【文章內(nèi)容簡介】 性，特別是汽車在隨機(jī)干擾下的穩(wěn)定性問題，這些隨機(jī)干擾來源 于輪胎壓力變化、輪胎老化程度，車輛載荷，路面，環(huán)境的變化 （ 如側(cè)風(fēng) ） ； 4WS 作為新技術(shù)，目前在各國的應(yīng)用都不是很廣泛，日本雖然在 4WS 的研究上做了很多的工作，也取得了很大的成果，并成功地將其運(yùn)用在汽車上，但是就日本每年生產(chǎn)的千萬輛汽車而言，安裝 4WS 的只是很小一部分，仍然不能大規(guī)模地使用，可見作為領(lǐng)域新技術(shù)， 4WS 在很多方面尚不是很成熟，還不能大批量地應(yīng)用，因此成本較高，這也是 4WS 不能大規(guī)模運(yùn)用的主要原因。盡管如此， 4WS 技術(shù)在改善汽車操縱穩(wěn)定性和增強(qiáng)汽車的安全性能上有著很明顯的效果和不可忽視的作第一章（緒論） 5 用。正因 為以上提到的這些技術(shù)困難，使得 4WS 的運(yùn)用領(lǐng)域受到了很大的限制，本文也正是針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，試圖進(jìn)行進(jìn)一步的 4WS 研究，也可以為以后的更深層次研究打下基礎(chǔ)。 論文的工作和內(nèi)容安排 第一章首先簡要介紹了 4WS 的發(fā)展 現(xiàn)狀 ，以及 其在 國內(nèi)外 的 研究進(jìn)展，并介紹了本論文的研究意義和重點(diǎn)。 第二章主要 介紹了 汽車 4WS 的組成及原理 ，并 對(duì)其在高、低速時(shí)的轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行分析。 第三章 主要 分析了 4WS 在 實(shí)際環(huán)境下 所受非線性因素 的影響。 第四章對(duì) 4WS 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏性。 結(jié)論部分總結(jié)了所進(jìn)行的研究成果， 并提出對(duì) 4WS 的發(fā)展展望 。 華南理工大學(xué)廣州汽車學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 6 第二章 汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理及特性 四輪轉(zhuǎn)向 （ Fourwheel Steering— 4ws） 是指汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)，后輪可相對(duì)車身主動(dòng)轉(zhuǎn)向，使汽車的 4 個(gè)車輪都能起轉(zhuǎn)向作用，以改善轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性。四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的 4 個(gè)車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立轉(zhuǎn)向，因此 4 個(gè)車輪可采用相同的結(jié)構(gòu)形式， 4 個(gè)車輪由 4 個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。按照控制和驅(qū)動(dòng)的方式不同，4WS 系統(tǒng)可主要分為機(jī)械式、液壓式、電控機(jī)械式、電控液壓式和電控電動(dòng)式等幾種類型，限于篇幅且考慮到本設(shè)計(jì)的應(yīng)用環(huán)境等要求，本文主要介紹 最常見的電控電動(dòng)式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 通過以上的示意圖 21 分析，可以看到四輪轉(zhuǎn)向具有以下優(yōu)點(diǎn) ： （ 1） 轉(zhuǎn)向能力強(qiáng)。汽車在高速行駛時(shí)以及在濕滑路面上的轉(zhuǎn)向特性更加穩(wěn)定和可控。 （ 2） 轉(zhuǎn)向響應(yīng)迅速。在整個(gè)行駛速度變化范圍內(nèi)，汽車對(duì)轉(zhuǎn)向輸入的響應(yīng)更迅速更準(zhǔn)確。 （ 3） 行駛穩(wěn)定性提高。在高速工況下汽車的直線行駛穩(wěn)定性提高，路面不平度和側(cè)風(fēng)對(duì)汽車行駛穩(wěn)定性的不利影響減小，汽車高速行駛換車道的穩(wěn)定性提高，彎道高速行駛變得更容易，轉(zhuǎn)急彎和轉(zhuǎn)大彎時(shí)汽車不易繞自身重心回轉(zhuǎn)。 （ 4） 低速機(jī)動(dòng)性好。低速時(shí)，后輪 朝前輪偏轉(zhuǎn)方向的反向偏轉(zhuǎn)，汽車的轉(zhuǎn)彎半徑將大大減小。基于以上特點(diǎn)以及研究現(xiàn)狀的考慮，四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)將成為本論文分析研究的重點(diǎn)。 一般在車輛動(dòng)態(tài)分析中，將車輛視為剛體，定義車輛質(zhì)心處速度方向與車輛行駛方向的夾角為質(zhì)心側(cè)偏角。如果速度的橫 向分量方向指向回轉(zhuǎn)曲率中心的一側(cè)，車輛質(zhì)心側(cè)偏角為正值，反之 車輛質(zhì)心側(cè)偏角為負(fù)值。 (a) 斜行 （ a）斜行 （ b）原地轉(zhuǎn)向 （ c）橫移 （ d）異向轉(zhuǎn)向 圖 21 四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 第二章（汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理及提醒） 7 傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向方式為前輪轉(zhuǎn)向 （ 簡稱 2WS） ，其機(jī)械傳動(dòng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)將方向盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為車輛前輪轉(zhuǎn)向角，操縱汽車的行駛方向。通常，為了使車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)車輪與地面之間為純滾動(dòng) 而無滑動(dòng)現(xiàn)象，則必須符合阿克曼原理，也就是兩前輪的旋轉(zhuǎn)軸延長線交點(diǎn)落在后輪之旋轉(zhuǎn)軸延長線上，但由于一般車輛只有前輪作轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)而后輪并不轉(zhuǎn)向，所以造成車輛的質(zhì)心側(cè)偏角過大，使駕駛員的視角受到影響，如圖 22 所示。 當(dāng)車速增加時(shí)，一般汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)受到輪胎的側(cè)偏角的影響而使車輛質(zhì)心側(cè)偏角過大，造成車輛無法平順地轉(zhuǎn)彎，導(dǎo)致在高速行駛轉(zhuǎn)彎時(shí)車頭會(huì)朝向回轉(zhuǎn)曲率中心內(nèi)側(cè)，也就是車輛質(zhì)心側(cè)偏角為負(fù)值，造成駕駛者的目視方向與車輛的行駛方向產(chǎn)生誤差而提高行車的危險(xiǎn)性，如圖 23 所示 [2]。 因此， 2WS 汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是難以保證車輛良好的轉(zhuǎn)向性能，即低速的機(jī)動(dòng)靈活性和高速的操縱穩(wěn)定性。 4WS 汽車是在前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在汽車的后懸架上安裝一套后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，兩者之間通過一定的方式聯(lián)系，使得汽車在前輪轉(zhuǎn)向的同時(shí)，后輪也參與轉(zhuǎn)向，從而達(dá)到提高汽車低速行駛的機(jī)動(dòng)性和高速行駛的穩(wěn)定性。從結(jié)構(gòu)上， 4WS 可分為機(jī)械式、液壓式、電動(dòng)式和復(fù)合式四類。典型的電控 4WS 系統(tǒng)主要由前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳感器、 ECU、后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。如圖 24 所示，轉(zhuǎn)向 時(shí)，傳感器將前輪轉(zhuǎn)向的信號(hào)和汽車運(yùn)動(dòng)的 信號(hào)送入 ECU， ECU 進(jìn)行分析計(jì)算，向后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，通過后輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)后輪偏轉(zhuǎn)。同時(shí)， ECU 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控汽車運(yùn)行狀況，計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)向角與后輪實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向角之間的差值，來實(shí)時(shí)調(diào)整后輪的轉(zhuǎn)角。這樣，可以根據(jù)汽車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)汽車的四輪轉(zhuǎn)向。 圖 22 2WS 汽車在低速下轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng) 圖 23 2WS 汽車在高速下轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng) 華南理工大學(xué)廣州汽車學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 8 圖 25 4WS 汽車在低速下轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng) 圖 26 4WS 汽車在高速下轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng) 4WS 汽車在低速轉(zhuǎn)彎時(shí)，前后車輪反方向轉(zhuǎn)向，如圖 25 所示，可以減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑；在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，前后輪主要作同方向轉(zhuǎn)向，如圖 26 所示，能夠減少車輛質(zhì)心側(cè)偏角，減少車輛橫擺率與橫向加速度之間的相差，增加 輪胎橫向力的裕度，使其遠(yuǎn)離飽和狀態(tài)。 現(xiàn)在，有許多 4WS 汽車把改善汽車操縱性能的重點(diǎn)放在提高汽車高速行駛的操縱穩(wěn)定性上，而不過分要求汽車在低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)靈活性。其工作特點(diǎn)是低速時(shí)汽車只采用前輪轉(zhuǎn)向，只在汽車行駛速度達(dá)到一定數(shù)值后，后輪才參與轉(zhuǎn)向，進(jìn)行同方向四輪轉(zhuǎn)向。 與普通的前輪轉(zhuǎn)向汽車相比， 4WS 汽車具有如下優(yōu)點(diǎn)：①轉(zhuǎn)向操作的響應(yīng)加快，準(zhǔn)確性提高；②轉(zhuǎn)向操作的機(jī)動(dòng)靈活性和行駛穩(wěn)定性提高；③抗側(cè)向干擾的穩(wěn)定性效果好；④超車時(shí)，變換車道更容易，減小了汽車產(chǎn)生擺尾和側(cè)滑的可能性。但 同時(shí)也存在以下幾點(diǎn)不足：①低速轉(zhuǎn)向時(shí)，汽車尾部容易碰到障礙物；②實(shí)現(xiàn)理想控制的技術(shù)難度大；③轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高；④轉(zhuǎn)向過程中，阿克曼定理難保轉(zhuǎn)向模式開關(guān) 轉(zhuǎn)向模式指示燈 橫擺角速度傳感器 車速傳感器 后輪轉(zhuǎn)角傳感器 前輪轉(zhuǎn)角傳感器 后輪轉(zhuǎn)角 ECU 后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu) 后輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 后輪 圖 24 4WS 控制系統(tǒng)工作原理 第二章（汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理及提醒） 9 證。 上圖 27[3]中， 2 為半軸齒輪 ； 3 為減速器殼 ； 4 為行星齒輪 ； 5 為行星齒輪軸 ； 6 為主減速器從動(dòng)齒輪。差速器殼 3 與行星齒輪軸 5 連成一體，形成行星架，和主減速器從動(dòng)齒輪 6 固連，假設(shè)其角速度為 ω0，半軸齒輪 1 和 2 為從動(dòng)件，其角速度為 ω1和 ω2。 A， B 兩點(diǎn)分別為行星齒輪 4 與兩半軸齒輪的嚙合點(diǎn)。行星齒輪的中心點(diǎn)為 C， A、 B、 C 三點(diǎn)到差速器旋轉(zhuǎn)軸線的距離均為 r。 上述差速器中，當(dāng)差速器不起差速作用時(shí)， ω0 = ω1 = ω2，當(dāng)差速器開始工作時(shí)，ω1 + ω2 = 2ω0。假定主減速器傳來的轉(zhuǎn)矩為 M0，差速器不起差速作用時(shí)， M1=M2=1/2 M0，差速器開始工作時(shí) ， M1=1/2(M0MT)， M2=1/2(M0+MT)，左 右車輪上的轉(zhuǎn)矩之差等于差速器的內(nèi)摩擦力矩 MT，由于差速器內(nèi)摩擦力矩很 小 ，故即使是在差速器開始工作時(shí)， M2/M1大致也僅為 ~，實(shí)際上可以認(rèn)為，無論左、右兩輪的轉(zhuǎn)速是否相等，轉(zhuǎn)矩總是在兩個(gè)半軸 之間平均分配的。這樣的分配比例對(duì)于汽車在好路面上直線或轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，都是滿意的。但是當(dāng)汽車在壞路面上行駛時(shí)，卻嚴(yán)重影響了通過能力。當(dāng)汽車的一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪接觸到泥濘或冰雪路面時(shí)，即使另一車輪是在好路面上，汽車也往往不能前進(jìn)。這是因?yàn)椋谀酀袈访嫔系能囕喤c路面之間的附著力很小，路面只能對(duì)半軸作用很小的反作用轉(zhuǎn)矩，雖然另一個(gè)車輪與好路面的附著力較大，但因差速器平均分配轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，使這一個(gè)車輪分配到的轉(zhuǎn)矩只能與傳到滑轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)輪上的很小的轉(zhuǎn)矩相等，以致總的牽引力不足以克服行駛力。 電控電動(dòng)式 4WS 系統(tǒng) [4]主要由車速傳感器、電控單元 ECU、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、后圖 27 普通汽車差速器原理 華南理工大學(xué)廣州汽車學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 10 輪助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成。 系統(tǒng)設(shè)有兩種轉(zhuǎn)向模式，既可進(jìn)入 4WS 狀態(tài)，也可保持傳統(tǒng)的 2WS 狀態(tài)，當(dāng)電子控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，后輪自動(dòng)回到中間位置，汽車自動(dòng)進(jìn)入前輪轉(zhuǎn)向狀態(tài)，保證汽車像普通前輪轉(zhuǎn)向汽車一樣安全地行駛。 由于本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制的復(fù)雜性，使得在特定的條件下系統(tǒng)出現(xiàn)故障的幾率增 加，當(dāng)某一轉(zhuǎn)向電機(jī)失靈時(shí)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向模式的不同，調(diào)用相應(yīng)的故障排除程序。下面以前輪為例，介紹電機(jī)失靈的故障排除方法。 汽車在正常行駛 過程中，兩個(gè)前輪為同向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)左右電磁離合 器分離時(shí)，處于單電機(jī) 單車輪的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)方式。當(dāng)左側(cè)電機(jī)失靈時(shí)，控制系統(tǒng)檢測左車輪轉(zhuǎn)角傳感器，獲得當(dāng)前左側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)右側(cè)車輪至相同轉(zhuǎn)角，左右電磁離合器吸合，由右側(cè)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，將該故障在汽車運(yùn)動(dòng)過程中排除，不影響汽車的正常行駛。當(dāng)汽車處于特殊轉(zhuǎn)向方式時(shí)，雙電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)左右兩前輪相對(duì)異向轉(zhuǎn)動(dòng)，該種轉(zhuǎn)向模式一般在車速為零時(shí)進(jìn)行，當(dāng)左側(cè)電機(jī)失靈時(shí)，控制系統(tǒng)檢測左側(cè)車輪轉(zhuǎn)角傳感器，獲得當(dāng)前左側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)右側(cè)車輪至相同轉(zhuǎn)角，左右電磁離合器吸合，右側(cè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)車輪進(jìn)行復(fù) 位，不僅左右車輪可以切換轉(zhuǎn)向電機(jī)，前后 不 同軸車輪也可通過中央離合器的吸合進(jìn)行切換，即使有 3 個(gè)電機(jī)失靈，也可由一個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)通過 5 個(gè)離合器的開關(guān)組合依次地、分別調(diào)整其它 3 個(gè)車輪中的任一個(gè)車輪角度進(jìn)行復(fù)位。該種故障對(duì)策需由一個(gè)電機(jī)同時(shí)帶動(dòng)兩個(gè)車輪轉(zhuǎn)向，因此在進(jìn)行電機(jī)的選擇時(shí)必須保證一個(gè)電機(jī)可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)車輪 。 目前，成型的 4WS 主要運(yùn)用在汽車中，且大多采用電控液壓式 4WS，雖然電控電動(dòng)式 4WS 發(fā)展較晚，相應(yīng)的技術(shù)還不夠成熱，且存在著動(dòng)力小、 ECU 復(fù)雜，成本高等不足之處，但隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、電機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用 ，電控電動(dòng)式 4WS 技術(shù)的不斷完善，使其在轉(zhuǎn)向控制性能、系統(tǒng)布置、節(jié)能等方面越來越顯示其優(yōu)越性，電控電動(dòng)式 4WS 系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣闊，必將取代電控液壓式 4WS，成為 4WS 發(fā)展的主流，本文也將在此方面做一些有益的嘗試。 4WS 轉(zhuǎn)向過程的研究屬于操縱穩(wěn)定性方面的內(nèi)容，操縱穩(wěn)定性的內(nèi)容主要包括 ： 方向盤角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、方向盤角階躍輸入下進(jìn)入的瞬態(tài)響應(yīng)、橫擺角速度頻率響應(yīng)特性、轉(zhuǎn)向輕便性等方面。 實(shí)際中的任何汽車在轉(zhuǎn)向的過程當(dāng)中會(huì)受到輪胎側(cè)偏角、側(cè)傾剛度和轉(zhuǎn)向系剛度的影響， 出現(xiàn)過多、中性、不足三種轉(zhuǎn)向類型的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)并不能精確的滿足理想內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系式，汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)，前兩輪的軸第二章（汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理及提醒） 11 線相交于前、后軸之間或后軸之后的某個(gè)點(diǎn)上。在研究轉(zhuǎn)向過程的當(dāng)中，如果考慮到了這些影響，將會(huì)使所研究的問題變得紛繁蕪雜，而導(dǎo)致問題的研究無法進(jìn)行下去。所以在研究的過程當(dāng)中，假定輪胎側(cè)偏角、側(cè)傾剛度和轉(zhuǎn)向系剛度都滿足理想的狀態(tài)，即輪胎在轉(zhuǎn)向時(shí)不發(fā)生側(cè)偏現(xiàn)象，側(cè)傾時(shí)垂直載荷對(duì)左、右側(cè)車輪的影響不計(jì)，轉(zhuǎn)向系各零部件之間均為剛性連接，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)向時(shí)滿足理想內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系式。 汽車在等速直線行駛時(shí)，急速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪，然后維持其轉(zhuǎn)角不變，即給汽車以轉(zhuǎn)向輪角階躍輸入，一般汽車在經(jīng)過短暫時(shí)間后便進(jìn)入等速圓周行駛，這稱之為轉(zhuǎn)向輪角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。在等速直線行駛與等速圓周行駛這兩個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)之間的過渡過程是一種瞬態(tài)，相應(yīng)的響應(yīng)稱之為角階躍輸入下進(jìn)入的瞬態(tài)響應(yīng)。 為了簡化研究條件，假定在汽車等速直線行駛時(shí)，給轉(zhuǎn)向輪以角階躍輸入，不考慮其等速直線行駛與等速圓周行駛之間的瞬態(tài)過程，只以其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)作為研究的重點(diǎn)。 若將整個(gè)汽車看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，汽車轉(zhuǎn)向輪角階躍輸入下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，這時(shí)汽車運(yùn)行軌跡應(yīng) 如圖 28 所示 ： 汽車處在轉(zhuǎn)向狀態(tài)下時(shí)，由阿卡曼轉(zhuǎn)向原理可知汽車上的任意一點(diǎn)均繞其瞬時(shí)轉(zhuǎn) 動(dòng)中心 O 轉(zhuǎn)動(dòng)，而由上圖可以看出，汽車在等速圓周行駛的情況下，其上任意一點(diǎn)均圍繞汽車回轉(zhuǎn)中心點(diǎn) O 轉(zhuǎn)動(dòng)。 此外，汽車處在等速圓周行駛的情況下，其車體的運(yùn)動(dòng)不但有平移，還具有繞自身汽車坐標(biāo)系中 Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，即橫擺角速度 。這就很好的符合了關(guān)于車輪的轉(zhuǎn)向輪角階躍輸入下 的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的理論敘述。通常情況下，橫擺角速度 是衡量汽車操縱穩(wěn)