循环球式助力转向系统
图6显示了循环球转向系统的示意图。转向助力器应用于转向拉杆或转向柱。但是，助力转向系统的技术增加了一些复杂性，并增加了动态自由度，因此，如果仿真不需要关于转向扭矩和角度的详细数据，建议使用非助力式。动力辅助循环球系统的组成是：
1. 转向柱惯性。它由从轮到小齿轮的圆柱部件组成，但不包括小齿轮。
图 6 助力循环球式转向系统
2. 转向柱摩擦。由于旋转摩擦始终与旋转方向相反的恒定转矩。当行进方向反向时，它需要一个参考角，该参考角代表所观察到的磁滞回线宽度的三分之一。
3. 转向柱阻尼。与转向柱角速度成正比的扭矩，与旋转方向相反。
4. 扭杆刚度。扭杆是在转向柱和齿轮输入侧之间的扭力弹簧。通过允许圆柱和齿轮的相对旋转，它用作扭矩传感器。旋转可以通过电子或光学方式进行测量，也可以控制液压助力系统中液压阀的位置。由于它被实现为弹簧，因此转向输入齿轮的角度和转向柱的角度与手动系统中的角度不同。输出齿轮的运动是通过微分方程的积分来计算的，该方程包含了施加在齿轮和连杆上的所有力以及系统惯量。
5. 转向齿轮比。这是每度输出（转向横拉杆）角度的输入（方向盘）角度。该关系在内部由表（可配置函数）表示，该表的输入为转向输入齿轮旋转度，输出为转向横拉杆旋转度。在手动系统中，输入齿轮角和方向盘角相同。
6. （可选）中级轴运动学。中间轴及其接头的几何形状导致输出角度超前或滞后于输入旋转，在此表示为输出旋转与输入旋转的关系表。当对柱施加辅助时，扭杆的输出角度是中间轴的输入，中间轴的输出是转向器的输入。当辅助施加到齿轮时，中间轴的输出角被输入到扭杆，并且扭杆的输出被输入到转向齿轮。
7. 助力。这由施加到输出齿轮的扭矩（“齿轮辅助”）或施加到输入齿轮的扭矩（“转向柱助力”）来实现，这由用于选择系统类型的下拉控制指定。增压水平来自一个表格（可配置函数），其中扭力杆扭矩为输入，增压扭矩为输出。为了避免数学模型中的数值刚度，并且为了仿真增压系统中的液压或电气延迟，采用了时间常数。时间常数将应用于提升转矩。
8. 系统阻尼。施加到齿轮的扭矩与齿轮的角速度成正比，与运动方向相反。
9. 系统摩擦。向机架施加与其运动方向相反的恒定扭矩。它需要一个参考长度，该参考长度表示当方向反转时观察到的磁滞回线宽度的三分之一。
10. 转向柔度。除了悬架系统的柔顺性外，转向系统还有助于提高柔顺性。悬架系统的柔度通常通过反力测试来衡量，以避免转向系统的影响。使用平行力的第二次测量包括转向和悬架柔度。从该总数中减去悬架效果，以获得转向系统的柔顺性。由于主销力矩的总和，它表示为每个车轮的转向。
11. 运动学特性。这是随齿条平移而变化的车轮转向表。它包括拉杆和转向臂的几何形状。
12. （可选）转向角停止限制器。当通过转矩进行转向控制时，如果输入转矩超过反作用转矩，则可能会达到不切实际的转向角。这可能会导致不稳定或结果不正确。施加扭力弹簧来限制行程可以防止这种情况。当转向由输入角度控制时，它们是不必要的，应通过将其设置为零来禁用.
在此系统中，由于扭杆在载荷作用下会偏转，因此立柱的位置与转向输入齿轮的位置不同。如果通过设置转向角来控制转向，例如通过开环控制或通过闭环路径跟随器（“驾驶员模型”）进行控制，则由于该列受到约束，因此该列没有自由度，因此更改列惯性不会产生任何影响。转向主动臂位置是由一个方程的积分得出的，该方程涉及施加到齿轮输出侧的所有扭矩，包括扭杆扭矩，辅助扭矩，阻尼，摩擦和拉杆力，这些扭矩表示为皮特曼臂上的扭矩。因此，从输入齿轮到车轮的系统始终为模型增加一个自由度。车轮转向角在运动学上与转向主动臂位置相关。如果系统由施加在方向盘上的扭矩控制，则方向盘的运动是通过对方程进行积分得出的。因此，在扭矩控制中，动力转向为车辆模型增加了两个自由度.
模型关键特性
在本节中，还请参考上一节的示意图和随后的“Steering Screen”部分。
模型中的自由度
用户有时会询问转向模型中的自由度（DOF）数量。当物体在每个时间步的位置由物体的加速度的常微分方程（ODE）的积分获得其速度并对其速度的积分获得其位置时，就会产生自由度。如果模型部件的运动是通过类似表格的形式来描述的，该表格描述了它在任何时间点的位置（例如方向盘角度随时间的变化），或者是通过ODE积分以外的其他方式（例如“闭环转向控制器”或“驾驶员模型”）确定转向角，该运动不存在自由度。而是由代数关系确定。在这些情况下，该运动被称为“受约束的”。当某物的运动受到约束时，其加速度是未知的，并且其速度只能通过使用向后差分计算来估算。这意味着可能影响加速度（最显着的是惯性或质量）的事物的属性在运动的计算中不起作用，因此对其没有影响。CarSim转向系统可能具有零，一或两个自由度，具体取决于型号和控制方式。
零自由度模型
由方向盘角度控制的手动转向系统为模型增加了零自由度。所有零件都通过代数约束链接，并且转向命令定义每个时间步的位置。
一自由度模型
由转向扭矩输入控制的手动转向系统增加了一个自由度。所有组件都与转向柱的运动代数相关，因此，转向柱，齿条或齿轮的运动以及车轮的转向是由包含所有这些部分的惯性和质量以及所有力（阻尼，磁滞）的复杂表达式的积分产生的，轮胎力等）应用于系统中的零件。
由方向盘角度控制的助力转向系统也为模型增加了一个自由度。在动力辅助系统中，圆柱运动和齿条（或齿轮）运动不是代数关联的。取而代之的是，在立柱和操舵装置输入之间引入弹簧（扭杆）。扭杆下方所有零件的运动（齿条或齿轮，车轮转向）是由于对复杂表达进行积分而产生的，涉及所有这些零件的质量和惯性以及施加在其上的所有力。但是，转向柱被限制为具有特定的转向角，因此其加速度是未知的，并且其惯性没有影响。方向盘的反馈扭矩包括扭杆处的扭矩（由输入齿轮的角度偏斜引起），转向柱迟滞和阻尼（使用向后差来获得角速度的估计值），但没有影响角加速度，这是未知的。在这种情况下，说输入（驾驶员模型或开环转向命令）具有无限扭矩，因为它只是将车轮从一个时间步移到另一个时间步.
二自由度模型
由转向转矩控制的助力转向系统为系统增加了另外一个自由度，总共两个。在这种情况下，柱的角加速度也可以通过积分获得，角速率也是如此。如果将惯性和力或影响力的参数（例如轮胎松弛长度，助力助力时间常数等）的选择不当，则将DOF添加到模型中的任何时候都存在不稳定的可能性。因此，建议不要求有关转向扭矩和角度的详细信息的仿真使用手动转向选项之一。扭力杆的挠度确实会影响所需的转向输入以获得给定的转向输出，因此诸如车辆的转向不足坡度之类的东西会反映出这一点。
转向扭矩和拉杆载荷的计算
转向轮扭矩
如上所述，方向盘扭矩来自两个可能来源之一。在通过转向转矩进行控制的情况下，输入转矩是已知的，因为它是在仿真数据中指定的。在通过角度控制的情况下，方向盘扭矩由多个作用求和。转向助力辅助情况下比手动更简单。转向管柱扭矩是扭杆扭矩、柱阻尼扭矩和磁滞扭矩的总和。（回想一下，当控制角度时，角加速度是未知的，因此列惯性不起作用。）在手动转向的情况下，计算会更加复杂。此处没有扭力杆，因此通过求和所有施加到齿轮或齿条上的力或扭矩来得出转向器的输入。请记住，在手动转向情况下，齿条或齿轮位置受到限制（扭杆没有自由度），因此齿轮惯性没有影响。导出的转向器扭矩添加到列扭矩中以报告方向盘扭矩。
拉杆载荷
对齿轮上的力求和确实需要有关拉杆载荷的信息。在CarSim中，几乎所有系统（包括转向系统）的元素都是在系统级别定义的。这意味着没有关节或连杆（如拉杆）确切位置的信息。在不了解拉杆几何形状的情况下，并且由于运动受到限制，因此我们必须从其他信息中推断拉杆载荷。虽然不知道在任何约束下的详细力（球形接头，拉杆），但知道了转向轮和转向悬架部件（转向节，制动部件等）的总运动。因为知道它的运动，质量和惯性，所以可以计算施加到身体的总力和力矩。减去作用力（轮胎力，制动器，弹簧，阻尼器等）会由于约束而留下总力和力矩。这些是反作用力和力矩。沿转向轴的反作用力矩的分量是由于所有力和力矩而引起的转向转矩。（不沿着转向轴的组件会受到其他约束的影响）。有关轮端运动学的约束信息（横拉杆/转向臂）意味着有效的力矩臂。从该力矩臂和转向力矩的总和可以得到一个力。在有动力辅助的情况下，此力会施加到齿条上，或仅用于在手动转向中获得齿条的总力。（当通过齿轮而不是齿条进行转向时，由于没有关于转向横拉杆臂长的信息，因此计算了由拉杆引起的力矩）。
转向管柱和转向齿轮特性
转向系统大致分为两部分：圆柱和齿轮（包括小齿轮或输入齿轮）。在电动助力转向系统中，立柱通过扭杆连接至齿轮。在手动转向系统中，不存在扭力杆，并且转向柱直接连接至输入齿轮。转向柱的特性是它的惯性，阻尼系数和摩擦力（磁滞），由力大小和参考角组成，该参考角大约等于磁滞回线度数的宽度的三分之一。齿条或齿轮的属性是指系统惯性，阻尼系数和磁滞。惯性随转向管柱属性一起列出，因为它已索引到小齿轮或输入齿轮。惯性表示包括齿条和拉杆在内的组件的质量，小齿轮或输入齿轮的惯性以及输出齿轮和转向臂的惯性。零件使用单个惯性值，而不是单个质量或惯性。惯性分度到小齿轮或输入齿轮。在多体建模中，齿轮系统中的属性索引到系统的单个元素是很常见的。考虑系统惯性的一种方法是考虑齿条和拉杆的质量，该质量集中在小齿轮的螺距半径处。请注意，齿条和小齿轮的“ C因子”仅是小齿轮的螺距周长。分度到输入齿轮的惯性将是质量乘以俯仰半径的平方。齿条或齿轮的阻尼和磁滞值参考输出侧.
控制方法和某些属性的影响
当对象的运动受到限制时（例如，转向的输入是通过开环或闭环控制来控制转向角时），该位置不是通过对常微分方程（ODE）进行积分获得的，而只需设置即可作为查找表中的值，闭环驾驶员模型的输出或从外部代码或VS命令导入的值。没有ODE，人体的加速度是未知的。惯性效应是对加速度的反应。因此，当物体受到约束并且无法获得ODE的加速度时，其惯性不会对运动产生影响。这意味着当控制转向角而不是转矩时，转向管柱惯性不会产生影响。在柱和齿轮之间没有扭杆的手动转向系统中，系统惯性同样无效。但是，在转矩控制中，将各种力（输入转矩，阻尼转矩，磁滞转矩，可能是扭杆转矩）施加到惯性以获得加速度。对加速度积分以获得速度和位置。可能会诱使用户为惯性输入诸如0的值，这些惯性不会对角度控制产生影响，但请注意。在某些时候，用户可能会使用同一辆带有扭矩控制的车辆来创建仿真。在这种情况下，仿真将失败。
四轮转向和拖车转向轴
可以操纵CarSim车辆上的任何车轴，包括拖车车轴。默认情况下，仅牵引车辆的第一个轴。“转向系统”界面通过下拉控件支持后轴转向，该控件显示其他区域和链接以描述其特性。拖车界面不直接支持转向，但可以使用通用界面和其他控件来添加。四轮转向非常少见，可转向的拖车轴几乎闻所未闻，但是如果需要，可以创建它们。指定要转向的轴会增加模型的复杂性，因此仅在必要时才使用。通过将OPT_STEER_EXT（iaxle）设置为0来启用轴的内部转向模型，并通过将其设置为1来禁用轴的内部转向模型。0是轴1的默认值，而1是所有其他轴的默认值。如果需要创建可转向的拖车，则可以创建具有四轮转向的牵引车辆，并研究转向系统界面的Parsfile，以查看添加的参数和可配置的函数。注意，假定第一轴以外的轴是伺服控制的。只有第一轴上的作用会影响驾驶员的转向扭矩。
主销几何参数的影响
主销（转向轴）由其相对于车轮中心的位置以及其在侧视图（脚轮角度）和正视图（主销倾斜角度）的倾斜度定义。当车轮被转向时，车轮和悬架的转向部分围绕主销轴旋转。偏移量和倾斜度的综合作用导致轮胎接触中心绕着主销轴与地面的交点通过弧线移动，使车轮弯曲，并使车轮中心相对于悬架垂直移动。所有这些效果都包含在VS求解器中。方向盘的旋转轴通常不垂直于转向轴。在CarSim中，主销轴由在转向系统界面上设置的几何参数定义。车轮旋转轴的相应方向在悬架运动学界面上使用静态前束和外倾角指定。这些描述了转向轴和旋转轴之间的固定3D关系。悬架运动学和柔度特性会影响X，Y和Z轴的平移，这将应用于主销轴。影响外倾角和俯冲的悬架运动学和柔顺特性也适用于主销轴。另一方面，围绕脚趾的悬吊效果会在围绕主销轴转向的方向上作用于车轮（其方向又由其旋转轴定义）。主销轴的倾斜度会随着主销转向角的变化而产生可变的转向增益，该增益通过车轮平面与车辆X-Y平面的交点绕转向轴（主销）的旋转单位来测量。通过CarSim转向系统界面，用户可以选择围绕车轮Z轴转向还是围绕主销转向的车轮转向定义。相对于Z轴定义转向，意味着此可变增益的影响包括在车轮转向的运动学表中（例如，转向是在地面上测量的）。相对于主销定义转向，意味着可变增益的影响未包含在车轮转向的运动学表中（例如，将转向测量为围绕转向轴的旋转角度）。第一个选项（在地面上测量转向）是CarSim中的默认行为。请注意，此处的“在地面上测量的Steer”实际上表示“在K＆C测试台上在弹簧质量X-Y基准平面上测量的Stete”。它不是车轮平面与道路的交角，因为车辆的运动和道路的几何形状使这种关系连续变化。
转向助力系统
如果选择了助力转向系统，则蓝色链接可用于助力转向数据集，该数据集将助力曲线定义为扭杆扭矩和车速的函数。黄色区域可用于定义扭杆的刚度。在常见的助力转向系统配置中，扭杆放置在转向柱和转向输入齿轮之间。由于施加的扭矩而导致的扭杆挠曲会打开一个阀，将液压压力沿挠曲方向引导至转向齿轮。压力产生力或扭矩以辅助转向。在某些系统中，扭杆的挠曲是通过光学或电子方式读取的，并且此信息会传递到控制器。控制器将信息发送到电动机，电动机在齿条或齿轮上产生动力。在每种不同的情况下，结果都是相同的：扭力杆由驾驶员的输入和转向系统的反馈加载。通过液压或电动方式处理信息，以控制齿条或齿轮上的助力或力矩。选择了转向管柱助力后，将其应用于输入齿轮。由于系统的输出不能响应输入的变化而瞬时变化，因此使用简单的时间常数来定义系统响应的一阶延迟。助力转向助力曲线界面上有一个数据区域，可用于定义系统液压系统的时间常数。时间常数反映了系统提升响应扭杆扭矩的变化而从一个稳态值变为另一个稳态值所需要的时间。它为动力转向系统增加了动态效果。由于其质量，惯性，助力大小，轮胎特性，扭杆特性以及转向器的阻尼和滞后性，因此无法给出具体的指导值。可以说，如果时间常数太短，系统将变得僵硬，模型可能会崩溃。如果时间太长，助力将滞后于转向输入并产生不切实际的结果或稳定性问题。响应于扭杆扭矩的变化，将时间常数应用于助力（或扭矩）。通常通过内部阀门将助力转向辅助系统限制在某个最大值，以防止压力过大。助力转向助力曲线界面上的数据区域用于指定最大输出力或扭矩。默认最大值是10000（N或N-m，取决于转向器类型的选择），该值高于大多数系统的最大输出。这使用户可以选择是通过使用升压曲线的平线外推法还是通过指定最大值来限制最大输出。在计算中，施加的提升等于指定最大值或表中值中的较低者。
使用助力转向
转向助力系统为模型增加了助力特性。扭杆是弹簧，齿轮有质量（在齿条和小齿轮的情况下）或转动惯量（在循环球齿轮的情况下）。系统会产生助力或力矩，其大小受时间常数的影响。如果参数和表的值选择不当，则系统可能会显示不稳定性，例如转向转矩或转向角的振荡，或两者兼而有之。助力转向系统可以应用于齿轮的输出侧（齿条或循环球），也可以应用于输入侧。当它应用于输入端时，我们称其为“转向管柱助力”。转向管柱助力是施加到小齿轮或输入齿轮的扭矩。在输出侧，助力作用是施加在齿条上的力或输出齿轮上的扭矩。如果助力是从外部模型或VS Commands导入的，则齿条辅助的导入变量为IMP_F_BOOST_EXT，即施加到齿条的力。对于带有转向管柱助力的齿轮齿条，带齿轮助力的循环球或带转向管柱助力的循环球，导入变量名称为IMP_M_BOOST_EXT。请注意，尽管变量名称相同，但应用的重点取决于转向类型的选择。齿轮类型由OPT_RACK设置，动力转向选项由OPT_POWER设置。齿轮类型的选择通常由“转向系统”界面处理。大多数用户不需要研究动力转向系统的详细行为。用户可能还不熟悉这些系统，并且难以提供适当的数据来描述该系统。（“混合搭配”很少是一个好主意）。因此，仅在需要系统的详细操作时才应选择动力辅助。在手动转向系统中，可以通过使用从查询表中获得转向转矩的选项（而不是根据主销力矩进行计算）来模仿动力系统提供的转矩降低。如果使用导入变量替换内部计算出的动力转向助力（IMP_F_BOOST_EXT或IMP_M_BOOST_EXT），则在外部代码处理系统动态的情况下，将动力转向时间常数（TC_BOOST）设置为零。如果要让CarSim处理动态变化（一阶延迟），请给时间常数一个适当的非零值。
Kinematics运动学特性
转向系统的运动学特性包括固定比率或可变比率的转向和用于连杆机构运动学的表格。如果选择了可变比率转向，则会在界面上提供一个链接，其中包含一个表格，用于定义中间轴输出旋转角度与输入旋转角度之间的关系，以及一个表格，用于定义转向齿轮输出（度数或mm，取决于所选齿轮类型）与转向器输入轴之间的关系。在手动转向的情况下，方向盘输入等于方向盘输入，可能由中间轴修改。在使用助力转向时，方向盘输入等于方向盘输入（可能由中间轴修改）加上扭杆挠度。如果选择恒定的转向比，则会显示一个区域来定义齿条和小齿轮C因子（每小齿轮旋转的齿条位移毫米，小齿轮的螺距圆周）或循环球转向齿轮速比（转向臂旋转每度的输入齿轮旋转度）转向器通过可改变转向器输出的连杆机构（例如，拉杆）连接至转向节。这些影响的单位转向器输出的车轮转向表，例如Ackerman转向。表中定义的驾驶员转向控制模型与转向系统运动学之间的相互作用涉及一些假设。由于前轮转向角在正转向输入下应始终为正（将方向盘向左旋转会导致前轮向左旋转），因此转向齿轮箱和方向盘转向的梯度标志必须为相同。为简单起见，表中的数据应始终具有正斜率。也就是说，转向架的位移（以毫米为单位）或转向臂的旋转（以度为单位）必须始终随转向输入的增加而增加。同样，方向盘转向必须随着转向器或齿条输出的增加而增加。对于后轴转向与前轴转向相反相位的四轮转向车辆，可以将速度敏感的后转向增益设为负号。安装在轴前方的齿条和小齿轮系统与安装在轴后方的齿轮系统之间的差异是由转向和悬架依从性界面上指定的依从性转向（例如，转向与风向）引起的。
Compliance 弹性学(柔性)特性
认为转向系统的柔顺性是由于围绕车轮主销轴的总力矩所致。力矩是由垂直载荷，轮胎力和定位力矩以及主销几何形状产生的。总力矩和非线性柔度函数决定悬架中两个车轮的柔度转向。由于两个车轮均由相同的转向系统驱动，因此两个车轮的转向系统顺应性转向相同。垂直轮胎力会导致围绕主销轴的力矩。如果左右方向的垂直力不同（例如底盘转弯或不对称时），则转向系统会产生净力矩，可能会导致一些顺应性转向。
速度敏感型低速转向扭矩（驻车扭矩）
在零速行驶时，根据磨砂半径（轮胎接触中心与转向轴与地面的交点之间的横向偏移），对轮胎进行转向需要同时进行磨损和滚动。这种磨损所产生的阻力会给主销力矩增加扭矩，从而增加了低速行驶时的转向力。如果使用计算低速转弯滑移影响的轮胎模型，则应将此属性设置为零。这些属性在“转向：驻车扭矩”界面上的表格中描述。该扭矩的大小取决于许多因素，包括轮胎性能，转向系统几何形状和静态定位。轮胎模型并非旨在预测这种性能，因此很少测量轮胎在不打滑的情况下绕贴片中心纯转弯的数据。尽管如此，某些应用（例如，半实物转向测试系统和驾驶模拟器）仍需要现实的低速转向扭矩。作为车辆，轮胎和道路的经验确定的特性，包括低速转向转矩。用户可以将其定义为速度的函数，以在零或非常低的速度下提供逼真的转向系统负载，并消除速度增加和滚动变得支配行为时的磨损效应。缩放效果以考虑道路摩擦系数。转向方向相反时，观察到的转矩不会立即从一个极限跳到另一个极限，而是需要一定的转向才能过渡。称为beta的参数定义了转向系统进行过渡的速率。Beta有时称为空间时间常数，在方程中出现的时间常数与一阶微分方程中的时间常数相同。但是，它不是具有时间单位，而是具有角偏转单位。Beta大约是通过一个极限到另一个极限的95％扭矩变化所需要的角度的1/3。例如，如果需要1.5°来覆盖95％的转矩滞后，则Beta应为0.5°。
外部转向模型 (Simulink, VS Commands, etc.)
经验丰富的用户可以用外部定义的模型替换整个或部分转向系统。通常，这是使用Simulink或VS Commands完成的，尽管使用API可以实现许多其他替换方法。数学模型包括许多导入变量，这些变量可用于替换内部模型的某些部分。表2列出了转向控制的导入变量，表3列出了用于使轴1上的车轮转向的导入变量。后轴带有后缀2的后轴（_L2和_R2）也存在类似的变量。.
表2.转向系统顶层控件的导入变量
| 输入关键字 | 描述 |
| IMP_DSTEER_SW | 方向盘角速度 |
| IMP_F_BOOST_EXT | 转向齿条助推力（仅适用于内部转向模型） |
| IMP_M_BOOST_EXT | 转向器助力扭矩（仅适用于内部转向模型） |
| IMP_M_TBAR_EXT | 外部模型的转向柱反作用扭矩 |
| IMP_STEER_SW | 方向盘角度 |
| IMP_STEER_T_IN | 转向输入扭矩 |
表3.车轴1转向系统的导入变量
| 关键字 | 描述 |
| IMP_DSTEER_CON_L1 | 外部模型的车轮L1和R1的转向器角速度
|
| IMP_DSTEER_CON_R1 | |
| IMP_DSTEER_L1 | 转向系统导致的车轮L1和R1转向角速率（不进行平移/侧倾转向），来自外部模型
|
| IMP_DSTEER_R1 | |
| IMP_DSTEER_RACK_CON_L1 | 外部型号的车轮L1和R1的转向齿条速度
|
| IMP_DSTEER_RACK_CON_R1 | |
| IMP_F_TIEROD_L1 | 外部模型在车轮L1和R1的拉杆上的齿条上的作用力
|
| IMP_F_TIEROD_R1 | |
| IMP_M_KP_L1 | 额外的主销扭矩在弹簧上反作用
|
| IMP_M_KP_R1 | |
| IMP_M_TIEROD_L1 | 由于外部模型的车轮L1和R1的拉杆负载而在Pitman臂上产生的力矩
|
| IMP_M_TIEROD_R1 | |
| IMP_R_STR_EXT_L1 | 带有外部转向模型的车轮L1的总转向比，由闭环转向控制器使用（驾驶员模型）
|
| IMP_R_STR_EXT_R1 | |
| IMP_STEER_CON_L1 | 外部模型的车轮L1和R1的转向器输出角度（输入到非线性转向运动学表中）
|
| IMP_STEER_CON_R1 | |
| IMP_STEER_L1 | 转向系统导致的车轮L1和R1转向角（非行驶/侧倾转向）来自外部模型
|
| IMP_STEER_R1 | |
| IMP_STEER_RACK_CON_L1 | 外部模型的车轮L1和R1的转向齿条位置（输入到非线性转向运动学表） |
| IMP_STEER_RACK_CON_R1 |
经验丰富的用户可以使用这些导入变量的许多组合来替换转向系统模型的某些部分。此外，还为每个车轴提供了参数，以支持替换模型部分的三个选项。参数为OPT_STEER_EXT（iaxle）。OPT_STEER_EXT的有效值为0到4之间的整数。请记住，当OPT_STEER_EXT设置为2、3或4时，将替换转向系统的一个或多个特定部分，并且将忽略描述该系统部分的内部代码。也就是说，CarSim没有有关系统那部分的信息，因此用户必须提供通常为该系统内部计算的所有信息。
0和1,设置内部转向和无转向
设置OPT_STEER_EXT =1表示轴不进行转向，也没有为其定义转向系统。但是，仍然存在由悬架运动学和顺应性引起的转向效应。当指定为1时，将绕过转向运动学的求解器代码，从而使效率略有提高。与转向相关的大多数参数和表未显示在回声文件中。由于会忽略用于计算转向系统效果的代码，因此任何导入变量均无效。除第一个轴外，所有轴的默认值为1。 值为0表示车轴的完整转向来自CarSim内置转向模型。在VS浏览器中的适当位置链接到转向效果，则将该轴的OPT_STEER_EXT设置为0。对于完整的内部转向模型（选项0），存在导入变量，并且可以将其与内部模型中的变量组合。转向助力和扭力杆扭矩的导入变量对于内部模型最为有用，并且它们支持所有应用程序选项（加，替换，乘）。其他进口产品涉及对运动的直接控制（机架位置，车轮转向等），并且仅支持“添加”选项。当使用它们潜在地增强内部模型的运动时，还必须提供其导数的输入。
选项2替换转向齿轮
设置OPT_STEER_EXT =2将保留转向柱和拉杆/转向臂的运动学特性，并用外部元件代替齿条和小齿轮或转向齿轮等的动态特性，助力和控制信息。
更换转向器后，CarSim不会获得有关该齿轮的特性，其动力学特性，助力系统，摩擦，阻尼等信息。在外部模型中计算出的内容必须具有用户创建的导入变量，才能使用可视化工具，或以任何其他方式使用。表4列出了外部模型应提供的导入变量，表5列出了外部模型可能需要的输出变量。
表4.更换转向齿条/齿轮时要导入的变量
| 变量 | 描述 |
| IMP_DSTEER_CON_(whl) | （whl）（L1，R1等）的齿轮输出速度 |
| IMP_STEER_CON_(whl) | （whl）的齿轮输出角（L1，R1等） |
| IMP_DSTEER_RACK_CON_(whl) | （whl）（L1，R1等）的齿条的输出速度 |
| IMP_STEER_RACK_CON_(whl) | （whl）（L1，R1等）齿条的输出位置 |
| IMP_R_STR_EXT_(whl) | （whl）（L1，R1等）的瞬时总转向比 |
| IMP_M_TBAR_EXT | 齿轮到圆柱的反作用扭矩 |
表5.更换转向齿条/齿轮的输出变量
| 变量 | 描述 |
| STEER_SW | 方向盘（柱）角 |
| STRAV_SW | 方向盘（柱）角速度 |
| F_Trd(whl) | 在齿条的运动方向上对齿条施加的拉杆力或 |
| M_Trd(whl) | 在转向器输出端由于拉杆力而产生的力矩 |
选项3:更换整个系统，拉杆/转向臂动力学除外
设置OPT_STEER_EXT = 3会替换除横拉杆和转向臂运动学之外的所有内容。更换转向器和转向柱时，CarSim没有有关转向柱或齿轮的特性，其动力学，运动学联系，助力系统，摩擦，阻尼等信息。在外部模型中计算的内容必须由用户创建导入变量以使用VS Visualizer进行绘制，或以任何其他方式使用。表6列出了外部模型应提供的导入变量，表7列出了外部模型通常需要的输出变量。
表6.更换转向管柱和转向齿条/齿轮时要导入的变量
| 描述 | 描述 |
| IMP_DSTEER_CON_(whl) | （whl）（L1，R1等）的齿轮输出速度 |
| IMP_STEER_CON_(whl) | （whl）的齿轮输出角（L1，R1等） |
| IMP_DSTEER_RACK_CON_(whl) | （whl）（L1，R1等）的齿条的输出速度 |
| IMP_STEER_RACK_CON_(whl) | （whl）的齿条的输出位置（L1，R1等） |
| IMP_R_STR_EXT_(whl) | （whl）（L1，R1等）的瞬时总转向比 |
| IMP_STEER_T_IN | 转向输入扭矩 |
表7.更换转向管柱和转向齿条/齿轮的输出变量
| 变量 | 描述 |
| STEER_SW | 方向盘角度（控制输入） |
| STRAV_SW | 方向盘角速度（控制输入） |
| M_SW | 转向扭矩输入（开环控制） |
| F_Trd(whl) | 在齿条运动方向上对齿条施加的拉杆力或 |
| M_Trd(whl) | 在转向器输出端由于拉杆力而产生的力矩 |
选项4替换整个转向系统
当转向系统被完全更换（OPT_STEER_EXT= 4）时，CarSim没有有关任何组件的属性，其动力学，运动学联系，助力系统，摩擦，阻尼等的信息。在外部模型中计算出的内容必须具有用户 -创建的导入变量，以使用VS Visualizer进行绘制或以其他任何方式使用。表8列出了外部模型应提供的导入变量，表9列出了外部模型通常需要的输出变量。
表8.更换整个转向系统时要导入的变量
| 变量 | 描述 |
| IMP_DSTEER_(whl) | 转向速度（whl）（L1，R1等） |
| IMP_STEER_(whl) | 转向角（whl）（L1，R1等） |
| IMP_R_STR_EXT_(whl) | （whl）（L1，R1等）的瞬时总转向比 |
| IMP_STEER_T_IN | 转向输入扭矩 |
表9.用于替换整个转向系统的输出变量
| 变量 | 描述 |
| STEER_SW | 方向盘角度 |
| STRAV_SW | 方向盘角速度 |
| M_SW | 转向扭矩输入（开环控制） |
| F_Trd(whl) | 在齿条的运动方向上对齿条施加的拉杆力或 |
| M_Trd(whl) | 在转向器输出端由于拉杆力而产生的力矩 |
转向界面
有两个界面可以装配转向系统的属性。图7显示的是定义了整个转向系统的界面。①转向柱惯量（关键词=I_COL）。转向盘和旋转柱部件的惯性力矩。当转向输入是通过转向角度（开环控制或闭环控制），这个参数没有影响。由于管柱的加速度是未知的，CarSim无法计算出惯性力矩效应。当输入的是开环扭矩控制时，这个参数是必须的。②转向系统惯量（关键字=I_GEAR_IN）。转向齿轮和连杆部件的惯性力矩。系统惯性与输入齿轮有关。它代表了在输入齿轮处产生角加速度所需的扭矩。这个量不包括转向轮端部件（转向节、刹车、车轮和轮胎）在转向轴上的惯性力矩。将惯量与输入齿轮的惯量相加，意味着方程将齿条和拉杆的质量，或输出齿轮、摇臂和拉杆的惯量，视为它们与输入齿轮的惯量组合在一起。例如，如果齿条和小齿轮的C系数为40mm/rev，则小齿轮节距半径为0.00637m。4kg的齿条和拉杆质量将对系统惯性产生m*r^2或0.000162kg-m^2。这是一个重要的事实：如果对C系数进行调整，系统惯性应按C系数平方的变化比例进行调整。
③转向柱阻尼（关键词 = D_COL）。应用于转向柱的粘性阻尼系数。
④转向柱滞后（关键字=HYS_COL）。转向柱滞后扭矩。这是在向左和向右转动方向盘时测量到的扭矩差值的二分之一，仅适用于转向柱部件。它代表了转向柱部件中的摩擦力。
图 7 转向系统界面
⑤转向柱参考滞后角（关键词=BETA_COL）。当转向方向反转时，摩擦（滞后）力矩不会瞬间从一个极限跳转到另一个极限, 需要一定的位移量来实现过渡。一个名为β的参数定义了摩擦力矩实现这一过渡的速度。β有时被称为空间时间常数，出现在方程中，与一阶微分方程中的时间常数相同。但是，它是以位移（度）为单位，而不是以时间为单位。
β约为从一个极限转矩到另一个极限转矩变化的95%所需的角度的1/3。例如，如果需要1.5°才能覆盖95%的转矩滞后，那么Beta就是0.5°。
⑥下拉列表，用于选择方向盘处的扭矩计算方法（图8）。
图 8.在方向盘处计算扭矩的选项
如果选择了从表格中计算方向盘扭矩，则可以链接到定义方向盘扭矩为总扭矩和车速的函数的表格。如果选择了 "主销力矩计算"，那么用于获得方向盘扭矩的方法取决于转向器的控制输入。当转向器由扭矩输入控制时，只需将指定的输入扭矩传递给输出变量进行计算。当转向由方向盘角度输入控制时（开环或由驾驶者模型控制），则需要利用主销转矩、瞬时转向比、动力转向辅助、立柱阻尼和立柱滞后等参数来计算出方向盘转矩。转向柱惯性加速所需的转矩不包括在计算中，因为开环控制指定了一个转向角，而驾驶员模型产生的是一个转向角，而转向角的二导数（角加速度）在VS求解器中一般是没有定义的。 输出变量F_TRdL*和F_TRdR*(来自拉杆的齿条载荷)是用每个车轮的主销力矩乘以车轮运动学表插值值计算出来的。
⑦@中心的侧向偏移量(关键字=L_KPO)。车轮中心平面在中心轴之外的侧向距离。这个距离是沿着轮子的旋转轴取的。
⑧Kingpin倾斜度（关键字=A_KPI）。Kingpin轴倾角（转向轴倾角）相对于车辆的X-Z平面。转向轴的Kingpin角为正的转向轴向内倾，如界面上的图所示。
⑨X坐标@中心（关键字=X_KPO）。相对于车轮旋转轴的纵向位置。如果轮子中心点在主销的后方，则该坐标为正，如图中所示。
⑩ 倾斜角（关键字=A_CASTER）。从车辆的侧面看，Kingpin轴的倾斜度。如界面上的图所示，具有正向脚轮的转向轴向后方倾斜。
传统的扭杆梁从来都是主动转向的。通过项目中的数据会被忽略。为了达到前束和转向一致性的目的，车轮在设计负荷时，车轮围绕着一个轴线，通过车轮中心的垂直方向进行转向。⑪ 用于选择前轮转向系统类型的下拉列表（图9）。
图 9. 前轮的转向类型
如果选择了 "前轮：手动循环球"，那么动力转向系统标题下的控件就会被隐藏起来，而显示的用于指定转向齿轮运动学和连杆运动学的控件则描述了适当的单位（齿轮箱输出以皮特曼臂旋转度为单位）。请注意，虽然该控件指的是循环球转向，但这一术语的选择只是因为它是最常见的齿轮类型。其他类型的齿轮（例如，蜗杆和扇形、蜗杆和滚子）也用这些控制器来描述。只是为了与齿轮齿条和小齿轮系统区分开来。如果选择了前轮：手动齿轮齿条和小齿轮，那么动力转向系统标题下的控件将被隐藏，而显示的用于指定转向齿轮运动学和连杆机构运动学的控件描述了适当的单位（齿轮箱输出，单位为齿条平移毫米）。如果选择了 "前轮：齿轮辅助循环球 "或 "前部：立柱辅助循环球"，则显示 "动力转向系统 "标题下的控件，用于指定转向齿轮运动学和连杆运动学的控件描述了适当的单位（齿轮箱输出，单位为皮特曼臂旋转度）。请注意，虽然该控件指的是循环球转向，但选择这一术语只是因为它是最常见的齿轮类型。其他类型的齿轮（例如，蜗杆和扇形、蜗杆和滚子）也用这些控制器来描述。只是为了与齿轮齿条和小齿轮系统区分开来。在齿轮辅助中，辅助是施加到齿轮的输出端的扭矩。在柱式辅助中，它是施加在齿轮的输入侧。如果选择了Front: rack assist rack and pinion或Front: column assistrack and pinion，则显示在动力转向系统标题下的控件，用于指定转向齿轮运动学和连杆运动学的控件描述了适当的单位（齿轮箱输出，单位为齿条平移毫米）。在齿条辅助中，辅助是施加在齿条上的力。在立柱辅助中，辅助力是施加在小齿轮上的力矩。
⑫用于指定转向齿轮的运动特性的控制装置。
根据下拉列表的设置⑪ ，这些控件指的是齿轮比或齿轮齿条和小齿轮比。每种齿轮类型提供了一个选项来链接到一个可变的转向传动的转向齿比表，或黄色区域来指定一个恒定齿轮比。如果选择了恒定齿轮比，并且齿轮类型是循环球，那么会出现一个指定齿轮比的字段（图7）。
图 7. 设置一个恒定的齿轮比（循环球）
变速比是以每度输出的输入度数来指定的。这是工业上指定转向齿轮比的常用术语。它应该总是有一个非零的正值。如果这里指定的值为0，VS求解器将因除以0的错误而失败。程序函数决定转向器输出响应于一个输入。该字段中的0会产生一个未定义的结果。如果你希望由于某种原因而禁用转向，请选择可变齿轮比选项，并在表格界面上指定一个常数值为零。当选择了可变齿轮比时，链接的表格定义了单位输入的输出（恒定齿轮比的倒数）。第二个表格可选择定义中间轴的输出旋转角度作为输入角度的函数。如果选择了恒定齿轮比，并且齿轮类型为齿轮齿条和小齿轮，则会出现一个指定齿轮比的字段（图8）。
图 8. 设置一个恒定的C系数（齿条和小齿轮）
传动比由C系数指定-C齿条和小齿轮传动比在工业上是一个常用术语。C系数是小齿轮每转一圈的齿条平移量，单位为mm。在VS求解器中，它应始终具有正值。
⑬ 链接到数据集的链接，这些数据描述了在没有轮胎力的情况下方向盘的转向与转向器输出的关系。
这些表中的数据必须始终具有正斜率。
⑭用于指定用于定义车轮转向角的轴的下拉列表（图9）。
图 9. 用于指定用于定义转向角的轴的选项
第一个选择“在车辆坐标系中定义转向角”是默认选择。它规定了相对于车辆Z轴定义了车轮转向角。这是由车轮平面与车辆X-Y平面的相交线形成的角度，并且是通常在运动学测试台上测量的角度。第二个选择“将转向角定义为主销旋转”指定相对于转向轴（主销）定义车轮转向角。如果使用安装在悬架上的传感器测量转向角，或者根据转向几何因素（例如转向臂长度和齿条平移）计算转向角，则此选择可能更方便。⑮链接到转向系统：弹性学特性数据集。链接的数据集定义了转向轮的总体转向系统顺弹性学效果。每个都是非线性成形表，该表乘以左右车轮围绕其主销轴的总力矩来获得弹性学转向效果。
⑯转向器阻尼（关键字= D_GEAR）或转向齿条阻尼（关键字=D_RACK）。这是转向器的阻尼系数。对于循环球转向，该值基于转向臂的角速度。对于齿条齿轮系统，它基于齿条平移速度。
⑰转向器迟滞（关键字= HYS_GEAR）或转向齿条滞后（关键字=HYS_RACK）。转向器处的磁滞（摩擦）。这是左右转向时测得的扭矩（或齿条和小齿轮系统的力）差的一半。它表示齿轮，拉杆，球节，主销等的总摩擦。
⑱转向器参考滞后角（关键字= BETA_COL）或齿条参考滞后长度（关键字=BETA_RACK）。当转向方向反转时，摩擦（磁滞）不会立即从一个极限跳到另一个极限，过渡需要一定的位移量。称为Beta的参数定义了摩擦进行此过渡的速率。Beta有时称为空间时间常数，在方程中出现的时间常数与一阶微分方程中的时间常数相同。但是，它以位移单位（度或毫米）而不是时间表示。
Beta大约是改变运动方向时通过力（或扭矩）变化的95％所需的位移的1/3。例如，如果需要1.5毫米来覆盖95％的磁滞，则beta将为0.5毫米。
⑲数据集的可选链接，描述了要添加到主销力矩上的附加抵抗扭矩，该扭矩是车轮垂直载荷和车辆速度的函数。
⑳转向停止角限制（关键字= A_STR_STOP_L，A_STR_STOP_R）遇到转向停止时的车轮转向角。通常，左轮为负值（右转时为外轮），右轮为正值（左转时为外轮）。
㉑转向止动刚度（关键字= K_STR_STOP_L，K_STR_STOP_R）每个车轮上的转向止动装置的刚度。通常，如果通过转向角控制转向，则应将其设置为零（禁用），因为转向控制将继续转向，从而导致很高的转向力，并且模型可能会变得不稳定。但是，当通过扭矩进行转向控制时，转向停止会阻止系统中不切实际的转向角度。
㉒可选链接到描述助力转向系统的助力扭矩或力的数据集。仅当选择了一种助力转向选项时才会显示。显示的类型取决于所选的齿轮类型。当选择了后转向选项之一时，后桥没有助力转向信息，因为它假定处于伺服控制之下。
转向助力界面包括一个字段，用于定义动力转向系统的时间常数。由于系统的输出不能响应输入的变化而瞬时变化，因此使用简单的时间常数来定义系统响应的一阶延迟。
㉓ 扭力杆刚度（关键字= TBAR）如果选择了助力转向选项之一，则显示此字段以指定动力转向器扭力杆的刚度。
㉔用于选择后轮转向系统类型的下拉列表（图10）
图10后轮的转向选项
如果选择“后轮：未选择后轮转向”，则用于指定后轮转向系统的控件将被隐藏。如果选择了后转向选项之一，则将显示链接以指定系统属性，与前转向系统一样，并显示后转向主销几何形状的字段。此外，还提供了指向“转向系统：后轮增益”数据集的链接。假定后轮转向系统处于伺服控制之下。即，它们没有机械地链接到前转向系统。典型的后转向系统受到控制，以使其根据车辆速度以与前转向不同的比例进行转向。由于前转向系统在机械上未连接到它们，因此它们对方向盘扭矩没有贡献，因此没有为它们提供单独的辅助信息。出于相同的原因，没有提供转向停止信息。㉕高级用户的杂项链接，包括与转向系统有关的更多数据.
将驾驶员模型与外部转向模型一起使用
用外部模型替换转向系统元件的每个选项都可以接受开环或闭环控制输入。可以使用导入变量IMP_STEER_SW修改转向命令信号，并在I / O通道：导入界面的下拉列表中选择选项设置添加，替换或乘以之一。
将数学模型设置为开环控制时，导入的转向命令可能会修改表中的一个。在闭环控制（驱动程序模型）中，导入会修改驾驶员模型的行为。
可选关键字OPT_DRIVER_ACTION（对于高级用户，通过在其他黄色字段区域中键入关键字及其值进行设置），控制驾驶员模型的行为（如果已选择）。将OPT_DRIVER_ACTION设置为0会使驾驶员模型照常执行其计算，但是结果控件不会应用于方向盘。此模式可用于为外部定义的转向系统（例如线控转向）提供控制输入。可以认为是驾驶员的转向“要求”。可以将计算出的驾驶员控件导出（在变量STEER_DM中），以供外部软件（例如Simulink）或VS命令定义的方程式使用。将OPT_DRIVER_ACTION设置为1（默认值）会导致驾驶员模型应用计算出的方向盘角度来操纵车辆。
（欢迎申请加入智能驾驶交流学习群，加小编微信号zhijiashexiaoming）
下载ECAD模型
