【文章內(nèi)容簡介】 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(píng)價(jià)出發(fā),考慮閉環(huán)綜合性能指標(biāo),將“人—車—路”看成一個(gè)系統(tǒng)。(f) 基于新控制理論的全主動(dòng)4WS 系統(tǒng)。(g) 把4WS 技術(shù)與其它主動(dòng)安全技術(shù)(如4WD、ABS、ASR、ASC、DYC 等) 相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)汽車主動(dòng)底盤技術(shù)的綜合控制,這是主動(dòng)控制4WS 系統(tǒng)研究的長期目標(biāo)。3 微型轎車轉(zhuǎn)向系組成轉(zhuǎn)向系是通過對(duì)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(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。它由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和傳動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)微型轎車采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器時(shí)，其轉(zhuǎn)向傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)用于把轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)辇X條沿車軸軸向的移動(dòng)，再變?yōu)檗D(zhuǎn)向節(jié)臂的擺動(dòng)，并按一定的角傳動(dòng)比和力傳動(dòng)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。4 微型轎車轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)及要求微型轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，直接影響轎車的使用性能。要使轎車設(shè)計(jì)滿足一定的使用性能要,那么就要對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定要求。 微型汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）不必加裝動(dòng)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(dòng)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(shí)，全部車輪繞同一瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，各車輪只有滾動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)，轉(zhuǎn)向系傳給轉(zhuǎn)向盤上的反沖擊要小。（7）轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與懸架導(dǎo)向裝置的運(yùn)動(dòng)干涉應(yīng)盡可能小。（8）轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)因磨損產(chǎn)生的間隙，應(yīng)能自動(dòng)調(diào)整而消除之。（9）工作穩(wěn)定，安全可靠。（10）有足夠的強(qiáng)度和壽命。汽車的機(jī)動(dòng)性，通常用最小轉(zhuǎn)彎半徑來衡量，但汽車的高機(jī)動(dòng)性則應(yīng)由兩個(gè)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(shí)外輪的轉(zhuǎn)彎半徑在汽車軸距的2～（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(dòng)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)。操縱輕便性的要求是通過合理地選擇轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比、力傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率來達(dá)到。對(duì)轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪能自動(dòng)回正的要求和對(duì)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(dòng)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(duì)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。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(dòng)比、力傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙特性、轉(zhuǎn)向系的剛度以及轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。 轉(zhuǎn)角及最小轉(zhuǎn)彎半徑汽車的機(jī)動(dòng)性，常用最小轉(zhuǎn)彎半徑來衡量，但汽車的高機(jī)動(dòng)性則應(yīng)由兩個(gè)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(dòng)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)。兩軸汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)，如不考慮輪胎的側(cè)向偏離，則為了滿足上述對(duì)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 cotθ0cotθi=DOCDBD=KL (51)式中：θ——外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角； θ——內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角； K——兩轉(zhuǎn)向主銷中心線與地面交點(diǎn)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R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(shí)前外輪與地面接觸點(diǎn)的軌跡構(gòu)成圓周的半徑，可按下式計(jì)算： Rmin=lsinθomax+lsinθimax+k2+2kltanθimax+a (52)根據(jù)本設(shè)計(jì)的微型轎車的總載荷為800＝7840N，－16型號(hào)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(duì)轎車而言，～。所以：取a＝200＝120mm；已知：軸距L＝2000mm；最小轉(zhuǎn)彎半徑4500mm；前輪距B為1240mm；所以可求得：k=b12a=12402120=1000mm由式5－2得： Rmin=lsinθmax+a=4500θomax=0,4566sinθomax=由式5－1得， cotθ0cotθi=DOCDBD=KL 轉(zhuǎn)向的效率轉(zhuǎn)向系的效率η和轉(zhuǎn)向操縱及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率η決定，即 η°=ηη*(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（p1p2)與轉(zhuǎn)向軸輸入的功率P1之比，稱為轉(zhuǎn)向器的正效率： η+=(p1p2)/p1 （5－4)式中，p1——轉(zhuǎn)向器的摩擦功率。反之，即轉(zhuǎn)向軸輸出的功率(p1p2)與轉(zhuǎn)向搖臂軸輸入的功率p3之比，稱為轉(zhuǎn)向器的逆效率：η=(p3p1)/ p3正效率越大，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪時(shí)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(diǎn)、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?？赡媸睫D(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(dòng)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(shí)，轉(zhuǎn)向輪受到的沖擊大部分會(huì)傳給轉(zhuǎn)向盤，容易產(chǎn)生“打手”現(xiàn)象，同時(shí)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(huì)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(dòng)回正，現(xiàn)代汽車已經(jīng)不采用。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(shí)，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η0+～：～。轉(zhuǎn)向操縱及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率?39。用于評(píng)價(jià)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(dòng)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(dòng)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(dòng)比iw。轉(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)角的增量?β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)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比iow。他們之間的關(guān)系為： iow=iwxiow=?φ/?θ (56) iw=?φ/?β (57) i*=?β/?θ (58)式中 iow——轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比； isω——轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比；iw——轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比； ?φ——轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的增量； ?β——轉(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)角的增量； ?θ——同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角的相應(yīng)增量。圖5－2 轉(zhuǎn)向系簡圖iow=LL1 (59)L3轉(zhuǎn)向節(jié)臂長 L1轉(zhuǎn)向搖臂長本設(shè)計(jì)采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，其橫向布置于轎車轉(zhuǎn)向節(jié)總成的前面。取轉(zhuǎn)向節(jié)臂l4＝200mm，并使其平行于汽車前進(jìn)方向，且設(shè)其被轉(zhuǎn)向器軸線分為前后長度為120mm和80mm，以方便計(jì)算橫拉桿長度尺寸。此布置方案省略了轉(zhuǎn)向搖臂，使結(jié)構(gòu)變得簡單緊湊。轉(zhuǎn)向盤輸入的轉(zhuǎn)角變化量直接轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)向節(jié)臂的轉(zhuǎn)角增量，兩者的比為轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比?！唇茷?。故研究轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比時(shí)，為簡化起見往往只研究轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比及其變化規(guī)律即可。5. 4 轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器如圖5－2所示布置時(shí)，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力傳動(dòng)比等于轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向力矩與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力矩之比。例如在干而粗糙的轉(zhuǎn)向輪支撐面上做原地轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)向力矩Tr由轉(zhuǎn)向車輪相對(duì)于主銷軸線的滾動(dòng)阻力矩T輪胎與地面接觸部分的滑動(dòng)摩擦力矩T2以及轉(zhuǎn)向車輪的穩(wěn)定力矩或者自動(dòng)回正力矩所形成的阻力矩T3組成，即： Tr=T1+T2+T3 (510)T1=G1FaT2=G1?T3=aG1βsinα1+sinα2+γ(cosα1+cosα2) G1轉(zhuǎn)向軸的載荷；微型轎車的軸荷分配一般為前后各50％，所以：G1==3920Na ——滾動(dòng)阻力的力臂，或主銷偏移距。即轉(zhuǎn)向節(jié)主銷軸線的延長線與支撐平面的交點(diǎn)至車輪中心平面的交線的距離。通常貨車的a值為40～60mm；～；a＝120mm。 f ——車輪的滾動(dòng)阻力系數(shù)，計(jì)算式取f＝ β——主銷內(nèi)傾角；β一般不大8°于8，取β＝8°。 γ——主銷后傾角；γ一般不大于2～3°，取γ＝2° α1,α2內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪的平均轉(zhuǎn)角 φ——附著系數(shù)；計(jì)算時(shí)取φ＝～；取φ＝。 x——滑動(dòng)摩擦力矩T的力臂：X=R2RJ22=r、RJ——車輪的自由半徑，計(jì)算時(shí)近似取RJ=。所以，由上面式5－10得： T1=G1Fa ＝3920120＝7056Nmm T2=G1?＝3920＝ Nmm 3920(++23602π(cos34,6+))＝ Nmm Tr＝T1＋T2＋T3＝7056＋＋＝ Nmm在實(shí)際計(jì)算中常需考慮到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，設(shè)定一個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向正效率值。于是轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比ip為： ip=T1/T?TηO+ (5－12）式中 T－加在轉(zhuǎn)向盤上的力矩。則轉(zhuǎn)向時(shí)在轉(zhuǎn)向盤上的切向力可由下式求得 Kh=T/RH （5－13）式中 ip——轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比； RH——轉(zhuǎn)向盤的半徑，根據(jù)微型轎車轉(zhuǎn)向系的要求和在180～275mm范圍內(nèi)按國家標(biāo)準(zhǔn)系列選取的原則，確定轉(zhuǎn)向盤的半徑為RH＝200mm； ηO+——轉(zhuǎn)向系的正效率。由以上兩式可見：當(dāng)轉(zhuǎn)向阻力矩Tr一定時(shí)，增大力傳動(dòng)比ip，就能減小作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力Kh，使操縱輕便。這里還應(yīng)指出：當(dāng)汽車在行駛過程中轉(zhuǎn)向時(shí)，上述轉(zhuǎn)向輪與地面的滑動(dòng)摩擦阻力矩T2比汽車在原地轉(zhuǎn)向時(shí)的要小很多倍，且與車速有關(guān)。 轉(zhuǎn)向系叫傳動(dòng)比的變化轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比iω是一個(gè)重要參數(shù)，它影響著汽車的許多轉(zhuǎn)向性能。由于增大角傳動(dòng)比可以增加力傳動(dòng)比，因此轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比不僅對(duì)轉(zhuǎn)向靈敏性和穩(wěn)定性有直接影響，而且也影響著汽車的操縱輕便性。由式5－6并考慮到i39。約等于1，可以看出：轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比iω成反比。iω增大會(huì)使在同一轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角下的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角變小，使轉(zhuǎn)向操縱時(shí)間變長，汽車轉(zhuǎn)向靈敏性降低。因此轉(zhuǎn)向“輕便性”與“靈敏性”是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中遇到的一對(duì)矛盾。采用可變角傳動(dòng)比的轉(zhuǎn)向器可協(xié)調(diào)對(duì)“輕便性”和“靈敏性”的要求。而轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的變化規(guī)律又因轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)的不同而異。應(yīng)該根據(jù)車型和使用條件的不同來合理選擇iw和其變化規(guī)律。對(duì)于高車速車輛來說，轉(zhuǎn)向盤處于中間位置時(shí)的轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比iw不宜過小，否則會(huì)在高速直線行駛時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角過分靈敏。轉(zhuǎn)向盤處于中間位置即汽車直線行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向