汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展與展望

汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展與展望劉釗【摘要】介紹了汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程、特點(diǎn)及優(yōu)勢，分析了當(dāng)前四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展程度及控制策略，結(jié)合電控轉(zhuǎn)向技術(shù)的應(yīng)用對四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望.【期刊名稱】《汽車實(shí)用技術(shù)》【年(卷)，期】2015(000)004【總頁數(shù)】4頁(P23-25,39)【關(guān)鍵詞】汽車四輪轉(zhuǎn)向;電控轉(zhuǎn)向技術(shù);發(fā)展方向【作者】劉釗【作者單位】長安大學(xué)，陜西西安710064【正文語種】中文【中圖分類】U463.4CLCNO.:U463.4DocumentCode:AArticleID:1671-7988(2015)04-23-04目前，我國機(jī)動車保有量增速越來越快，而市區(qū)道路的擴(kuò)建明顯滯后，車輛在狹窄道路上轉(zhuǎn)彎、掉頭也較為困難，給人們帶來很大的不便。同時，我國高速公路發(fā)展迅速，伴隨著交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，高速公路事故數(shù)量也逐年遞增，特別是在濕滑路面上，由于地面附著系數(shù)降低而弓I起的車輛失控。在對事件進(jìn)行分析的同時，人們發(fā)現(xiàn)汽車四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)可以較好地解決這兩個問題。四輪轉(zhuǎn)向汽車的前后四個車輪都具有轉(zhuǎn)向功能，并且根據(jù)前后車輪不同的擺角和相位，能夠減小或增大汽車的轉(zhuǎn)彎半徑，從而提高車輛的靈活性或穩(wěn)定性。因此，四輪轉(zhuǎn)向汽車相比傳統(tǒng)前輪轉(zhuǎn)向汽車有兩個優(yōu)點(diǎn)：在低速時，后輪偏轉(zhuǎn)方向與前輪相反，使得轉(zhuǎn)彎半徑減小，能夠?qū)崿F(xiàn)更靈活的轉(zhuǎn)向；在高速時，后輪偏轉(zhuǎn)方向與前輪相同，使得轉(zhuǎn)彎半徑增大，可以提升車輛的穩(wěn)定性。從上世紀(jì)80年代，四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)就開始應(yīng)用于汽車，然而并未得到普及，其原因在于四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且對電子控制技術(shù)要求較高，因此增加了成本，降低了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性。四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)起源于日本。1907年，日本政府頒發(fā)了第一個關(guān)于四輪轉(zhuǎn)向的專利證書。1962年，日本汽車工程協(xié)會提出了后輪主動轉(zhuǎn)向的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)，開始了汽車四輪轉(zhuǎn)向的研究。1985年，Nissan公司首先在客車上成功應(yīng)用了世界上第一套四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)［1］。最早的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用機(jī)械式機(jī)構(gòu)，前、后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過中間轉(zhuǎn)向軸相連，轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角首先作用于前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，同時利用中間轉(zhuǎn)向軸將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角向后輪轉(zhuǎn)向齒輪傳遞，操縱后輪轉(zhuǎn)動。隨后出現(xiàn)了電液式四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，前、后輪均采用液壓動力轉(zhuǎn)向，當(dāng)前輪轉(zhuǎn)向時，由中間轉(zhuǎn)向軸將信號傳遞給后輪動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。后輪動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)根據(jù)前輪轉(zhuǎn)角、車速和后輪轉(zhuǎn)向角度比率，由控制器控制電機(jī)帶動助力油缸動作，從而改變后輪的轉(zhuǎn)動方向與角度。目前較為先進(jìn)的是電動式四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，省去了中間轉(zhuǎn)向軸以及液壓管路，使得結(jié)構(gòu)更為簡單，該機(jī)構(gòu)由控制單元采集當(dāng)前信息，驅(qū)動前、后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，也可以分別為每個車輪單獨(dú)配備轉(zhuǎn)向電機(jī)，實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立控制［2］。在輪式車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理，即要求四個車輪能夠在無側(cè)滑等理想狀態(tài)下繞著同一個中心原地轉(zhuǎn)圈，此時，四個輪胎均作純滾動，無滑磨狀態(tài)，如圖1所示。則兩個轉(zhuǎn)向輪應(yīng)滿足關(guān)系式：式中：B——外輪轉(zhuǎn)角a——內(nèi)輪轉(zhuǎn)角M——轉(zhuǎn)向軸兩主銷中心距L——車輛軸距傳統(tǒng)前輪轉(zhuǎn)向汽車是利用梯形機(jī)構(gòu)來滿足阿克曼原理的。轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)中，下底邊長度（兩主銷中心距）M是由車輛總體設(shè)計(jì)給出的，兩腰長相等。因此其中只有兩個獨(dú)立變量有待確定，一個是上底邊（橫拉桿）長度，另一個是兩腰（梯形臂）長度，而這兩個參數(shù)還可以轉(zhuǎn)化為梯形底角0及腰長m,如圖2所示。通常在設(shè)計(jì)時，根據(jù)。和m值，需要用作圖法作出所選機(jī)構(gòu)參數(shù)在轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)（a<amax），內(nèi)、外卜輪轉(zhuǎn)角a和B的一組實(shí)際對應(yīng)值，并將這組對應(yīng)的轉(zhuǎn)角（ai，Bi）按圖3所示作出實(shí)際特性曲線，與理論特性曲線進(jìn)行比較，得到轉(zhuǎn)角的偏差值△禺其中直線GF為阿克曼原理所確定的理論特性曲線，弧線GE為梯形機(jī)構(gòu)參數(shù)所確定的實(shí)際特性曲線，若兩條特性曲線接近,即最大偏差值^Bmax小于允許偏差，說明轉(zhuǎn)向梯形幾何參數(shù)選擇合理；如果△Pmax大于允許偏差，則須重新選擇梯形參數(shù)［3］。由此可以看出，梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)僅僅能夠在一定范圍內(nèi)近似滿足阿克曼原理，減少轉(zhuǎn)彎時的輪胎磨損。而在四輪轉(zhuǎn)向汽車的設(shè)計(jì)中，由于高、低速轉(zhuǎn)向時后輪擺角的差異，引起其轉(zhuǎn)向軸距的變化，使得梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不適宜用在四輪轉(zhuǎn)向汽車上。如圖4,圖5所示，四輪轉(zhuǎn)向汽車應(yīng)滿足：由于四輪轉(zhuǎn)向汽車在高速和低速變換時，L1和L2均有改變，且L1變化較大，這將給四輪轉(zhuǎn)向汽車的設(shè)計(jì)帶來很大的困難。有—些四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在前輪轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上，為汽車的后輪加裝另—套轉(zhuǎn)向裝置，兩者之間通過一定的方式聯(lián)系，使得汽車在前輪轉(zhuǎn)向的同時，后輪也參與轉(zhuǎn)向。這種四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，但是無法滿足阿克曼原理，使得輪胎磨損嚴(yán)重，行駛阻力增大，油耗增加。由于后輪的轉(zhuǎn)角在高速和低速時可實(shí)現(xiàn)同相位轉(zhuǎn)向和逆向位轉(zhuǎn)向，四輪轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)彎半徑變化較大，若采用傳統(tǒng)梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)則會出現(xiàn)誤差較大的情況，因此有必要對各個輪胎實(shí)行獨(dú)立控制，以滿足阿克曼原理。近年來，電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，并且隨著電子設(shè)備可靠性的提高，一些原本較為復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)也逐步為電子結(jié)構(gòu)所代替。對于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，經(jīng)過多年的研究與實(shí)踐，目前也出現(xiàn)了電控轉(zhuǎn)向技術(shù)。2012年，Nissan公司將電控轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)用于〃英菲尼迪Q50”型汽車，成為了首個在量產(chǎn)車上使用電控轉(zhuǎn)向技術(shù)的企業(yè)。電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器之間的機(jī)械連接，利用電信號和馬達(dá)控制輪胎的轉(zhuǎn)向。首先利用傳感器檢測方向盤的轉(zhuǎn)角，之后ECU（電子控制單元）將輪胎應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度轉(zhuǎn)換成控制信號，通過汽車內(nèi)部線束傳送到控制輪胎轉(zhuǎn)向的馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。因?yàn)檗D(zhuǎn)向盤操作是經(jīng)由線束傳遞而非轉(zhuǎn)向軸，所以叫作電控轉(zhuǎn)向[4]。同時該車為了保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性，將傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器之間的機(jī)械連接依然保留。由此看出，電控轉(zhuǎn)向技術(shù)用在傳統(tǒng)前輪轉(zhuǎn)向汽車上似乎有些〃多此一舉”，但是對于四輪轉(zhuǎn)向汽車卻意義重大。有了電控轉(zhuǎn)向技術(shù)作為基礎(chǔ)，四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向就可以很快實(shí)現(xiàn)，而四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向則是四輪轉(zhuǎn)向汽車滿足阿克曼原理的關(guān)鍵。目前主要有兩種四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法，分為轉(zhuǎn)角隨動型（圖6）和車速感應(yīng)型（圖7）。轉(zhuǎn)角隨動型的特點(diǎn)是后輪偏轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)角大小受轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角大小的控制。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角很大時，后輪相對于前輪異向偏轉(zhuǎn)，認(rèn)為此時車速較低；當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)角很小時，后輪與前輪同向偏轉(zhuǎn)，認(rèn)為此時處于高速行車狀態(tài)。然而這種系統(tǒng)沒有考慮到人為誤操作的可能，會使汽車在高速急轉(zhuǎn)彎時的操縱穩(wěn)定性惡化，故很少采用。車速感應(yīng)型的特點(diǎn)是后輪偏轉(zhuǎn)的方向和轉(zhuǎn)角大小主要受車速高低的控制，同時還受前輪轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度、橫擺角速度等動態(tài)參數(shù)的綜合控制。汽車低速行駛轉(zhuǎn)向時前后輪逆向偏轉(zhuǎn)，高速行駛轉(zhuǎn)向時前后輪同向偏轉(zhuǎn)。這種系統(tǒng)綜合考慮了汽車的各種動態(tài)參數(shù)對汽車轉(zhuǎn)向行駛過程中的操縱穩(wěn)定性的影響，是目前四輪轉(zhuǎn)向汽車上主要采用的控制方法［5］。四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制目標(biāo)主要有：減小側(cè)向加速度與橫擺角速度之間的相位差以及它們各自的相位；減小汽車質(zhì)心處的側(cè)偏角等。目前用于一些四輪轉(zhuǎn)向汽車上的控制方法主要有：前后輪轉(zhuǎn)向比一定的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；前后輪轉(zhuǎn)向比是前輪轉(zhuǎn)角的函數(shù)；前后輪轉(zhuǎn)向比是車速的函數(shù)；具有一階滯后的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；具有反相特性的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；具有最優(yōu)控制特性的四輪轉(zhuǎn)向；具有自適應(yīng)能力的四輪轉(zhuǎn)向等［6］。當(dāng)然除了這些動態(tài)參數(shù)所確立的客觀控制方法之外，還應(yīng)考慮駕駛員的主觀駕駛感受。目前駕駛員所習(xí)慣的轉(zhuǎn)向方式是傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向，其車輛轉(zhuǎn)彎半徑與方向盤轉(zhuǎn)角具有線性比例關(guān)系，而四輪轉(zhuǎn)向汽車低速時轉(zhuǎn)彎半徑較小，高速時轉(zhuǎn)彎半徑較大，這種變化與前輪轉(zhuǎn)向汽車的駕駛感受有較大的不同。因此，對于四輪轉(zhuǎn)向汽車控制策略的研究，還需考慮駕駛員的駕駛感受這一重要元素，從主觀評價出發(fā)，在高低速轉(zhuǎn)換階段，盡量采用駕駛員不敏感的過渡方式，保持主觀評價與客觀評價的統(tǒng)一。由于電控轉(zhuǎn)向技術(shù)的應(yīng)用，使得四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展又向前邁出了一大步。近年來，汽車主動安全技術(shù)發(fā)展迅速，主要包括ABS防抱死系統(tǒng)、ASR驅(qū)動防滑轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)、EBD電子制動力分配系統(tǒng)、TCS牽弓I力控制系統(tǒng)、ESP汽車動態(tài)控制系統(tǒng)、EBA緊急剎車輔助系統(tǒng)、ACC自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、EMB電子機(jī)械制動系統(tǒng)等［7］。這些主動安全技術(shù)絕大部分是基于對制動系統(tǒng)的控制而發(fā)展起來的，通過檢測車輛運(yùn)行狀態(tài)，在車輛即將發(fā)生側(cè)滑、傾翻時分別干預(yù)各個車輪的制動，使車輛脫離危險(xiǎn)。當(dāng)事故發(fā)生時，存在由于駕駛員經(jīng)驗(yàn)不足，猛打方向的情況，這樣會增加脫離危險(xiǎn)的難度。因此僅僅對車輛制動系統(tǒng)的干預(yù)顯然是不夠的，如果能夠同時對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也進(jìn)行干預(yù)，那么車輛的安全性能將會大大提高。同制動系統(tǒng)可單獨(dú)對某一車輪實(shí)施制動一樣，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各個車輪的轉(zhuǎn)向也是獨(dú)立控制，這就為二者的配合提供了基本條件。當(dāng)車輛出現(xiàn)側(cè)滑或側(cè)向加速度過大時，ECU能夠同時控制制動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，對外側(cè)車輪進(jìn)行制動并使車輪朝夕卜側(cè)偏轉(zhuǎn)，以減小車輛側(cè)向加速度?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】王東明.汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究與發(fā)展[J].上海汽車，2003(10):24-27.魏東.后輪獨(dú)立控制的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2011.鄔華芝，魏曉靜.輪式車輛轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的圖解解析法[J].工程機(jī)械，1999