四輪轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向特性及控制技術(shù)-Read

四輪轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向特性及控制技術(shù)東南大學機械工程系汪東明摘要：本文分析比較了四輪轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向特點，概述了電控四輪轉(zhuǎn)向汽車的結(jié)構(gòu)原理，介紹了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略，指出了四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制技術(shù)所面臨的困難，并展望其發(fā)展趨勢。關鍵詞：四輪轉(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)向特點；工作原理；控制；發(fā)展。引言隨著現(xiàn)代道路交通系統(tǒng)和現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展，人們對汽車的轉(zhuǎn)向操縱性能和行駛穩(wěn)定性的要求日益提高。作為改善汽車操縱性能最有效的一種主動底盤控制技術(shù)——四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)，于二十世紀80年代中期開始在汽車上得到應用，并伴隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展。汽車的四輪轉(zhuǎn)向（Four-wheelSteering——4WS）是指汽車在轉(zhuǎn)向時，后輪可相對于車身主動轉(zhuǎn)向，使汽車的四個車輪都能起轉(zhuǎn)向作用。以改善汽車的轉(zhuǎn)向機動性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性。四輪轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向特性２·１4WS汽車與2WS汽車轉(zhuǎn)向過程分析普通兩輪轉(zhuǎn)向汽車（2WS汽車）的前輪既可繞自身的輪軸自轉(zhuǎn)又可繞主銷相對于車身偏轉(zhuǎn)，而后輪只能自轉(zhuǎn)而不偏轉(zhuǎn)。當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤后，前輪轉(zhuǎn)向，改變了行駛方向，地面對前輪胎產(chǎn)生一個橫向力，通過前輪作用于車身，使車身橫擺，產(chǎn)生離心力，使后輪產(chǎn)生側(cè)偏，改變前進方向，參與汽車的轉(zhuǎn)向運動。而4WS汽車的后輪與前輪一樣，既可自轉(zhuǎn)也能偏轉(zhuǎn)。當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤后，前、后輪幾乎同時轉(zhuǎn)向，使汽車改變前進方向，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運動。2WS汽車在轉(zhuǎn)向時，前輪作主動轉(zhuǎn)向，后輪只是作被動轉(zhuǎn)向。顯然，2WS汽車在轉(zhuǎn)向過程中，從方向盤轉(zhuǎn)動到后輪參與轉(zhuǎn)向運動之間存在一定的滯后時間。2WS汽車的這種相位滯后特性使汽車轉(zhuǎn)向的隨動性變差，并使汽車的轉(zhuǎn)向半徑增大。另外，2WS汽車在高速行駛時，相對于一定的方向盤轉(zhuǎn)角增量、車身的橫擺角速度和橫向加速度的增量增大，使汽車在高速行駛時的操縱性和穩(wěn)定性變差。而4WS汽車在轉(zhuǎn)向時，前、后輪都作主動轉(zhuǎn)向，在轉(zhuǎn)向過程中，靈敏度高，響應快，有效地克服了上述缺點。２·２4WS汽車的轉(zhuǎn)向方式根據(jù)理論分析研究和大量路試表明，四輪轉(zhuǎn)向能夠提高汽車轉(zhuǎn)向的的機動靈活性和高速行駛時的操縱穩(wěn)定性，現(xiàn)代4WS汽車就是根據(jù)這一指導思想研制的。一般來說，4WS汽車在轉(zhuǎn)向過程中，根據(jù)不同的行駛條件，前、后輪轉(zhuǎn)向角之間應遵循一定的規(guī)律。目前，典型4WS汽車前、后輪的偏轉(zhuǎn)規(guī)律一般是這樣的：逆相位轉(zhuǎn)向如圖1（a）所示，在低速行駛或者方向盤轉(zhuǎn)角較大時，前、后輪實現(xiàn)逆相位轉(zhuǎn)向，即后輪的偏轉(zhuǎn)方向與前輪的偏轉(zhuǎn)方向相反，且偏轉(zhuǎn)角度隨方向盤轉(zhuǎn)角增大而在一定范圍內(nèi)增大（后輪最大轉(zhuǎn)向角一般為5°左右）。這種轉(zhuǎn)向方式可改善汽車低速時的操縱輕便性，減小汽車的轉(zhuǎn)彎半徑，提高汽車的機動靈活性。便于汽車掉頭轉(zhuǎn)彎、避障行駛、進出車庫和停車場。對轎車而言，若后輪逆相位轉(zhuǎn)向5°，則可減少最小轉(zhuǎn)向半徑約0.5m。同相位轉(zhuǎn)向如圖1（b）所示，在中、高速行駛或方向盤轉(zhuǎn)角較小時，前、后輪實現(xiàn)同相位轉(zhuǎn)向，即后輪的偏轉(zhuǎn)方向與前輪的偏轉(zhuǎn)方向相同（后輪最大轉(zhuǎn)角一般為1°左右）。使汽車車身的橫擺角速度大大減小，可減小汽車車身發(fā)生動態(tài)側(cè)偏的傾向，保證汽車在高速超車、進出高速公路、高架引橋及立交橋時，處于不足轉(zhuǎn)向狀態(tài)。現(xiàn)在，有許多4WS汽車把改善汽車操縱性能的重點放在提高汽車高速行駛的操縱穩(wěn)定性上，而不過分要求汽車在低速行駛的轉(zhuǎn)向機動靈活性。其工作特點是低速時汽車只采用前輪轉(zhuǎn)向，只在汽車行駛速度達到一定數(shù)值后（如50Km/h），后輪才參與轉(zhuǎn)向，進行同相位四輪轉(zhuǎn)向。（b）同相位轉(zhuǎn)向（b）同相位轉(zhuǎn)向（a）逆相位轉(zhuǎn)向圖1四輪轉(zhuǎn)向汽車的前、后輪偏轉(zhuǎn)規(guī)律２·３4WS汽車的轉(zhuǎn)向特點與普通的2WS汽車相比，4WS汽車具有如下特點：優(yōu)越性：（１）轉(zhuǎn)向操作的響應加快，準確性提高。（２）轉(zhuǎn)向操作的輕便性和行駛穩(wěn)定性提高。（３）低速時，轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向操作的機動靈活性提高。（如圖2所示）（４）超車時，變換車道更容易，減小了汽車產(chǎn)生擺尾和側(cè)滑的可能性。（５）抗側(cè)向干擾的穩(wěn)定性效果好。不足性：（１）低速轉(zhuǎn)向時，汽車尾部容易碰到障礙物。（２）實現(xiàn)理想控制的技術(shù)難度大。（３）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、成本高。（４）轉(zhuǎn)向過程中，阿克曼定理難保證。轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎半徑（a）2WS汽車（b）4WS汽車圖2低速轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向性能比較四輪轉(zhuǎn)向汽車的組成及工作特性３·１現(xiàn)代4WS汽車的基本組成及工作原理4WS汽車是在前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎上，在汽車的后懸架上安裝一套后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，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。經(jīng)過幾十年的研究與開發(fā)，已經(jīng)成型的4WS汽車類型有多種，組成、結(jié)構(gòu)不同，控制方式及工作原理也各異。典型的電控4WS系統(tǒng)主要由前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳感器（如轉(zhuǎn)向角度傳感器、車速傳感器、橫擺角速度傳感器等）、ECU、后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)等組成。如圖3所示，轉(zhuǎn)向時，傳感器將前輪轉(zhuǎn)向的信號和汽車運動的信號送入ECU，ECU進行分析計算，將處理后的驅(qū)動信號傳給后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)，后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)動作，通過后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)，驅(qū)動后輪偏轉(zhuǎn)。同時，ECU進行實時監(jiān)控汽車運行狀況，計算目標轉(zhuǎn)向角與后輪實時轉(zhuǎn)向角之間的差值，來實時調(diào)整后輪的轉(zhuǎn)角。這樣，可以根據(jù)汽車的實際運動狀態(tài)，實現(xiàn)汽車的四輪轉(zhuǎn)向。一般的4WS汽車設有兩種轉(zhuǎn)向模式，既可進入4WS狀態(tài)，也可保持傳統(tǒng)的2WS狀態(tài)，駕駛員可通過駕駛室內(nèi)的轉(zhuǎn)向模式開關進行選擇。當4WS汽車在行駛過程中電子控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，后輪自動回到目前，對于4WS汽車的研究和開發(fā)仍處于不斷發(fā)展和完善階段。盡管科研人員從結(jié)構(gòu)到控制原理上對四輪轉(zhuǎn)向進行了大量的研究，4WS技術(shù)已取得不少進展。但是，在運用現(xiàn)代控制理論進行汽車轉(zhuǎn)向控制策略的確定和控制方法的選擇時，主要是依靠經(jīng)驗，相應的理論依據(jù)還很缺乏，4WS技術(shù)沒有真正步入普及應用階段，在商用汽車上沒有得到廣泛應用。在技術(shù)相對成熟的4WS汽車中，大多數(shù)采用電控液壓動力4WS系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機技術(shù)在汽車中的廣泛應用，電控電動4WS系統(tǒng)將是4WS汽車的發(fā)展趨勢。雖然在4WS系統(tǒng)的研究和開發(fā)方面已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，但是，作為4WS系統(tǒng)的核心技術(shù)問題——4WS系統(tǒng)控制器的設計，究竟以什么作為最佳的控制目標？采用什么樣的控制方法？在該研究領域仍然沒有較為一致的看法。前已述及，早期進行的4WS系統(tǒng)的研究都是基于一個簡單的二自由度線性車輛模型，4WS控制器設計都是基于跟隨線性動力學方程的假設，采用PID控制策略。我們知道，4WS系統(tǒng)的控制主要依賴于輪胎所受的橫向力。早期的研究是將汽車輪胎看成線性進行建模的，一般的4WS控制也就基于輪胎所受的橫向力比例于車輪側(cè)偏角的假設，這種假設只是在橫向加速度較小的范圍內(nèi)有效。當在橫向加速度較大的范圍內(nèi)時，輪胎的側(cè)偏特性將進入非線性區(qū)域，輪胎側(cè)偏角對輪胎所受橫向力的響應不再呈比例關系，與輪胎所受的縱向力、垂直載荷等都有關系。實際上，汽車在轉(zhuǎn)彎行駛時，輪胎基本上都工作在非線性區(qū)域。此時，再用線性控制理論來進行研究，就顯得勉為其難。4WS汽車操縱動力學問題是非常復雜的非線性多體動力學問題，對于4WS控制系統(tǒng)的研究應綜合考慮汽車的運動情況，深入研究影響其狀態(tài)響應的各種動力學參數(shù)，建立模擬汽車實際運動情況的數(shù)學模型，采取更有效的控制策略。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，一些先進的現(xiàn)代控制方法已經(jīng)被應用于4WS系統(tǒng)的控制研究中，如最優(yōu)控制、自適應控制、滑?？刂?、魯棒控制等，近年來，又出現(xiàn)了模糊控制、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論的控制方法等。對4WS控制系統(tǒng)的研究逐漸從線性領域向非線性領域過渡，一些多自由度的4WS汽車動力學模型已有提出，但大多處于研究的初級階段，尚不成熟。未來對4WS系統(tǒng)的研究的發(fā)展趨勢主要集中為：（１）進一步研究、開發(fā)新型的后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)，提高轉(zhuǎn)向時的操縱輕便性、靈活性和轉(zhuǎn)向角度的準確性。（２）針對4WS系統(tǒng)，進一步開發(fā)、設計高性能、高精度、高靈敏度的傳感器，以便于正確地檢測汽車的運動信號。（３）深入研究轉(zhuǎn)向過程中輪胎的瞬態(tài)特性，將其作為主要因素加入到4WS系統(tǒng)的數(shù)學模型中。（４）將先進的控制理論與控制方法應用于4WS控制器的研究中。（５）從主觀評價出發(fā)，考慮閉環(huán)綜合性能指標，將“人—車—路”看成一個系統(tǒng)。（６）基于新控制理論的全主動4WS系統(tǒng)。（７）把4WS技術(shù)與其它主動安全技術(shù)（如4WD、ABS、ASR、ASC、DYC等）相結(jié)合，實現(xiàn)汽車主動底盤技術(shù)的綜合控制，這是主動控制4WS系統(tǒng)研究的長期目標。參考文獻：郭孔輝，汽車操縱動力學，吉林科學技術(shù)出版社，1991張洪欣，汽車系統(tǒng)動力學，同濟大學出版社，1996余志生，汽車理論，機械工業(yè)出版社，2002莊繼德，汽車電子控制系統(tǒng)工程，北京理工大學出版社，1998（加）唐·諾里斯、（美）杰克·爾賈維克，懸架系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，吉林科學技術(shù)出版社，2000李栓成等，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與維修，國防工業(yè)出版社，1998郭孔輝、軋浩，四輪轉(zhuǎn)向的控制方法的發(fā)展，中國機械工程，1998年第9卷第5期屈求真、劉延柱，四輪轉(zhuǎn)向汽車的控制策略，汽車技術(shù)，1998年第2期杜宇，四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，北京理工大學碩士學位論文，2000WhiteheadJC，F(xiàn)our-Wheel-SteeringManeuverabilityandHighSpeedStabilization，SAE880642ShibahataY、IrleN、ItohH，TheDevelopmentofanExperimentalFour-Wheel-SteeringVehicle，SAE860623附：1、英文摘要：SteeringBehaviorandControlTechnologyofFour-wheelSteeringAutomobileAbstract：Thesteeringfeaturesoffour-wheelsteeringautomobilearecomparativelyanalyzedinthispaper.Thestructureandworkingprincipleofelectronic-controlledfour-wheelsteeringautomobilearedescribed.Thecontroltacticsoffour-wheelsteeringsystemareintroduced.Thedifficultyconfrontedbyfour-wheelsteeringsystemcontroltechnologyispointedoutanditsdevelopingtrendisprospected.Keywords：Four-wheel