一種機(jī)械式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能分析

程修正，李建華，周 傲，李長征，孫任飛，劉 康，冒 堅(jiān)

一種機(jī)械式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能分析

程修正，李建華，周 傲，李長征，孫任飛，劉 康，冒 堅(jiān)

（吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

現(xiàn)有汽車的四輪轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高昂，不適合在整車輕便且平價(jià)的民眾車型上使用。文章提出一種基于飛錘離心裝置控制的機(jī)械式汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用飛錘感應(yīng)車速，在低速行駛時(shí)實(shí)現(xiàn)前后輪反向偏轉(zhuǎn)以減小汽車轉(zhuǎn)向半徑，中速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)后輪不輔助轉(zhuǎn)向，高速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)前后輪同向偏轉(zhuǎn)進(jìn)而提高行駛穩(wěn)定性，不同車速下后輪輔助轉(zhuǎn)向幅度逐漸變化，無級調(diào)節(jié)，使具有該系統(tǒng)的汽車在日益復(fù)雜的交通狀況下更加靈活和穩(wěn)定。通過對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到了預(yù)期的運(yùn)算結(jié)果。

汽車；四輪轉(zhuǎn)向；機(jī)械結(jié)構(gòu)；飛錘

引言

據(jù)公安部交通管理局發(fā)布的消息，2020年全國汽車保有量為2.81億輛，汽車駕駛?cè)?.18億人。根據(jù)國內(nèi)劉娜[1]等人對駕駛員轉(zhuǎn)向行為的研究，車流量、車距、車速對轉(zhuǎn)向影響依次減弱。針對大城市汽車泛濫，缺少車位，車道擁堵的情況，我們必須提高汽車的靈活性，減少汽車的轉(zhuǎn)彎半徑以面對日益復(fù)雜的行車工況，而最有效的方式便是采用四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。根據(jù)城市道橋與洪防[2]，2017年末我國高速公路里程為13.65×104km，其規(guī)模達(dá)到世界第一，汽車在高速公路行駛的機(jī)會也大大增加，面對高速公路上頻發(fā)的交通事故，汽車高速行駛時(shí)橫擺角速度需要優(yōu)化，以提升高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。

四輪轉(zhuǎn)向是指汽車在轉(zhuǎn)向的過程中，4個(gè)車輪可依據(jù)前輪和行車速度等信號同時(shí)相對車身發(fā)生偏轉(zhuǎn)。第一代是機(jī)械式系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向器分別安裝在前后輪上，兩轉(zhuǎn)向器之間通過機(jī)械裝置相連接。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，缺點(diǎn)是中間傳動裝置占用空間過大，不適合小型車。第二代四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)利用液壓系統(tǒng)來控制轉(zhuǎn)向，這種類型的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的后輪只能偏轉(zhuǎn)的1.5度左右，并且也只有在速度高于35 km/h才起作用。輔助系統(tǒng)對轉(zhuǎn)向性能提升有限。第三代是電控式4WS系統(tǒng)，它主要由ECU、轉(zhuǎn)向角度傳感器、車速傳感器、和執(zhí)行機(jī)構(gòu)成。缺點(diǎn)是所涉及到的電子設(shè)備過多，不穩(wěn)定因素增多，且造價(jià)高昂。

羊玢、陳寧[3]建立了四輪轉(zhuǎn)向車輛（4WS）的動力學(xué)模型，基于單點(diǎn)預(yù)瞄的駕駛員數(shù)學(xué)模型，編寫了四輪轉(zhuǎn)向車輛在S型道路和復(fù)雜賽車跑道行駛的閉環(huán)運(yùn)動仿真程序，對比例控制策略的四輪轉(zhuǎn)向車輛進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行高速動態(tài)仿真，表明在高速行駛下的四輪轉(zhuǎn)向車輛操縱穩(wěn)定性優(yōu)于前輪轉(zhuǎn)向車輛，系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性，更能有效地提高車輛瞬態(tài)操縱穩(wěn)定性和安全性。田然、肖本賢[4]在MATLAB/Simulink仿真研究中發(fā)現(xiàn)基于橫擺力矩和四輪轉(zhuǎn)向結(jié)合的控制策略能有效減小之心偏側(cè)角，擺角速度可以很好地跟蹤理想值，提高了車輛的操作穩(wěn)定性。Hamid Taghavifar；Chuan Hu[5]運(yùn)用四輪主動轉(zhuǎn)向模型研究了底盤控制系統(tǒng)對車性能與穩(wěn)定性的作用。與傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向車輛相比具有優(yōu)越的操縱穩(wěn)定性。國內(nèi)外的研究面向提升與改進(jìn)4WS系統(tǒng)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提升穩(wěn)定性，但偏于理論性，投入遠(yuǎn)大于可能的收益，未必能夠普及。本項(xiàng)目組發(fā)明的新型離心式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將突破這些研究障礙。

1 4WS控制系統(tǒng)搭建

對于四輪轉(zhuǎn)向車輛，同樣根據(jù)上述阿克曼原理，假設(shè)四輪轉(zhuǎn)向的瞬時(shí)中心在車輛質(zhì)心的水平延長線上，即可由車輛的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算出四輪轉(zhuǎn)角，如圖1所示。圖中，為等效前輪轉(zhuǎn)向角，為汽車質(zhì)心至前軸的距離，為汽車質(zhì)心至后軸的距離，1為前輪輪距，2為后輪輪距，可得四輪轉(zhuǎn)角為：

，。

2 設(shè)計(jì)方案

如圖2及圖3所示，該系統(tǒng)方向盤控制連接液壓泵1和液壓泵2的閥1（2）和閥2（3）。飛錘（17）通過主減速器輸出齒輪的轉(zhuǎn)速決定了飛錘擺錘（24）的離心力大小，從而飛錘輸出（26）帶動油路調(diào)節(jié)擋片隨飛錘張開杠桿發(fā)生位移，使得擋片與油路重合度變化，決定油路最大流量，進(jìn)而決定液壓泵1（9、10）液壓泵2（13、14）效果。方向盤（1）的旋向及轉(zhuǎn)幅使液壓缸不同側(cè)高壓油流量不同，對后輪輸出不同的轉(zhuǎn)向助力。

飛錘彈簧提供預(yù)緊力，低速轉(zhuǎn)速最低值時(shí)液壓泵1油路完全與調(diào)節(jié)擋片孔位對齊，高速最大轉(zhuǎn)速值時(shí)液壓缸2與調(diào)節(jié)擋片孔位完全對齊，飛錘油路擋片開孔距離與車速平方成比例，最低轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速向中轉(zhuǎn)速靠攏時(shí)油路與調(diào)節(jié)擋片孔位重合度逐漸減小，液壓缸1或液壓缸2所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩變小，后輪輔助轉(zhuǎn)向作用逐漸變小，以此保證轉(zhuǎn)向的平順性。

方向盤偏轉(zhuǎn)過小時(shí)可能來自汽車行駛時(shí)的方向盤抖動，液壓缸產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩小于阻力矩，后輪不起輔助轉(zhuǎn)向效果，反映到方向盤上體現(xiàn)為有一定的空行程，后輪通過兩側(cè)輪胎與車橋連接彈簧實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，由液壓缸對后輪一側(cè)施壓，使兩后輪出現(xiàn)力矩差，與后輪彈簧彈力矩得到兩后輪偏轉(zhuǎn)力矩，從而實(shí)現(xiàn)控制后輪旋轉(zhuǎn)角度。

車速在0 km/h～30 km/h認(rèn)定為低速擋，由圖3可知液壓缸1有效，液壓缸2無效。在低速左轉(zhuǎn)液壓泵1左側(cè)高壓油流量大于右側(cè)高壓油流量后輪右轉(zhuǎn)，而在低速直行液壓泵1左右兩側(cè)高壓油流量相同后輪不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，保持直行。在低速右轉(zhuǎn)時(shí)液壓泵1右側(cè)高壓油流量大于左側(cè)高壓油流量后輪向左偏轉(zhuǎn)。車速在30 km/h～60 km/h定為中速擋位，此時(shí)液壓泵1液壓泵2油路不通都無轉(zhuǎn)向助力，后輪不起輔助轉(zhuǎn)向作用。車速在60 km/h～90 km/h定為高速擋位，高速左轉(zhuǎn)液壓泵2左側(cè)高壓油流量大于右側(cè)高壓油流量，后輪左轉(zhuǎn)，高速直行液壓泵2左右流量相同后輪不轉(zhuǎn)，高速右轉(zhuǎn)液壓2右側(cè)供油后輪右轉(zhuǎn)。

23—飛錘預(yù)緊彈簧；24—飛錘擺錘；25—支點(diǎn)；26—飛錘輸出；27—輸入轉(zhuǎn)向軸。

1—轉(zhuǎn)向盤；2—閥1；3—閥2；4—高壓油箱；5—液壓泵1油道；6—液壓泵2油道；7—液壓泵1右輸油道；8—液壓泵1左輸油道；9—液壓泵1右半部分；10—液壓泵1左半部分；11—液壓泵2右輸油道；12—液壓泵2左輸油道；13—液壓泵2右部分；14—液壓泵2左部分；15—后輪右側(cè)彈簧；16—后輪左側(cè)彈簧；17—飛錘；18—液壓泵1擋片部分；19—液壓泵2擋片部分；20—后輪右胎；21—后輪左胎；22—飛錘輸入齒輪。

3 模擬實(shí)現(xiàn)

圖4 轉(zhuǎn)向半徑優(yōu)化前后對比圖

圖5 橫擺角速度優(yōu)化前后對比圖

實(shí)驗(yàn)條件：軸距2.875 m，方向盤有效轉(zhuǎn)角幅度定為36°到360°，前輪轉(zhuǎn)角幅度定為36°后輪轉(zhuǎn)角方向盤幅度為4.5°，前輪后輪轉(zhuǎn)角比例8：1，轉(zhuǎn)彎半徑和橫擺角速度模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖中，在車速低于30 km/h時(shí)，經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化汽車轉(zhuǎn)彎半徑曲面為下曲面，橫擺角速度為上曲面，未優(yōu)化汽車轉(zhuǎn)向半徑為上曲面，橫擺角速度為下曲面。在車速高于60 km/h時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑為上曲面，經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化汽車橫擺角速度為下曲面，轉(zhuǎn)向半徑為上曲面，未經(jīng)系統(tǒng)優(yōu)化汽車橫擺角速度為上曲面，轉(zhuǎn)向半徑為下曲面。30 km/h～60 km/h時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑與橫擺角速度系統(tǒng)優(yōu)化前后兩曲面重合。在低速區(qū)間以轉(zhuǎn)彎半徑小，車輛靈活為優(yōu)，在高速區(qū)間以橫擺角速度低，駕駛穩(wěn)定為優(yōu)，圖示結(jié)果符合預(yù)期。

4 結(jié)論

雖然我國汽車保有量巨大，但目前民用低價(jià)格4WS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在市場空缺，相對于傳統(tǒng)電控機(jī)構(gòu)，本研究有更高的穩(wěn)定性、可靠性。電子系統(tǒng)存在老化的問題，機(jī)械系統(tǒng)的損傷可預(yù)測性更強(qiáng)。本研究創(chuàng)新性地從飛錘控制系統(tǒng)著手，在車速低于30 km/h時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑更小，低速過彎或入庫時(shí)更靈活。在車速高于60 km/h時(shí)增大了轉(zhuǎn)彎半徑，減小了橫擺角速度，可以提升高速轉(zhuǎn)向過彎時(shí)的駕駛穩(wěn)定性。該系統(tǒng)在低速與高速之間過渡為漸進(jìn)式，可以有防止后輪輔助轉(zhuǎn)向突然介入導(dǎo)致駕駛員誤判帶來誤操作以至發(fā)生危險(xiǎn)。研究成果可以應(yīng)用于廣大中低端車型，提升人民群眾對于汽車駕駛體驗(yàn)，增強(qiáng)了汽車安全性。

[1] 劉娜,周華,曹毅,等.汽車與兩輪車事故中駕駛員轉(zhuǎn)向行為影響因素研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2017,17(33):344-348.

[2] 佚名.我國高速公路里程突破14萬km[J].城市道橋與防洪, 2019(04):130.

[3] 田燃,肖本賢.四輪轉(zhuǎn)向車輛的直接橫擺力矩控制研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2020(05):175-179+184.

[4] 羊玢,陳寧,田杰,等.基于駕駛員模型的4WS車輛操縱穩(wěn)定性研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2014,33(04):578-582.

[5] Hamid Taghavifar,Chuan Hu,Leyla Taghavifar,Yechen Qin, Jing Na,Chongfeng Wei.Optimal robust control of vehicle lateral stability using damped least-square backpropagation training of neural networks[J]. Neurocomputing,2020,384.

Overview of a Mechanical Four Wheel Steering System

CHENG Xiuzheng, LI Jianhua, ZHOU Ao, LI Changzheng, SUN Renfei, LIU Kang, MAO Jian

( School of Automotive Engineering, Jilin University, Jilin Changchun 130022 )

The existing four wheel steering device is complex in structure and high in cost, so it is not suitable for use on a light and affordable public vehicle. This paper presents a mechanical four wheel steering system based on flyweight centrifugal device. The system uses flyweight to sense the speed of the vehicle, and realizes the reverse deflection of the front and rear wheels at low speed to reduce the steering radius of the vehicle. At medium speed, the rear wheels do not assist in steering, while at high speed, the front and rear wheels deflect in the same direction, so as to improve the driving stability. At different speeds, the rear wheel assists steering range changes gradually and is continuously variable, which makes the vehicle with this system more flexible and stable when used in increasingly complex traffic conditions. Through the simulation verification of the system, the expected calculation results are obtained.

Automobile; Four wheel steering; Mechanical steering; Flying hammer

U463.4

A

1671-7988(2022)02-61-04

U463.4

A

1671-7988(2022)02-61-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.015

程修正（2000—），男，就讀于吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院車輛工程專業(yè)，研究方向：車輛工程。