【文章內(nèi)容簡介】 ,各種控制方法分別有其側(cè)重點。目前 ,用在一些成型的 4WS 汽車上的控制方法主要有 : (a) . 定前、 后輪轉(zhuǎn)向比的 4WS 系統(tǒng)。 (b) . 前、后輪轉(zhuǎn)向比是前輪轉(zhuǎn)角函數(shù)的 4WS 系統(tǒng)。 (c) . 前、后輪轉(zhuǎn)向比是車速函數(shù)的 4WS 系統(tǒng)。 (d) . 具有一階滯后的 4WS 系統(tǒng)。 (e) . 具有反相特性的 4WS 系統(tǒng)。 (f) . 具有最優(yōu)控制特性的 4WS 系統(tǒng)。 (g) . 具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)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(yīng)汽車運動的隨機(jī)變化 ,隨著計算機(jī)技術(shù)和一些先進(jìn)控制理論的發(fā)展 ,4WS 系統(tǒng)將朝著自適應(yīng)、智能化的方向發(fā)展。 4 4WS 系統(tǒng)控制技術(shù)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(jié)構(gòu)到控制原理上對四輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行了大量的研究 ,4WS 技術(shù)已取得不少進(jìn)展。但是 ,在運用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行汽車轉(zhuǎn)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(yīng)的理論依據(jù)還很缺乏 ,4WS技術(shù)沒有真正步入普及應(yīng)用階段 ,在商用汽車上沒有得到廣泛應(yīng)用。 在技術(shù)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(shù)的飛速發(fā)展 ,計算機(jī)技術(shù)在汽車中的廣泛應(yīng)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(shù)問題 —— 4WS 系統(tǒng)控制器的設(shè)計 ,究竟以什么作為最佳的控制目標(biāo) ? 采用什么樣的控制方法 ? 在該研究領(lǐng)域仍然沒有較為一致的看法。前已述及 ,早期進(jìn)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(shè)計都是基于跟隨線性動力學(xué)方程的假設(shè) ,采用 PID 控制策略。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(jìn)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(cè)偏角的假設(shè) ,這種假設(shè)只是在橫向加速度較小的范圍內(nèi)有效。當(dāng)在橫向加速度較大的范圍內(nèi)時 ,輪胎的側(cè)偏特性將進(jìn)入非線性區(qū)域 ,輪胎側(cè)偏角對輪胎所受橫向力的響應(yīng)不再呈比例關(guān)系 ,與輪胎所受的縱向力、垂直載荷等都有關(guān)系。蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計說明 書 13 實際上 ,汽車在轉(zhuǎn)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(jìn)行研究 ,就顯得勉為其難。 4WS 汽車操縱動力學(xué)問題是非常復(fù)雜的非線性多體動力學(xué)問題 ,對于 4WS 控制系統(tǒng)的研究應(yīng)綜合考慮汽車的運動情況 ,深入研究影響其狀態(tài)響應(yīng)的各種動力學(xué)參數(shù) ,建立模擬汽車實際運動情況的數(shù)學(xué)模型 ,采取更有效的控制策略。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展 ,一些先進(jìn)的現(xiàn)代控制方法已經(jīng)被應(yīng)用于 4WS 系統(tǒng)的控制研究中 ,如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、滑?？刂啤Ⅳ敯艨刂频?,近年來 ,又出現(xiàn)了模糊控制、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的控制方法等。對 4WS 控制系統(tǒng)的研究逐漸從線性領(lǐng)域向非線性領(lǐng)域過渡 ,一些多自由度的 4WS 汽車動力學(xué)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 : (a) 進(jìn)一步研究、開發(fā)新型的后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu) ,提高轉(zhuǎn)向時的操縱輕便性、靈活性和轉(zhuǎn)向角度的準(zhǔn) 確性。 (b) 針對 4WS 系統(tǒng) ,進(jìn)一步開發(fā)、設(shè)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。 (c) 深入研究轉(zhuǎn)向過程中輪胎的瞬態(tài)特性 ,將其作為主要因素加入到 4WS 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型中。 (d) 將先進(jìn)的控制理論與控制方法應(yīng)用于 4WS 控制器的研究中。 (e) 從主觀評價出發(fā) ,考慮閉環(huán)綜合性能指標(biāo) ,將“人 — 車 — 路”看成一個系統(tǒng)。 (f) 基于新控制理論的全主動 4WS 系統(tǒng)。 (g) 把 4WS 技術(shù)與其它主動安全技術(shù) (如 4WD、 ABS、 ASR、 ASC、 DYC 等 ) 相結(jié)合 ,實現(xiàn)汽車主動底盤技術(shù)的綜合控制 ,這是主動控制 4WS 系統(tǒng)研究的長期目標(biāo)。 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計說明 書 14 3 微型轎車轉(zhuǎn)向系組成 轉(zhuǎn)向系是通過對左右轉(zhuǎn)向輪不同轉(zhuǎn)角之間的合理匹配來保證汽車能沿著設(shè)想的軌跡運動的機(jī)構(gòu)。它由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和傳動機(jī)構(gòu)組成。 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu) 微型轎車轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱。為了布置方便，減小由于裝置位置誤差及部件相對運動所引起的附加載荷，提高汽車正面碰撞的安全性以及便于拆裝，在轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向器的輸入端之間安裝轉(zhuǎn)向萬向節(jié)。采用柔性萬向節(jié)可以減少傳至轉(zhuǎn)向軸上的振動，但柔性萬向節(jié)不宜過軟，否則影響轉(zhuǎn)向系的剛度。有些汽車為操縱輕便，安裝動力轉(zhuǎn)向裝置，但微型轎車軸荷小，成本低，宜采用機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu) 微型轎車采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器時，其轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)非常簡單。主要是橫拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂省去了轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向縱拉桿、轉(zhuǎn)向梯形臂。 其中橫拉桿做成分段式，長度可調(diào)節(jié)，以方便安裝。轉(zhuǎn)向節(jié)臂與汽車轉(zhuǎn)向橋鑄成一體，也屬于轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的以部分。轉(zhuǎn)向橫拉桿通過球頭銷與轉(zhuǎn)向節(jié)臂相連，以達(dá)到工作安全可靠的性能要求。 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)用于把轉(zhuǎn)向器輸出的力和運動傳給左、右轉(zhuǎn)向節(jié)臂并使左、右轉(zhuǎn)向輪按一定關(guān)系進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)向器 機(jī)械轉(zhuǎn)向器是司機(jī)對轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動變?yōu)辇X條沿車軸軸向的移動，再變?yōu)檗D(zhuǎn)向節(jié)臂的擺動，并按一定的角傳動比和力傳動比進(jìn)行傳遞的機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向器是轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部分，轉(zhuǎn)向器的效率高低，直接影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的效率，從而影響轎車的使用性能。 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計說明 書 15 4 微型轎車轉(zhuǎn)向器的特點及要求 微型轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計，直接影響轎車的使用性能。要使轎車設(shè)計滿足一定的使用性能要 ,那么就要對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計有一定要求。 微型汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點 （ 1）不必加裝動力轉(zhuǎn)向裝置，結(jié)構(gòu)簡單； （ 2）制造容易，成本低； （ 3）體積小，布置容易； 微型汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求 （ 1）保證汽車具有高的機(jī)動性 （ 2）內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的匹配應(yīng)保證汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪繞同一瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，各車輪只有滾動而無側(cè)滑。 （ 3）轉(zhuǎn)向盤和各轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角之間應(yīng)保證在運動學(xué)關(guān)系和力學(xué)關(guān)系方面的協(xié)調(diào)。 （ 4）操縱輕便。轉(zhuǎn)向時加在轉(zhuǎn)向盤上的切向力，應(yīng)不大于 150～ 200N。 （ 5）轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向盤應(yīng)能自動回正，并能使汽車保持在穩(wěn)定的直線行駛工況。 （ 6）當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受沖擊時，轉(zhuǎn)向系傳給轉(zhuǎn)向盤上的反沖擊要小。 （ 7）轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)與懸架導(dǎo)向裝置的運動干涉應(yīng)盡可能小。 （ 8）轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)因磨損產(chǎn)生的間隙，應(yīng)能自動調(diào)整而消除之。 （ 9）工作穩(wěn)定，安全可靠。 （ 10）有足夠的強度和壽命。 汽車的機(jī)動性，通常用最小轉(zhuǎn)彎半徑來衡量，但汽車的高機(jī)動性則應(yīng)由兩個條件來保證。即首先應(yīng)使左右轉(zhuǎn)向輪處于最大轉(zhuǎn)角時外輪的轉(zhuǎn)彎半徑在汽車軸距的 2～ 圍內(nèi)（小值適于大軸距汽車，大值適于小軸距汽車）。其次，應(yīng)該這樣選擇轉(zhuǎn)向系的角傳動比，即轉(zhuǎn)向盤處于中間位置向左或者向右轉(zhuǎn)至極限位置的總?cè)?shù)，對轎車不應(yīng)超過。 操縱輕便性的要求是通過合理地選擇轉(zhuǎn)向系的角傳動比、力傳動比和傳動效率來達(dá)到。 對轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪能自動回正的要求和對汽車直線行駛穩(wěn)定性的要求則主要是通過合理地選擇主銷后傾角和內(nèi)傾角。 消除轉(zhuǎn)向系傳動間隙以及選用可逆式轉(zhuǎn)向器來達(dá)到 要使傳遞到轉(zhuǎn)向盤上的反沖擊小，則轉(zhuǎn)向器的逆效率又不宜太高，至于對轉(zhuǎn)向系的最后兩條要求則主要通過合理地選擇機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)布置來解決。 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計說明 書 16 5 轉(zhuǎn)向系的主要性能參數(shù) 汽車轉(zhuǎn)向系的主要性能參數(shù)有轉(zhuǎn)角及最小轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)向系的效率、轉(zhuǎn)向系的角傳動比、力傳動比、轉(zhuǎn)向器傳動副的傳動間隙特性、轉(zhuǎn)向系的剛度以及轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(shù)。 轉(zhuǎn)角及最小轉(zhuǎn)彎半徑 汽車的機(jī)動性，常用最小轉(zhuǎn)彎半徑來衡量，但汽車的高機(jī)動性則應(yīng)由兩個條件來保證。首先，應(yīng)使左右轉(zhuǎn)向輪處于最大轉(zhuǎn)角使前外輪的轉(zhuǎn)彎半徑值在汽車軸距的 2～ 2， 5倍范圍內(nèi)，其中小值適于大軸距汽車，大值適于小軸距汽車。其次，應(yīng)該這樣選擇轉(zhuǎn)向系的角傳動比，即由轉(zhuǎn)向盤處于中間位置向左或向右旋轉(zhuǎn)到極限位置的總?cè)?shù)，對轎車不超過 ，對貨車不超過 。 兩軸汽車在轉(zhuǎn)向時，如不考慮輪胎的側(cè)向偏離，則為了滿足上述對轉(zhuǎn)向系的第（ 2）條要求，其內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪理想的轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖 5－ 1所示，由下式?jīng)Q定： 圖 5－ 1 理想的內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的關(guān)系 cotθ0 ? cotθi = DO?CDBD = KL (51) 式中： θ 0 —— 外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角； θ i —— 內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角； K—— 兩轉(zhuǎn)向主銷中心線與地面交點間的距離； L—— 軸距； 內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的合理匹配是由轉(zhuǎn)向梯形來保證。 汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑 Rmin 與其內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪在最大轉(zhuǎn)角 θimin與 θ0max、軸距 L，主銷距 K及轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)臂 a等尺寸有關(guān)，在轉(zhuǎn)向過程中除內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角外，其他參數(shù)是不變的。最小轉(zhuǎn)彎半徑是指汽車在轉(zhuǎn)向輪處于最大轉(zhuǎn)角的條件下以低速轉(zhuǎn)彎時前外輪與地面接觸點的軌跡構(gòu)成圓周的半徑，可按下式計算： Rmin = lsinθomax+ √( lsinθimax)+k2 +2 kltanθimax+ a (52) 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計說明 書 17 根據(jù)本設(shè)計的微型轎車的總載荷為 800 ＝ 7840N，取 － 16 型號的輪胎，其斷面寬度為 200mm，輪胎直徑 d是 790mm，最大負(fù)荷是 8500N。對轎車而言， a值一般取～ 倍的臺面寬度。所以： 取 a＝ 200＝ 120mm； 已知： 軸距 L＝ 2021mm； 最小轉(zhuǎn)彎半徑 4500mm； 前輪距 B 為 1240mm； 所以可求得： k = b1 ? 2a = 1240 ? 2 120 = 1000mm 由式 5－ 2得： = + = θomax = 0,4566 sinθomax = 由式 5－ 1得， cotθ0 ? cotθi = DO?CDBD = KL 轉(zhuǎn)向的效率 轉(zhuǎn)向系的效率 和轉(zhuǎn)向操縱及傳動機(jī)構(gòu)的效率 決定，即 = (53) 轉(zhuǎn)向器的效率 ?又有正效率 ? 與逆效率 ? 之分。轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出的功率（ ? 與轉(zhuǎn)向軸輸入的功率 P1之比，稱為轉(zhuǎn)向器的正效率： = ? （ 5－ 4) 式中， —— 轉(zhuǎn)向器的摩擦功率。 反之，即轉(zhuǎn)向軸輸出的功率 ? 與轉(zhuǎn)向搖臂軸輸入的功率 之比，稱為轉(zhuǎn)向器的逆效率： ? = ? / 正效率越大，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪時轉(zhuǎn)向器的摩擦損失就越小，轉(zhuǎn)向操縱就越容易。轉(zhuǎn)向器的類型，結(jié)構(gòu)特點、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等是影響轉(zhuǎn)向器正效率的主要因數(shù)。逆效率表示轉(zhuǎn)向器的可逆性。根據(jù)逆效率的大小，轉(zhuǎn)向器可又可分為可逆式。極限可逆式與不可逆式三種。 可逆式轉(zhuǎn)向器的逆效率較高，這種轉(zhuǎn)向器可將路面作用在車輪上的大部分力傳遞到轉(zhuǎn)向盤上，使司機(jī)的路感好。在汽車轉(zhuǎn)向后也能保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤的自動回正，使轉(zhuǎn)向行駛穩(wěn)定。但在壞路面上，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪上作用有側(cè)向力時，轉(zhuǎn)向輪受到的沖擊大 部分會傳給轉(zhuǎn)向盤，容易產(chǎn)生“打手”現(xiàn)象，同時轉(zhuǎn)向輪容易產(chǎn)生擺振。因此，可逆式轉(zhuǎn)向器宜用于在良好路面上行駛的車輛。循環(huán)球式和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器均屬于這一類。 不可逆式轉(zhuǎn)向器不會將轉(zhuǎn)向輪受到的沖擊力傳到轉(zhuǎn)向盤上。由于它即使司機(jī)沒有路感，又不能保證轉(zhuǎn)向輪的自動回正，現(xiàn)代汽車已經(jīng)不采用。 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計說明 書 18 極限可逆式轉(zhuǎn)向器介于兩者之間。其逆效率較低，適用于在壞路面上行駛的汽車。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受到?jīng)_擊力時，其中只有較小的一部分傳給轉(zhuǎn)向盤。 通常，由轉(zhuǎn)向盤至轉(zhuǎn)向輪的效率即轉(zhuǎn)向系正效率 的平均值為 ～ ：當(dāng)向上述相反方向傳遞力時逆 效率 ?的平均值為 ～ 。轉(zhuǎn)向操縱及傳動機(jī)構(gòu)的效率?39。用于評價在這些機(jī)構(gòu)中的摩擦損失，其中轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向主銷等的摩擦損失約為轉(zhuǎn)向系總損失的 40％～ 50％，而拉桿球銷的摩擦損失約為轉(zhuǎn)向系總損失的 10％～ 15％。 轉(zhuǎn)向系的角傳動比 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的增量 ?φ與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角的相應(yīng)增量 ?θ之比，稱為轉(zhuǎn)向系的角傳動比iow。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的增量 ?φ與轉(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)角的相應(yīng)增量 ?β之比，稱為轉(zhuǎn)向器的角傳動比 。轉(zhuǎn)