基于阿克曼轉(zhuǎn)向角在四驅(qū)電動(dòng)汽車中的運(yùn)用分析

申川川

河南省安陽(yáng)市 455000

1 引言

隨著新能源電動(dòng)汽車的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)電子差速器的研究也逐漸增多。采用電子差速器，利用軟件對(duì)各驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行合理分配，可以減少了機(jī)械傳動(dòng)部件，使電動(dòng)汽車具有傳動(dòng)效率高、空間布置靈活、易于實(shí)現(xiàn)底盤(pán)系統(tǒng)空間布局優(yōu)點(diǎn)。阿克曼轉(zhuǎn)向原理要求車輪軸線在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)相交于轉(zhuǎn)向中心，不考慮其他干擾因素，車輪在轉(zhuǎn)向時(shí)以純滾動(dòng)、無(wú)側(cè)偏的方式轉(zhuǎn)動(dòng)，防止車輪磨損過(guò)快。阿克曼轉(zhuǎn)向理論是一種理想的轉(zhuǎn)向狀態(tài)，不過(guò)很多電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)無(wú)法完全滿足阿克曼轉(zhuǎn)向角，都存在一定程度的誤差。這其中的原因主要與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的預(yù)設(shè)參數(shù)有關(guān)。

2 阿克曼轉(zhuǎn)向原理概述

電動(dòng)汽車阿克曼轉(zhuǎn)向原理是指在車輛忽略側(cè)向力、輪胎偏磨等因素的理想狀態(tài)下，電動(dòng)汽車的所有車輪的旋轉(zhuǎn)中心線能最終交于一點(diǎn)。

由阿克曼原理得到的前輪內(nèi)輪轉(zhuǎn)角和外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系可表示為圖1簡(jiǎn)易幾何模型：

四驅(qū)電動(dòng)汽車根據(jù)傳統(tǒng)汽車阿克曼轉(zhuǎn)向理論進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在低速時(shí)能保證汽車順利轉(zhuǎn)彎而不發(fā)生磨胎現(xiàn)象，不僅提高汽車輪胎使用壽命，還增加了駕駛電動(dòng)汽車的安全性。

根據(jù)上述阿克曼理論的可行性，為了便于實(shí)驗(yàn)開(kāi)展分析，在低速情況下，對(duì)前輪進(jìn)行阿克曼轉(zhuǎn)向幾何學(xué)進(jìn)行分析，故在以下差速轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)分析中不考慮路況、輪胎偏模、車輛質(zhì)心等干擾參數(shù)。

圖1中 為前輪的左右轉(zhuǎn)向角，K為轉(zhuǎn)向輪中心距，L為電動(dòng)汽車的軸距。由此根據(jù)幾何計(jì)算得出車輪轉(zhuǎn)向角公式（1）如下：

式1

假設(shè)在理想運(yùn)行狀態(tài)下，得出車輪行駛速度關(guān)系公式（2）：

式2

在公式（2）中V為電動(dòng)汽車的重心速度，R為電動(dòng)汽車重心到轉(zhuǎn)向中心的距離；V1、V2分別表示前輪左右輪的車速；R1、R2分別表示為前輪左右輪中心到交匯點(diǎn)的距離。

假定V0表示汽車的初始速度，根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)幾何關(guān)系圖，可以計(jì)算前輪左右輪的轉(zhuǎn)速V1、V2得出公式3、公式4：

式3

當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，系統(tǒng)判定方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)量計(jì)算出前后輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，最后根據(jù)轉(zhuǎn)向角信息信號(hào)和汽車的初始速度分別計(jì)算出前輪左右輪速度V1、V2，最后驅(qū)動(dòng)電機(jī)以V1和V2為轉(zhuǎn)速目標(biāo)設(shè)定值，對(duì)轉(zhuǎn)向輪進(jìn)行干涉。

圖1 阿克曼簡(jiǎn)易幾何模型

3 四驅(qū)電動(dòng)汽車阿克曼轉(zhuǎn)向優(yōu)化思路分析

由于分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均可獨(dú)立控制，使得分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率更優(yōu)，更加利于整車布置，動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的速度更快。

根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向原理得知汽車的轉(zhuǎn)向角約為30度，可以把前后輪中左右兩個(gè)輪的轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)連接裝置，通過(guò)螺桿式拉桿連接起來(lái)，利用伺服電機(jī)來(lái)控制轉(zhuǎn)向角的變化，當(dāng)車身控制模塊PIM收到轉(zhuǎn)向信號(hào)時(shí)，控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)螺桿式連桿控制左右輪的轉(zhuǎn)向，當(dāng)車身控制模塊PIM接收到大變量轉(zhuǎn)向信號(hào)，同時(shí)控制前后伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)前后輪同時(shí)轉(zhuǎn)向，并時(shí)刻采集轉(zhuǎn)向節(jié)角度位置傳感器的信號(hào)來(lái)控制轉(zhuǎn)向角度的變化和修正。車身模塊控制程序根據(jù)轉(zhuǎn)向節(jié)角度傳感器的信號(hào)反饋，來(lái)控制電機(jī)做差速運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)配合轉(zhuǎn)向過(guò)程。由于后輪介入轉(zhuǎn)向過(guò)程，所以車輛的轉(zhuǎn)彎半徑非常小，并且轉(zhuǎn)向角度精確。行駛中根據(jù)轉(zhuǎn)向角度位置傳感器的信號(hào)來(lái)加強(qiáng)修正，保證車輛的直線行駛狀態(tài)。

4 實(shí)車驗(yàn)證分析

本文采用蔚來(lái)ES8作為試驗(yàn)車型，該車型驅(qū)動(dòng)模式為雙電機(jī)全時(shí)四驅(qū)模式，測(cè)得該車軸距為L(zhǎng)=3010mm，輪距B=1925mm，內(nèi)外側(cè)車輪中心距=1755mm。

對(duì)左右前輪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)算后得出下列對(duì)照曲線圖：

下述圖中曲線與阿克曼理論數(shù)值基本吻合，證明阿克曼轉(zhuǎn)向理論在電動(dòng)汽車上運(yùn)用是切實(shí)可行的。

5 四驅(qū)電動(dòng)汽車后輪轉(zhuǎn)向控制方法優(yōu)化步驟

（1）ECU將角度傳感器和車速傳感器信號(hào)通過(guò)CAN總線傳遞給后輪控制器；

（2）后輪控制器對(duì)車速進(jìn)行計(jì)算，若車速高于25km/h，則執(zhí)行步驟4，若車速低于25km/h，則執(zhí)行步驟3；

（3）后輪轉(zhuǎn)向控制器給后輪轉(zhuǎn)向電機(jī)斷電，由于電機(jī)不工作所以后輪不發(fā)生轉(zhuǎn)向，前輪根據(jù)阿克曼理論起主導(dǎo)轉(zhuǎn)向作用；

圖2 左前輪實(shí)驗(yàn)數(shù)值與阿克曼理論數(shù)值對(duì)照

圖3 右前輪實(shí)驗(yàn)數(shù)值與阿克曼理論數(shù)值對(duì)照

（4）后輪轉(zhuǎn)向控制器計(jì)算出轉(zhuǎn)向偏差值，得到后輪跟隨轉(zhuǎn)向角度；

（5）后輪位置傳感器將轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置數(shù)據(jù)反饋給后輪轉(zhuǎn)向控制器，并由其計(jì)算出實(shí)際后輪轉(zhuǎn)向角度；

（6）后輪轉(zhuǎn)向控制器對(duì)比預(yù)設(shè)計(jì)算出后輪跟隨轉(zhuǎn)向角度與實(shí)際后輪轉(zhuǎn)向角度，得出兩者的偏差值；

（7）后輪轉(zhuǎn)向控制器將偏差值作為后輪轉(zhuǎn)向電機(jī)的供電時(shí)間參考值，隨后后輪轉(zhuǎn)向電機(jī)根據(jù)通電時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，一般規(guī)定電壓信號(hào)左轉(zhuǎn)為正電壓，右轉(zhuǎn)為負(fù)電壓。

（8）后輪轉(zhuǎn)向控制器不斷計(jì)算誤差值，直至誤差值等于0，后輪不再介入電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向操作。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)布勞海特理論，電動(dòng)汽車在運(yùn)用阿克曼前輪轉(zhuǎn)向理論的同時(shí)，控制后輪也適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)向（控制在5度以下），可使電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向在高速時(shí)有良好的性能。同時(shí)在電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到優(yōu)化設(shè)計(jì)變量和約束條件，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角應(yīng)該在一定的范圍之內(nèi)，以防機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中桿件受力過(guò)大。

總之，汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向中心誤差值越小，表明轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向特性越好，與阿克曼轉(zhuǎn)向理論匹配程度越高。轉(zhuǎn)向前束角有正負(fù)值之分，正值表明轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向程度過(guò)大，負(fù)值表明電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向程度不足，轉(zhuǎn)向角前束越小則電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向特性越佳。