四輪轉向汽車的轉向特性及控制技術-Read

1、四輪轉向汽車的轉向特性及控制技術東南大學機械工程系汪東明摘要： 本文分析比較了四輪轉向汽車的轉向特點，概述了電控四輪轉向汽車的結構原理，介紹了四輪轉 向系統(tǒng)的控制策略，指出了四輪轉向系統(tǒng)控制技術所面臨的困難，并展望其發(fā)展趨勢。關鍵詞： 四輪轉向；轉向特點；工作原理；控制；發(fā)展。1、引言隨著現(xiàn)代道路交通系統(tǒng)和現(xiàn)代汽車技術的發(fā)展，人們對汽車的轉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 四輪轉向技術， 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。汽車的四輪轉向（Four-wheel Steering4WS）是

2、指汽車在轉向時，后輪可相對于車身主動轉向，使汽車的四個車輪都能起轉向作用。以改善 汽車的轉向機動性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性。2、四輪轉向汽車的轉向特性21 4WS汽車與2WS汽車轉向過程分析而后輪只普通兩輪轉向汽車 （2WS 汽車）的前輪既可繞自身的輪軸自轉又可繞主銷相對于車身偏轉， 能自轉而不偏轉。當駕駛員轉動方向盤后，前輪轉向，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)生側偏，改變前進方向，參與汽車的轉向運動。 而 4WS 汽車的后輪與前輪一樣，既可自轉也能偏轉。當駕駛員轉動方向盤后，前、后輪幾乎同時轉向，使 汽車改變前進方向，實現(xiàn)轉

3、向運動。2WS 汽車在轉向過程中，從方2WS 汽車的這種相位滯后特性使汽車轉向的隨動2WS 汽車在高速行駛時，相對于一定的方向盤轉角增量、車身 使汽車在高速行駛時的操縱性和穩(wěn)定性變差。 靈敏度高，響應快，有效地克服了上述缺點。而 4WS 汽車在轉向2WS 汽車在轉向時，前輪作主動轉向，后輪只是作被動轉向。顯然， 向盤轉動到后輪參與轉向運動之間存在一定的滯后時間。 性變差，并使汽車的轉向半徑增大。另外， 的橫擺角速度和橫向加速度的增量增大， 時，前、后輪都作主動轉向，在轉向過程中，22 4WS汽車的轉向方式四輪轉向能夠提高汽車轉向的的機動靈活性和高速行駛時的操縱4WS 汽車在轉向過程中，根據(jù)不同

4、的4WS 汽車前、后輪的偏轉規(guī)律一般是這樣根據(jù)理論分析研究和大量路試表明，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， 行駛條件，前、后輪轉向角之間應遵循一定的規(guī)律。目前，典型 的：（1）逆相位轉向如圖1 （a）所示，在低速行駛或者方向盤轉角較大時，前、后輪實現(xiàn)逆相位轉向，即后輪的偏轉方向 與前輪的偏轉方向相反，且偏轉角度隨方向盤轉角增大而在一定范圍內增大（后輪最大轉向角一般為5°左右）。這種轉向方式可改善汽車低速時的操縱輕便性，減小汽車的轉彎半徑，提高汽車的機動靈活性。便于 汽車掉頭轉彎、避障行駛、進出車庫和停車場。對轎車而言，若后輪逆相位轉向5°，則

5、可減少最小轉向半徑約 0.5m。（2）同相位轉向如圖1 （b）所示，在中、高速行駛或方向盤轉角較小時，前、后輪實現(xiàn)同相位轉向，即后輪的偏轉方 向與前輪的偏轉方向相同（后輪最大轉角一般為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，處于不足轉向 狀態(tài)?，F(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向機動靈活性。其工作特點是低速時汽車只采用前輪轉向，只在汽車行駛速度達 到一定數(shù)值后（如 50Km/h ） ，后輪才參與轉向，進行同相位

6、四輪轉向。(a)逆相位轉向(b)同相位轉向圖1四輪轉向汽車的前、后輪偏轉規(guī)律23 4WS汽車的轉向特點(1) 轉向操作的響應加快，準確性提高。(2) 轉向操作的輕便性和行駛穩(wěn)定性提高。與普通的2WS汽車相比，4WS汽車具有如下特點: 優(yōu)越性：(3) 低速時，轉彎半徑小，轉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)生擺尾和側滑的可能性。(5) 抗側向干擾的穩(wěn)定性效果好。不足性:(1) 低速轉向時，汽車尾部容易碰到障礙物。(2) 實現(xiàn)理想控制的技術難度大。(3) 轉向系統(tǒng)結構復雜、成本高。(4) 轉向過程中，阿克曼定理難保證。(a) 2WS汽車(b) 4WS

7、汽車圖2低速轉向時的轉向性能比較3、四輪轉向汽車的組成及工作特性 31 現(xiàn)代4WS汽車的基本組成及工作原理4WS汽車是在前輪轉向系統(tǒng)的基礎上，在汽車的后懸架上安裝一套后輪轉向系統(tǒng)，兩者之間通過一定的方式聯(lián)系，使得汽車在前輪轉向的同時，后輪也參與轉向。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、結構不同，控制方式及工作原理也各異。典型的電控4WS系統(tǒng)主要由前輪轉向系統(tǒng)、傳感器(如轉向角度傳感器、車速傳感器、橫擺角速度傳感器等)、ECU、后輪轉向執(zhí)行機構和后輪轉向傳動機構等組成。如圖3所示，轉向時，傳感器將前輪轉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

8、動信號傳給后輪轉向執(zhí)行機構，后輪轉向執(zhí)行機構動作，通過后輪轉向傳動機構，驅動后輪 偏轉。同時，ECU進行實時監(jiān)控汽車運行狀況，計算目標轉向角與后輪實時轉向角之間的差值，來實時調 整后輪的轉角。這樣，可以根據(jù)汽車的實際運動狀態(tài)，實現(xiàn)汽車的四輪轉向。一般的4WS汽車設有兩種轉向模式，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的轉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，后輪自動回到中間位置，汽車自動進入前輪轉向狀態(tài)，保證汽車像普通前輪轉向汽車一樣安全地行駛。同時，儀表板上 的“ 4WS”指示燈亮，警告駕駛員，故障情況被存儲在ECU中，以便于維修

9、時檢碼。圖3 4WS控制系統(tǒng)工作原理圖32 4WS汽車后輪轉向裝置的類型隨著對4WS這一領域研究的不斷進展，出現(xiàn)了多種不同轉向要求、不同結構型式和不同控制策略的 實用4WS系統(tǒng)。按控制后輪轉向的方法，后輪轉向裝置主要可分為轉角隨動型和車速感應型兩種。321 轉角隨動型轉角隨動型四輪轉向裝置的工作特點是后輪偏轉受前輪偏轉控制，作被動轉向，即后輪偏轉方向和轉 角大小受方向盤轉動的方向和轉角大小的控制（如圖4所示）。結構上通過一根后輪轉向傳動軸將前、后輪這種4WS系統(tǒng)存在一 尤其在高速急轉彎時，使汽車的操縱穩(wěn)定性惡化，在現(xiàn)代的4WS系統(tǒng)轉向機構相連，一般都采用機械式傳動和人力直接控制。早期應用在軍用

10、車輛、工程車輛上的4WS系統(tǒng)、裝于本田Prelude轎車上的4WS系統(tǒng)就是采用全機械式的轉角隨動型四輪轉向裝置。定的系統(tǒng)結構和動態(tài)控制的局限性，中已很少采用。'角轉輪車10后輪/ 方向盤轉角（°）*200400-10圖4 一種4WS汽車前、后輪轉角之間的關系3-2-2車速感應型車速感應型四輪轉向裝置的工作特點是后輪偏轉的方向和轉角大小主要受車速高低的控制（如圖 示），在轉向過程中，同時還受前輪轉角、側向加速度、橫擺角速度等動態(tài)參數(shù)的綜合控制作用。結構上有全液壓式、電控液壓式、電控機械液壓式和電控電動式等幾種類型。這種4WS系統(tǒng)綜合考慮了汽車的各種動態(tài)參數(shù)對汽車轉向行駛過程中的

11、操縱穩(wěn)定性的影響, 的四輪轉向裝置。動態(tài)模擬控制效果好，是目前4WS汽車上主要采用4、四輪轉向汽車的控制4WS系統(tǒng)既要實現(xiàn)汽車轉向時所需的運動，又要保證汽車轉向時的行駛穩(wěn)定性。目前，在4WS汽車的研究和開發(fā)方面，主要是以改善汽車的瞬態(tài)操縱穩(wěn)定性為出發(fā)點，探索由于后輪參與轉向而帶來的汽車 響應變化，以及采用各種后輪控制策略而產(chǎn)生的不同效果。汽車四輪轉向的控制依賴于輪胎所受的側向力，四輪轉向能使汽車在轉向時，后輪直接參與對汽車橫擺運動和側向運動的控制。通過適時、精確地控制后 輪的轉向角度，不僅可縮短轉向過程的瞬態(tài)響應，而且能主動地控制汽車的運動軌跡和姿態(tài)。在轉向過程 中，使汽車的前進方向與其縱向中

12、心線的方向一致，即使得汽車的方向角與姿態(tài)角重合，減小轉向時車體 的側偏，提高了汽車的側向穩(wěn)定性。41 控制目標使汽車在轉向時能夠基本保持汽車重心側偏角為零。這樣能夠大幅度提高汽車對方向盤輸入的動態(tài)響應特性，很大程度上改善了橫擺角速度和側向加速度 的瞬態(tài)性能指標，降低車身姿態(tài)的變化。從側偏角為零的目標出發(fā)，按照一定的控制程序導出后輪轉向函 數(shù)是實現(xiàn)四輪轉向的基礎。當然，現(xiàn)代的 4WS汽車也有一些其它控制目標的要求。42 控制策略的模型基礎一般情況下進行的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。這只是一種理想化的數(shù)學模型，在建模時忽略了汽車的一些動力學參數(shù)的變化，沒有考慮汽車行駛過

13、程中產(chǎn)生的許多隨機的、 不確定因素，因而不是非常精確的。 早期的4WS控制器設計都是基于跟隨線性動力學方程的假設，但由于 上述原因，使得所設計的控制系統(tǒng)不一定滿足實際的需要，無法保證汽車轉向時的操縱穩(wěn)定性。43 控制方法不同不同的汽車對轉向行駛性能的要求不同，不同車型的4WS汽車的車輪偏轉規(guī)律也不一樣。因此，4WS的4WS汽車所采用的控制方法不盡相同，各種控制方法分別有其側重點。目前，一用在一些成型的 汽車上的控制方法主要有：(1) 定前、后輪轉向比的 4WS系統(tǒng)。(2) 前、后輪轉向比是前輪轉角函數(shù)的4WS系統(tǒng)。4WS系統(tǒng)。(3) 前、后輪轉向比是車速函數(shù)的(4) 具有一階滯后的 4WS系統(tǒng)

14、。(5) 具有反相特性的 4WS系統(tǒng)。(6) 具有最優(yōu)控制特性的 4WS系統(tǒng)。(7) 具有自學習、自適應能力的 4WS系統(tǒng)。前五種控制系統(tǒng)屬于古典控制理論范疇，只能滿足汽車在某些特定條件下的需要，還不能適應汽車運 動的隨機變化，隨著計算機技術和一些先進控制理論的發(fā)展，4WS系統(tǒng)將朝著自適應、智能化的方向發(fā)展。44 4WS系統(tǒng)控制技術的發(fā)展目前， 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。 盡管科研人員從結構到控制原理上對 四輪轉向進行了大量的研究，4WS技術已取得不少進展。但是，在運用現(xiàn)代控制理論進行汽車轉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

15、，4WS 技術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)。隨著電子技術的飛速發(fā)展，計算機技術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

16、。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 輪側偏角的假設，這種假設只是在橫向加速度較小的范圍內有效。當在橫向加速度較大的范圍內時，輪胎 的側偏特性將進入非線性區(qū)域，輪胎側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

17、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、滑模控制、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)新型的后輪轉向執(zhí)行機構和后輪轉向傳動機構，提高轉向時的操縱輕便性、 靈活性和轉向角度的準

18、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。4WS 系統(tǒng)的數(shù)學模型中。(3) 深入研究轉向過程中輪胎的瞬態(tài)特性，將其作為主要因素加入到(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“人一車一路”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技術與其它主動安全技術(如 4WD、ABS、ASR、ASC、DYC等)相結合，實現(xiàn)汽車主動底盤技術的綜合控制，這是主動控制4WS系統(tǒng)研究的長期目標。參考文獻：1234汽車操縱動力學，吉林科學技術出版

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