汽車轉(zhuǎn)向新技術(shù)-四輪轉(zhuǎn)向和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向

1、汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)一、 技術(shù)概述電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是把電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力傳遞給轉(zhuǎn)向軸或齒條，進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力的機(jī)構(gòu)。    該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向扭矩傳感器、車速傳感器、控制器、電動(dòng)機(jī)、離合器和減速機(jī)構(gòu)組成。比起傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向，它的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)中的電機(jī)只在需要轉(zhuǎn)向助力時(shí)才工作，汽車大部分時(shí)間正常行駛時(shí)電機(jī)并不工作，這樣能量消耗很小，而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由液壓泵及管路和油缸組成，為保持壓力，不論是否需要轉(zhuǎn)向助力，系統(tǒng)總要處于工作狀態(tài)，能耗較高。據(jù)估計(jì)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向只是液壓助力轉(zhuǎn)向能耗的12，前者比后者使整車油耗下降3。二、 現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)近年來(lái)發(fā)展

2、很快，美國(guó)德?tīng)柛５葒?guó)際上大的汽車零部件公司，都已開(kāi)發(fā)出產(chǎn)品，并在一些車上裝用。三、主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容：傳感器技術(shù)；控制技術(shù)；電機(jī)、離合器、減速機(jī)構(gòu)技術(shù)等。汽車電子控制四輪驅(qū)動(dòng)與四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)一、 技術(shù)概述 汽車電子控制四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)（4  Wheels Driving System 4WD）    汽車的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于輪胎對(duì)地面的附著，四輪驅(qū)動(dòng)充分利用了車輪對(duì)地面的附著，當(dāng)然會(huì)獲得好的驅(qū)動(dòng)性能。但因轉(zhuǎn)向時(shí)各輪的轉(zhuǎn)彎半徑不同，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也就不同（內(nèi)外、前后），四個(gè)輪不能通過(guò)剛性傳動(dòng)系統(tǒng)連接，必須在左右兩輪間，在前后驅(qū)動(dòng)軸間設(shè)置差速器。帶來(lái)的問(wèn)題是四個(gè)輪

3、的驅(qū)動(dòng)力受與地面摩擦力最小的輪的限制，需要再設(shè)置差速鎖。汽車電子控制四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)是通過(guò)傳感器感知四個(gè)輪路面的情況，通過(guò)微電腦進(jìn)行分析判斷，通過(guò)電磁閥驅(qū)動(dòng)，改變黏液偶合器的特性，在前后驅(qū)動(dòng)軸之間，在左右輪上分配驅(qū)動(dòng)力。    汽車電子控制四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)（4  Wheels Steering System 4WS ）    汽車在行駛中轉(zhuǎn)向時(shí)，由于受惻向力的作用，前輪有不足轉(zhuǎn)向的特性，后輪有過(guò)度轉(zhuǎn)向的傾向。后者會(huì)引起汽車失去轉(zhuǎn)向行駛的穩(wěn)定性，車速越高問(wèn)題越明顯，甚至出現(xiàn)側(cè)滑翻車。解決措施一般是通過(guò)使后輪在與前輪相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)12度角進(jìn)行補(bǔ)償。電子控制

4、四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)是通過(guò)傳感器感知前輪的轉(zhuǎn)速、方向盤轉(zhuǎn)角、車身的偏轉(zhuǎn)等，通過(guò)微電腦處理，由伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向，響應(yīng)時(shí)間在幾十毫秒內(nèi)。二、 現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)汽車電子控制四輪驅(qū)動(dòng)與四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)近年來(lái)發(fā)展很快，四輪驅(qū)動(dòng)已經(jīng)在高檔轎車上裝用，如德國(guó)大眾的奧迪、帕薩特、高爾夫等，四輪轉(zhuǎn)向在日本的日產(chǎn)、馬自達(dá)、美國(guó)的各公司的轎車上都有應(yīng)用。并且這兩項(xiàng)技術(shù)在不斷發(fā)展，今后在更多的轎車上會(huì)大批量裝用。 三、主要研究?jī)?nèi)容主要技術(shù)內(nèi)容：響應(yīng)快速、靈敏、精確的各類傳感器技術(shù)；復(fù)雜的控制邏輯與控制軟件技術(shù)；電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、加工技術(shù)等提升轎車操縱性的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 德?tīng)柛Ｈ碌腝UADRASTEE

5、R后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)在轎車動(dòng)態(tài)操縱性提升和主動(dòng)安全管理方面為汽車生產(chǎn)廠家提供了一個(gè)創(chuàng)新而又經(jīng)濟(jì)的解決方案。傳統(tǒng)的汽車懸掛往往是以犧牲操縱或駕駛的優(yōu)越性為代價(jià)的，而現(xiàn)在有了德?tīng)柛５腝UADRASTEER四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，汽車生產(chǎn)商們就可以同時(shí)使汽車的駕駛和操縱性也達(dá)到最優(yōu)化。    利用高度可調(diào)性的軟件系統(tǒng)，QUADRASTEER可作為提升汽車操縱性能的基本機(jī)制。運(yùn)用它的動(dòng)態(tài)運(yùn)算法，QUADRASTEER可幫助用戶實(shí)現(xiàn)許多具體操縱性能。舉例來(lái)說(shuō)，如果駕駛者需要的是柔和懸掛下的更平穩(wěn)的駕駛環(huán)境，QUADRASTEER會(huì)經(jīng)過(guò)運(yùn)算，根據(jù)車輛狀態(tài)模式來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整后輪角度，使操作

6、性能和駕駛舒適性皆達(dá)到最佳化，從而實(shí)現(xiàn)駕駛更平穩(wěn)的目的。駕駛性能和操縱性能的平衡    QUADRASTEER真正讓人感到驚訝的地方是它能運(yùn)用改進(jìn)的車輛動(dòng)力學(xué)（也就是主動(dòng)安全）來(lái)平衡駕駛性能和操縱性能。這給那些渴望每天都能享受到駕駛樂(lè)趣的人們帶來(lái)了極大的價(jià)值，因?yàn)镼UADRASTEER在保證安全的同時(shí)仍能提供更優(yōu)的駕駛和操縱性能。四輪轉(zhuǎn)向使車輛的偏航和單邊動(dòng)力相分離，這給底盤設(shè)計(jì)專家們提供了更大的空間來(lái)更好地控制車輛狀態(tài)。QUADRASTEER能夠與最先進(jìn)的運(yùn)算系統(tǒng)結(jié)合在一起，通過(guò)主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向來(lái)增加動(dòng)態(tài)安全。德?tīng)柛５腝UADRASTEER四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在任何速度、任

7、何路況下，甚至在正常駕駛的情況下，都能夠幫助車輛避免過(guò)度轉(zhuǎn)向或是轉(zhuǎn)向不足，但又不會(huì)使車輛減速。無(wú)論是緊急路況改變還是模擬機(jī)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，后輪轉(zhuǎn)向都能使這些情況變得更易于預(yù)見(jiàn)，更易于處理，從而使駕駛員能夠應(yīng)付自如。主動(dòng)安全    QUADRASTEER可以和受控制動(dòng)整合在一起，與單獨(dú)的剎車系統(tǒng)相比，它能為車輛穩(wěn)定性提供更加有效的系統(tǒng)解決方案。通過(guò)整合，這些系統(tǒng)可在車輛緊急剎車時(shí)提供其所需的即時(shí)后輪轉(zhuǎn)向控制和混合制動(dòng)，這就使車輛減速減少到最小，從而使駕駛員更易于處理路面事件。此外，因?yàn)槭怯赊D(zhuǎn)向系統(tǒng)直接控制方向而讓制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)控制車輛減速，所以在打滑或是混合路面（如冰雪）上行駛

8、時(shí)，就能穩(wěn)定地減少剎車停止距離。    通過(guò)改進(jìn)操縱性和偏航的穩(wěn)定性，QUADRASTEER彌補(bǔ)并擴(kuò)大了剎車穩(wěn)定性控制對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的影響。將轉(zhuǎn)向整合到平衡中就使得駕駛者在享受舒適駕駛和優(yōu)越操縱性能的同時(shí)，將主動(dòng)安全性發(fā)揮到極致。    保持傳統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)    傳統(tǒng)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在轎車的應(yīng)用上也同樣得以保留。在城市中駕駛或是泊車時(shí)，QUADRASTEER所提供的優(yōu)越的操縱性有效減少了車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，而當(dāng)牽引或是拖拉其它車輛時(shí)，QUADRASTEER亦可以和專門的運(yùn)算系統(tǒng)相結(jié)合，提供更佳的操縱性

9、和安全性。    高價(jià)值的革新系統(tǒng)    在德?tīng)柛２粩嘣鲩L(zhǎng)的電子轉(zhuǎn)向產(chǎn)品家族中，QUADRASTEER是一個(gè)革新性的系統(tǒng)。    QUADRASTEER四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為汽車生產(chǎn)商使用經(jīng)驗(yàn)證的可靠技術(shù)提供了更高價(jià)值的改進(jìn)方案。該系統(tǒng)低成本、輕重量和模塊驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)使得它可以靈活地和各種不同的懸掛配置結(jié)合運(yùn)用。    在歐洲，已有200多臺(tái)裝有QUADRASTEER電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車在道路上行駛；在美國(guó)，德?tīng)柛Ｓ薪鼉赡甑腝UADRASTEE產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。這一切使得德?tīng)柛５墓?/p>

10、程師有足夠多的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)來(lái)為客戶提供安全、可靠和高價(jià)值的系統(tǒng)。 四輪轉(zhuǎn)向控制四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（4WS）把后輪與前輪一起轉(zhuǎn)向，是一種提高車輛反應(yīng)性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)。把后輪與前輪同相位轉(zhuǎn)向，可以減小車輛轉(zhuǎn)向時(shí)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（橫擺），改善高速行駛的穩(wěn)定性。把后輪與前輪逆相位轉(zhuǎn)向，能夠改善車輛中低速行駛的操縱性，提高快速轉(zhuǎn)向性。目前，安裝在大量生產(chǎn)車輛上的四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，可以分成以下4類微小轉(zhuǎn)角控制橫向加速度·車速感應(yīng)型 前輪轉(zhuǎn)角·車速感應(yīng)型大轉(zhuǎn)角控制前輪轉(zhuǎn)角感應(yīng)型 前輪轉(zhuǎn)角比例·車速感應(yīng)型 橫向加速度·車速感應(yīng)型其結(jié)構(gòu)是在前輪的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器上，再安裝一個(gè)后

11、輪專用的控制閥，產(chǎn)生一個(gè)大致與橫向加速度成比例的，與前輪轉(zhuǎn)向器阻力相平衡的油壓，把該壓力的油液送到后輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，裝入高剛性彈簧，當(dāng)與送來(lái)的油壓達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，輸出桿便產(chǎn)生位移，從而帶動(dòng)后輪開(kāi)始轉(zhuǎn)向。 前輪轉(zhuǎn)角，車速感應(yīng)型在該系統(tǒng)中，從油泵出來(lái)的油液直接流入電磁閥，車速傳感器10，轉(zhuǎn)角傳感器11分別將車速和前輪轉(zhuǎn)角信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)。按計(jì)算機(jī)指令，控制油液流入后輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)。前輪轉(zhuǎn)角感應(yīng)型為了把前輪轉(zhuǎn)角傳給后輪，在前輪齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒條軸上，安裝了后輪轉(zhuǎn)向齒輪，其角位移，通過(guò)中間傳動(dòng)軸，傳給后輪轉(zhuǎn)向器。后輪具有小轉(zhuǎn)角同相轉(zhuǎn)向，大轉(zhuǎn)角逆相轉(zhuǎn)向的功能。在微小轉(zhuǎn)向的高速行駛時(shí)，形成了同相轉(zhuǎn)

12、向，獲得了行駛穩(wěn)定性，在大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向的極低速行駛時(shí)，變成逆相轉(zhuǎn)向，獲得了小半徑轉(zhuǎn)向性能。4.前輪轉(zhuǎn)角比例車速感應(yīng)型在動(dòng)力傳至后輪轉(zhuǎn)向軸之前，與前者基本相同，但后輪的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由相位控制部分和動(dòng)力補(bǔ)助部分構(gòu)成。動(dòng)力補(bǔ)助部分以油壓為動(dòng)力，由后輪滑閥和動(dòng)力缸構(gòu)成。相位控制部分能實(shí)現(xiàn)對(duì)后輪同相位或逆相位的控制。日產(chǎn)“風(fēng)雅”運(yùn)動(dòng)款四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)圖1：風(fēng)雅運(yùn)動(dòng)款標(biāo)準(zhǔn)配備19英寸車輪圖2：通過(guò)配備在車身后部的致動(dòng)器控制后輪牽引力日產(chǎn)“風(fēng)雅”運(yùn)動(dòng)款“350GT Sports Package”除采用19英寸鋁合金車輪外，還采用了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)“Rear Active Steer(后輪主動(dòng)控制)”。 可根據(jù)車速和舵角控制

13、后輪，既實(shí)現(xiàn)了中低速區(qū)的靈敏度，又兼顧了高速區(qū)的行駛穩(wěn)定性。 當(dāng)開(kāi)始打方向盤時(shí)，可以與前輪相反的方向操縱后輪來(lái)提高轉(zhuǎn)向性能，然后再以與前輪相同的方向操縱后輪來(lái)抑制偏航速度，以確保行駛穩(wěn)定性。后輪舵角理論上可機(jī)械性控制在1°以下，而實(shí)際上最大只有0.3°左右。無(wú)需與檢測(cè)偏航速度及側(cè)翻速度的傳感器及側(cè)滑防止裝置VDC(車輛動(dòng)力控制)等聯(lián)動(dòng)，便可根據(jù)車速及方向舵角來(lái)決定后輪舵角。 實(shí)際上，“Rear Active Steer”與曾在“Skyline”及“FAIRLADY(Z32)”上采用的“HICAS”是同一種四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。由于風(fēng)雅在美國(guó)是以“無(wú)限M45M35

14、(Infiniti M45M35)”的車名銷售，所以該系統(tǒng)改用了便于理解的名稱。 順便說(shuō)一下，現(xiàn)有“SKYLINE(V35)”及“FAIRLADY(Z33)”并未采用四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這是因?yàn)椤癦33的基本性能較高，沒(méi)有必要配備這一系統(tǒng)?！?會(huì)場(chǎng)解說(shuō)員)雖然風(fēng)雅配備“FM Package(采用前置引擎布局的底盤)”的車輛中，旅行車“STAGEA”的部分車型采用了該系統(tǒng)，不過(guò)這也只是為了解決車身后部重量較大，從而產(chǎn)生下壓缺點(diǎn)而采用的。而風(fēng)雅的目標(biāo)是“希望進(jìn)一步加強(qiáng)通過(guò)改進(jìn)FM Package而提高的運(yùn)動(dòng)性能”，所以采用了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。圖3：速度與后輪舵角之間的關(guān)系。反方向操縱后輪的動(dòng)作十分

15、靈敏。車輛主動(dòng)底盤的非線性動(dòng)力學(xué)與控制車輛主動(dòng)底盤包括兩個(gè)機(jī)電一體化子系統(tǒng)：一是基于主動(dòng)或半主動(dòng)振動(dòng)控制的懸架系統(tǒng)，二是基于運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)控制的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它們是兩個(gè)強(qiáng)非線性動(dòng)力系統(tǒng)，并分別具有作動(dòng)器和司機(jī)產(chǎn)生的反饋時(shí)滯。以車輛主動(dòng)底盤為背景，研究高維非線性時(shí)滯系統(tǒng)的建模、動(dòng)力學(xué)與控制問(wèn)題，并將研究結(jié)果應(yīng)用于車輛主動(dòng)底盤的動(dòng)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)。1.動(dòng)力學(xué)建模針對(duì)車輛懸架液力作動(dòng)器具有中、短時(shí)滯的特點(diǎn)，研究了時(shí)滯受控機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)建模問(wèn)題，提出了具有互補(bǔ)性的時(shí)域和頻域時(shí)滯參數(shù)辨識(shí)方法。根據(jù)本項(xiàng)目中研制磁流變阻尼器的需要，構(gòu)造了一種精度高而又簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)模型，在磁流變阻尼器的實(shí)驗(yàn)建模中取得成功。針對(duì)車輛

16、懸架系統(tǒng)包含剛?cè)狁詈献酉到y(tǒng)的特點(diǎn)，提出基于奇異攝動(dòng)理論和慢變流型概念對(duì)高維時(shí)滯系統(tǒng)進(jìn)行降階，形成了一套有效的懸架系統(tǒng)模型約化方法。比較全面地研究了四輪轉(zhuǎn)向車輛的理論建模問(wèn)題，建立了含有2個(gè)平動(dòng)和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)、計(jì)入輪胎力非線性、轉(zhuǎn)彎制動(dòng)、司機(jī)操縱時(shí)滯、前后輪最優(yōu)控制策略等復(fù)雜因素的19維系統(tǒng)模型，并討論了模型降維的條件。2.動(dòng)力學(xué)分析比較系統(tǒng)地研究了高維非線性時(shí)滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性，包括全時(shí)滯穩(wěn)定性、短時(shí)滯穩(wěn)定性、穩(wěn)定性切換、魯棒穩(wěn)定性等，并將分析結(jié)果用于車輛主動(dòng)底盤。其中最重要的成果是：(1)對(duì)于含多個(gè)時(shí)滯和待定設(shè)計(jì)參數(shù)的高維系統(tǒng)，提出一種系統(tǒng)定常解全時(shí)滯穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)，并在此基礎(chǔ)上形成了系統(tǒng)定常解穩(wěn)

17、定性切換的判據(jù)，可在MAPLE平臺(tái)上方便地給出不同設(shè)計(jì)參數(shù)下系統(tǒng)定常解的穩(wěn)定區(qū)域。(2)對(duì)于短時(shí)滯問(wèn)題，從理論上給出了時(shí)滯對(duì)線性系統(tǒng)特征值的影響規(guī)律。從而在攝動(dòng)分析公式基礎(chǔ)上方便地構(gòu)造了數(shù)值算法，通過(guò)跟蹤具有最大實(shí)部的特征值隨時(shí)滯增加的變化，確定時(shí)滯反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3. 動(dòng)力學(xué)控制在不同層次的模型上，對(duì)四輪轉(zhuǎn)向汽車的控制策略進(jìn)行了研究。分析了開(kāi)環(huán)情況下控制系統(tǒng)的動(dòng)特性。研究了閉環(huán)時(shí)不同司機(jī)時(shí)滯、預(yù)觀測(cè)距離等因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和Hopf分叉的影響，給出了最佳的控制策略。設(shè)計(jì)制造了1/4車輛懸架系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研制了一種基于磁流變液體的半主動(dòng)阻尼器及基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)，進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)。研究表明

18、，該阻尼器的反映速度極快，具有很好的應(yīng)用前景。汽車懸架的電子控制技術(shù)一、 技術(shù)概述汽車的懸架特性是由彈簧和阻尼元件的特性決定的。汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性對(duì)于懸架構(gòu)成了一對(duì)矛盾，平順性要求彈簧阻尼系統(tǒng)較軟，而操縱穩(wěn)定性，特別是轉(zhuǎn)向時(shí)不側(cè)傾，制動(dòng)時(shí)不點(diǎn)頭又要求彈簧阻尼系統(tǒng)較硬，傳統(tǒng)的懸架（彈簧和阻尼系統(tǒng)）是矛盾的折衷。懸架的電子控制技術(shù)為更好地解決這一問(wèn)題找到了辦法。二、 現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)發(fā)達(dá)國(guó)家1985年前后半主動(dòng)懸架技術(shù)趨于成熟，福特公司和日產(chǎn)公司首先在轎車上應(yīng)用，能根據(jù)汽車的行駛狀況或根據(jù)超聲波識(shí)別的路面情況，通過(guò)電磁閥液壓系統(tǒng)，改變阻尼，在幾十毫秒中消除路面不平引起的振動(dòng)。BOSCH公司還磁力彈簧技術(shù)。進(jìn)入90年