四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)在牽引汽車中的應(yīng)用

黨 濤

（威海廣泰空港設(shè)備股份有限公司，山東 威海 264200）

四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)在牽引汽車中的應(yīng)用

黨 濤

（威海廣泰空港設(shè)備股份有限公司，山東 威海 264200）

簡(jiǎn)述車輛四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的應(yīng)用，經(jīng)過對(duì)機(jī)場(chǎng)牽引汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究，提出一種新的控制方式，在隨動(dòng)輪角度跟隨基礎(chǔ)上加入汽車行駛速度控制因子，既解決了車輛高速行駛的穩(wěn)定性問題，也保證了車輛低速轉(zhuǎn)彎的靈活性。

四輪轉(zhuǎn)向；兩輪轉(zhuǎn)向；控制系統(tǒng)；程序；算法；機(jī)場(chǎng)車輛

CLC NO.:U463.4Document Code:BArticle ID:1671-7988(2014)11-78-03

1、四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)車輛的轉(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(dòng)底盤控制技術(shù)，“四輪轉(zhuǎn)向”系統(tǒng)（Four - wheel Steering：4WS）出現(xiàn)在一些高級(jí)運(yùn)動(dòng)車型中。傳統(tǒng)的兩輪轉(zhuǎn)向車輛，前輪隨方向盤轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)，后輪保持行駛方向不隨方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)；而在擁有四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛中，不僅前輪隨著方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而偏轉(zhuǎn)，后輪也隨著車輛轉(zhuǎn)彎而轉(zhuǎn)動(dòng)。例如寶馬5系Gran Turismo在后輪設(shè)計(jì)了獨(dú)立的拉桿與電機(jī)，轉(zhuǎn)彎并線時(shí)后輪會(huì)與前輪同向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使車身整體處在轉(zhuǎn)向的狀態(tài)下，提高行駛的穩(wěn)定性與安全性；而Infiniti G37 Coupe所配置的4WAS四輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，則是沿用自Nissan已發(fā)展多年的HICAS(High Capacity Actively Controlled Suspension)系統(tǒng)，并加以改善，其可使后輪擁有與前輪相同的轉(zhuǎn)向方向，雖然最大的傾角僅有1度，但其目的并非要藉由后輪的轉(zhuǎn)向大幅提升車輛轉(zhuǎn)向的快速反應(yīng)，而是要提高車輛在高速切換車道的后輪穩(wěn)定性，避免車輛后輪因慣性而向外滑出，提高車身行駛動(dòng)線的穩(wěn)定表現(xiàn)，達(dá)到操控上的安全。

2、兩輪轉(zhuǎn)向與四輪轉(zhuǎn)向的對(duì)比

兩輪轉(zhuǎn)向過程中，從方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)到后輪參與轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)之間存在一定的滯后時(shí)間，這使汽車轉(zhuǎn)向的隨動(dòng)性變差，并使汽車的轉(zhuǎn)向半徑增大；另外車輛高速轉(zhuǎn)向時(shí)前輪產(chǎn)生側(cè)偏角α，并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)向心力使車體開始自轉(zhuǎn)，當(dāng)車體出現(xiàn)自轉(zhuǎn)時(shí)，后輪產(chǎn)生側(cè)偏角β，和旋轉(zhuǎn)向心力，車速越高，離心力越大，所以必須給前輪更大的側(cè)偏角，使它產(chǎn)生更大的旋轉(zhuǎn)向心力，與此同時(shí)，后輪也產(chǎn)生與此相應(yīng)的側(cè)偏角，車體的自轉(zhuǎn)趨勢(shì)更加嚴(yán)重。也就是說，車速越高，轉(zhuǎn)向時(shí)容易引起車輛的旋轉(zhuǎn)和側(cè)滑。如上圖所示。

在四輪轉(zhuǎn)向車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，前輪和后輪共同完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作，低速時(shí)后輪可以與前輪做反向轉(zhuǎn)動(dòng)，獲得較小的轉(zhuǎn)向半徑，而高速轉(zhuǎn)向時(shí)，后輪與前輪做同向轉(zhuǎn)動(dòng)，減小汽車的橫擺運(yùn)動(dòng)，提高車道變更和曲線行駛的操縱穩(wěn)定性。上圖是四輪轉(zhuǎn)向與兩輪轉(zhuǎn)向的比較

3、機(jī)場(chǎng)車輛中四輪轉(zhuǎn)向方式的實(shí)現(xiàn)與特點(diǎn)

目前，機(jī)場(chǎng)牽引汽車已普遍使用四輪轉(zhuǎn)向方式，基本原理是對(duì)前輪及后輪轉(zhuǎn)向角進(jìn)行檢測(cè)，并跟據(jù)角度差值調(diào)整跟隨輪的轉(zhuǎn)向角，以實(shí)現(xiàn)同向跟隨，或反向跟隨。在車輛的駕駛室儀表板設(shè)有“兩輪轉(zhuǎn)向”，“四輪轉(zhuǎn)向”，“蟹行轉(zhuǎn)向”三種轉(zhuǎn)向模式?！皟奢嗈D(zhuǎn)向”模式即傳統(tǒng)意義上的轉(zhuǎn)向，后輪不隨動(dòng)；“四輪轉(zhuǎn)向”是指當(dāng)前輪隨方向盤發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，后輪作反方向偏轉(zhuǎn)；“蟹行轉(zhuǎn)向”是指當(dāng)前輪隨方向盤發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，后輪作同方向偏轉(zhuǎn)。上述控制方式由于僅采用角度監(jiān)測(cè)技術(shù)，只能根據(jù)前后輪的角度差別調(diào)整車輛的轉(zhuǎn)向姿態(tài)，無(wú)法根據(jù)車輛速度的不同對(duì)車輛轉(zhuǎn)向姿態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)及調(diào)整，導(dǎo)致車輛高速轉(zhuǎn)向時(shí)易出現(xiàn)甩尾，轉(zhuǎn)向過度而難以控制。由于存在上述不足，車輛使用時(shí)對(duì)操作者要求較高，若操作不當(dāng)高速四輪轉(zhuǎn)向時(shí)容易出現(xiàn)車輛失穩(wěn)。

3.1 電氣系統(tǒng)硬件組成

為克服現(xiàn)有車輛的轉(zhuǎn)向缺陷，筆者提出了一種新的四輪轉(zhuǎn)向穩(wěn)定系統(tǒng)用于飛機(jī)牽引汽車的四輪轉(zhuǎn)向控制。該方案內(nèi)容如下：車輛的前后輪安裝角度傳感器，用于檢測(cè)前后輪的絕對(duì)角度和轉(zhuǎn)向偏差，通過CAN總線技術(shù)實(shí)時(shí)采樣車輛行駛速度，將上述信號(hào)接入車載控制單元中。在電子控制單元中對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行整定，值域限制，結(jié)合轉(zhuǎn)向角模糊控制算法自動(dòng)輸出最佳PWM信號(hào)控制轉(zhuǎn)向液缸，從而控制隨動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向角度。按技術(shù)方案設(shè)計(jì)的原理圖如下：其中S3為選擇開關(guān)，B13.B14為角度傳感器，A11為車載PLC,A12為變速箱控制單元，Y5，Y6為隨動(dòng)輪控制電磁閥，H12為報(bào)警器 。

當(dāng)S3撥至“兩輪轉(zhuǎn)向”模式時(shí)，四輪轉(zhuǎn)向穩(wěn)定系統(tǒng)并不投入工作，只有當(dāng)S3撥至“四輪轉(zhuǎn)向”或“蟹行轉(zhuǎn)向”時(shí)，轉(zhuǎn)向穩(wěn)定系統(tǒng)才投入工作。B13.B14裝在前后輪轉(zhuǎn)向支架上，對(duì)前輪，后輪轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行實(shí)施檢測(cè)，并將角度的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入至車載控制器A11中進(jìn)行處理，A11為帶有CAN通信口的車載PLC,通過CAN通信口A11可以接受來自變速箱控制器A12的車速信號(hào)，目前變速箱一般會(huì)將輸出軸轉(zhuǎn)速按J1939通訊格式輸出，A11將此信號(hào)通過簡(jiǎn)單的變換就可以得到實(shí)時(shí)車速信號(hào)，Y5，Y6為隨動(dòng)輪控制電磁閥，不同的PWM輸出可以控制其開口的大小，從而達(dá)到控制隨動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度和角度的控制目的。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，H12輸出報(bào)警，提示操作人員進(jìn)行停車檢查或恢復(fù)“兩輪轉(zhuǎn)向”模式。

3.2 軟件編程

有了以上的硬件基礎(chǔ)，我們就可以在車載PLC A11中編程來實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向控制。

四輪轉(zhuǎn)向并非一個(gè)復(fù)雜的概念，困難的是有效地貫徹這個(gè)概念，從而在汽車的轉(zhuǎn)向控制中獲得良好的結(jié)果。目前常用的四輪轉(zhuǎn)向控制方法有：1.固定前后輪轉(zhuǎn)向比的4WS系統(tǒng)；2.前后輪轉(zhuǎn)向比是前輪轉(zhuǎn)角函數(shù)4WS系統(tǒng)；3.前后輪轉(zhuǎn)向比是車速函數(shù)的4WS系統(tǒng)等。常用的算法有角度PID,逐次逼近算法等。上述控制策略與算法都是針對(duì)不同的車型及車輛工作狀態(tài)做出的不同選擇。針對(duì)飛機(jī)牽引車來說，其主要在機(jī)場(chǎng)機(jī)坪內(nèi)活動(dòng)，當(dāng)其在頂推牽引飛機(jī)時(shí)車速很低，當(dāng)其完成作業(yè)后回車庫(kù)或待機(jī)工位時(shí)才會(huì)用到高一些的車速，又因?yàn)楦鱾€(gè)機(jī)場(chǎng)的要求不同，車輛的最高時(shí)速限制在28--32公里范圍內(nèi)，所以在設(shè)計(jì)程序時(shí)，必須充分保證車輛在低速狀態(tài)下的轉(zhuǎn)彎半徑，以及在高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性，只不過牽引車的高速相對(duì)于一般道路車輛的速度低很多而已。另外在車輛行駛過程中，傳感器的意外損壞必須考慮有相應(yīng)的補(bǔ)救措施，否則極易產(chǎn)生隨動(dòng)輪轉(zhuǎn)向過度，

或轉(zhuǎn)向不足等故障，因此在程序的設(shè)計(jì)中包含對(duì)傳感器狀態(tài)的判定以及轉(zhuǎn)向角度的限制，如果發(fā)生異?，F(xiàn)象，立即通過報(bào)警器報(bào)警，并轉(zhuǎn)換至“兩輪”轉(zhuǎn)向模式。在牽引汽車的程序設(shè)計(jì)中，將前輪的轉(zhuǎn)向角作為后輪的跟蹤目標(biāo)，采用模糊算法進(jìn)行跟蹤，并將實(shí)時(shí)車速作為是否實(shí)施穩(wěn)定算法的判據(jù)，當(dāng)車速達(dá)到程序設(shè)定的限定值時(shí)，車速信號(hào)作為一個(gè)算法因子加入到對(duì)后輪轉(zhuǎn)向角的控制，這樣就既保證了低速車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，也保證高速行車的穩(wěn)定性，下圖是牽引汽車的四輪控制的部分程序框圖，該程序經(jīng)過在國(guó)內(nèi)外各機(jī)場(chǎng)的實(shí)際使用，表現(xiàn)穩(wěn)定。

Four-wheel steering technology in the towing vehicle

Dang Tao
（Weihai Guangtai Airport Equipment Co., Ltd., Shandong Weihai 264200）

Brief four-wheel steering vehicle application technology, through the study of the airport towing vehicle wheel steering system, a new control method, the follower wheel angle to follow the vehicle speed control factor added on the basis of not only solve the high-speed driving stability problems, but also to ensure that the vehicle's low-speed cornering agility.

Four-wheel steering；Two steering；Control Systems；Program；Algorithms；Airport vehicles

U463.4

B

1671-7988(2014)11-78-03

黨濤，就職于威海廣泰空港設(shè)備股份有限公司。