四轮转向汽车的转向特性及控制技术-Read.doc

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1、四轮转向汽车的转向特性及控制技术东南大学机械工程系汪东明摘要：本文分析比较了四轮转向汽车的转向特点，概述了电控四轮转向汽车的结构原理，介绍了四轮转向系统的控制策略，指出了四轮转向系统控制技术所面临的困难，并展望其发展趋势。关键词：四轮转向；转向特点；工作原理；控制；发展。１、引言随着现代道路交通系统和现代汽车技术的发展，人们对汽车的转向操纵性能和行驶稳定性的要求日益提高。作为改善汽车操纵性能最有效的一种主动底盘控制技术——四轮转向技术，于二十世纪80年代中期开始在汽车上得到应用，并伴随着现代汽车工业的发展而不断发展。汽车的四轮转向（Four-wheelStee

2、ring——4WS）是指汽车在转向时，后轮可相对于车身主动转向，使汽车的四个车轮都能起转向作用。以改善汽车的转向机动性、操纵稳定性和行驶安全性。２、四轮转向汽车的转向特性２·１4WS汽车与2WS汽车转向过程分析普通两轮转向汽车（2WS汽车）的前轮既可绕自身的轮轴自转又可绕主销相对于车身偏转，而后轮只能自转而不偏转。当驾驶员转动方向盘后，前轮转向，改变了行驶方向，地面对前轮胎产生一个横向力，通过前轮作用于车身，使车身横摆，产生离心力，使后轮产生侧偏，改变前进方向，参与汽车的转向运动。而4WS汽车的后轮与前轮一样，既可自转也能偏转。当驾驶员转动方向盘后，前、后轮几

3、乎同时转向，使汽车改变前进方向，实现转向运动。2WS汽车在转向时，前轮作主动转向，后轮只是作被动转向。显然，2WS汽车在转向过程中，从方向盘转动到后轮参与转向运动之间存在一定的滞后时间。2WS汽车的这种相位滞后特性使汽车转向的随动性变差，并使汽车的转向半径增大。另外，2WS汽车在高速行驶时，相对于一定的方向盘转角增量、车身的横摆角速度和横向加速度的增量增大，使汽车在高速行驶时的操纵性和稳定性变差。而4WS汽车在转向时，前、后轮都作主动转向，在转向过程中，灵敏度高，响应快，有效地克服了上述缺点。２·２4WS汽车的转向方式根据理论分析研究和大量路试表明，四轮转向能

4、够提高汽车转向的的机动灵活性和高速行驶时的操纵稳定性，现代4WS汽车就是根据这一指导思想研制的。一般来说，4WS汽车在转向过程中，根据不同的行驶条件，前、后轮转向角之间应遵循一定的规律。目前，典型4WS汽车前、后轮的偏转规律一般是这样的：（１）逆相位转向如图1（a）所示，在低速行驶或者方向盘转角较大时，前、后轮实现逆相位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相反，且偏转角度随方向盘转角增大而在一定范围内增大（后轮最大转向角一般为5°左右）。这种转向方式可改善汽车低速时的操纵轻便性，减小汽车的转弯半径，提高汽车的机动灵活性。便于汽车掉头转弯、避障行驶、进出车库和

5、停车场。对轿车而言，若后轮逆相位转向5°，则可减少最小转向半径约0.5m。（２）同相位转向如图1（b）所示，在中、高速行驶或方向盘转角较小时，前、后轮实现同相位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相同（后轮最大转角一般为1°左右）。使汽车车身的横摆角速度大大减小，可减小汽车车身发生动态侧偏的倾向，保证汽车在高速超车、进出高速公路、高架引桥及立交桥时，处于不足转向状态。现在，有许多4WS汽车把改善汽车操纵性能的重点放在提高汽车高速行驶的操纵稳定性上，而不过分要求汽车在低速行驶的转向机动灵活性。其工作特点是低速时汽车只采用前轮转向，只在汽车行驶速度达到一定数值后

6、（如50Km/h），后轮才参与转向，进行同相位四轮转向。（b）同相位转向（a）逆相位转向图1四轮转向汽车的前、后轮偏转规律２·３4WS汽车的转向特点与普通的2WS汽车相比，4WS汽车具有如下特点：优越性：（１）转向操作的响应加快，准确性提高。（２）转向操作的轻便性和行驶稳定性提高。（３）低速时，转弯半径小，转向操作的机动灵活性提高。（如图2所示）（４）超车时，变换车道更容易，减小了汽车产生摆尾和侧滑的可能性。（５）抗侧向干扰的稳定性效果好。不足性：（１）低速转向时，汽车尾部容易碰到障碍物。（２）实现理想控制的技术难度大。（３）转向系统结构复杂、成本高。（４）转

7、向过程中，阿克曼定理难保证。转弯半径转弯半径（a）2WS汽车（b）4WS汽车图2低速转向时的转向性能比较１、四轮转向汽车的组成及工作特性３·１现代4WS汽车的基本组成及工作原理4WS汽车是在前轮转向系统的基础上，在汽车的后悬架上安装一套后轮转向系统，两者之间通过一定的方式联系，使得汽车在前轮转向的同时，后轮也参与转向。经过几十年的研究与开发，已经成型的4WS汽车类型有多种，组成、结构不同，控制方式及工作原理也各异。典型的电控4WS系统主要由前轮转向系统、传感器（如转向角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器等）、ECU、后轮转向执行机构和后轮转向传动机构等组成

8、。如图3所示，转向时，传感器将前轮转向