【文章內(nèi)容簡介】 性，特別是汽車在隨機干擾下的穩(wěn)定性問題，這些隨機干擾來源 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 的運用領(lǐng)域受到了很大的限制，本文也正是針對這個特點，試圖進行進一步的 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 研究進展，并介紹了本論文的研究意義和重點。 第二章主要 介紹了 汽車 4WS 的組成及原理 ，并 對其在高、低速時的轉(zhuǎn)向特性進行分析。 第三章 主要 分析了 4WS 在 實際環(huán)境下 所受非線性因素 的影響。 第四章對 4WS 進行動力學(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)了所進行的研究成果， 并提出對 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（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，后輪可相對車身主動轉(zhuǎn)向，使汽車的 4 個車輪都能起轉(zhuǎn)向作用，以改善轉(zhuǎn)向機動性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性。四輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)的 4 個車輪獨立驅(qū)動、獨立轉(zhuǎn)向，因此 4 個車輪可采用相同的結(jié)構(gòu)形式， 4 個車輪由 4 個轉(zhuǎn)向電機獨立驅(qū)動。按照控制和驅(qū)動的方式不同，4WS 系統(tǒng)可主要分為機械式、液壓式、電控機械式、電控液壓式和電控電動式等幾種類型，限于篇幅且考慮到本設(shè)計的應(yīng)用環(huán)境等要求，本文主要介紹 最常見的電控電動式四輪轉(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 ： （ 1） 轉(zhuǎn)向能力強。汽車在高速行駛時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。在整個行駛速度變化范圍內(nèi)，汽車對轉(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)大彎時汽車不易繞自身重心回轉(zhuǎn)。 （ 4） 低速機動性好。低速時，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?；谝陨咸攸c以及研究現(xiàn)狀的考慮，四輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)將成為本論文分析研究的重點。 一般在車輛動態(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） ，其機械傳動的轉(zhuǎn)向機構(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)向時車輪與地面之間為純滾動 而無滑動現(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)向運動而后輪并不轉(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，一般汽車在轉(zhuǎn)向時會受到輪胎的側(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)彎時車頭會朝向回轉(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，即低速的機動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，后輪也參與轉(zhuǎn)向，從而達(dá)到提高汽車低速行駛的機動性和高速行駛的穩(wěn)定性。從結(jié)構(gòu)上， 4WS 可分為機械式、液壓式、電動式和復(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)行機構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)等組成。如圖 24 所示，轉(zhuǎn)向 時，傳感器將前輪轉(zhuǎn)向的信號和汽車運動的 信號送入 ECU， ECU 進行分析計算，向后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)輸出驅(qū)動信號，后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)動作，通過后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)，驅(qū)動后輪偏轉(zhuǎn)。同時， ECU 進行實時監(jiān)控汽車運行狀況，計算目標(biāo)轉(zhuǎn)向角與后輪實時轉(zhuǎn)向角之間的差值，來實時調(diào)整后輪的轉(zhuǎn)角。這樣，可以根據(jù)汽車的實際運動狀態(tài)，實現(xiàn)汽車的四輪轉(zhuǎn)向。 圖 22 2WS 汽車在低速下轉(zhuǎn)向運動 圖 23 2WS 汽車在高速下轉(zhuǎn)向運動 華南理工大學(xué)廣州汽車學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 8 圖 25 4WS 汽車在低速下轉(zhuǎn)向運動 圖 26 4WS 汽車在高速下轉(zhuǎn)向運動 4WS 汽車在低速轉(zhuǎn)彎時，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，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的轉(zhuǎn)向機動靈活性。其工作特點是低速時汽車只采用前輪轉(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：①轉(zhuǎn)向操作的響應(yīng)加快，準(zhǔn)確性提高；②轉(zhuǎn)向操作的機動靈活性和行駛穩(wěn)定性提高；③抗側(cè)向干擾的穩(wěn)定性效果好；④超車時，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 同時也存在以下幾點不足：①低速轉(zhuǎn)向時，汽車尾部容易碰到障礙物；②實現(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)行機構(gòu) 后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(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，和主減速器從動齒輪 6 固連，假設(shè)其角速度為 ω0，半軸齒輪 1 和 2 為從動件，其角速度為 ω1和 ω2。 A， B 兩點分別為行星齒輪 4 與兩半軸齒輪的嚙合點。行星齒輪的中心點為 C， A、 B、 C 三點到差速器旋轉(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， ω0 = ω1 = ω2，當(dāng)差速器開始工作時，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， M1=M2=1/2 M0，差速器開始工作時 ， 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， M2/M1大致也僅為 ~，實際上可以認(rèn)為，無論左、右兩輪的轉(zhuǎn)速是否相等，轉(zhuǎn)矩總是在兩個半軸 之間平均分配的。這樣的分配比例對于汽車在好路面上直線或轉(zhuǎn)彎行駛時，都是滿意的。但是當(dāng)汽車在壞路面上行駛時，卻嚴(yán)重影響了通過能力。當(dāng)汽車的一個驅(qū)動輪接觸到泥濘或冰雪路面時，即使另一車輪是在好路面上，汽車也往往不能前進。這是因為，在泥濘路面上的車輪與路面之間的附著力很小，路面只能對半軸作用很小的反作用轉(zhuǎn)矩，雖然另一個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，使這一個車輪分配到的轉(zhuǎn)矩只能與傳到滑轉(zhuǎn)的驅(qū)動輪上的很小的轉(zhuǎn)矩相等，以致總的牽引力不足以克服行駛力。 電控電動式 4WS 系統(tǒng) [4]主要由車速傳感器、電控單元 ECU、步進電動機、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（論文）說明書 10 輪助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)等組成。 系統(tǒng)設(shè)有兩種轉(zhuǎn)向模式，既可進入 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，后輪自動回到中間位置，汽車自動進入前輪轉(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)向電機失靈時應(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，介紹電機失靈的故障排除方法。 汽車在正常行駛 過程中，兩個前輪為同向轉(zhuǎn)動，當(dāng)左右電磁離合 器分離時，處于單電機 單車輪的轉(zhuǎn)向驅(qū)動方式。當(dāng)左側(cè)電機失靈時，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)電機轉(zhuǎn)動右側(cè)車輪至相同轉(zhuǎn)角，左右電磁離合器吸合，由右側(cè)電機單獨驅(qū)動兩個車輪進行轉(zhuǎn)向，將該故障在汽車運動過程中排除，不影響汽車的正常行駛。當(dāng)汽車處于特殊轉(zhuǎn)向方式時，雙電機單獨驅(qū)動左右兩前輪相對異向轉(zhuǎn)動，該種轉(zhuǎn)向模式一般在車速為零時進行，當(dāng)左側(cè)電機失靈時，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)電機轉(zhuǎn)動右側(cè)車輪至相同轉(zhuǎn)角，左右電磁離合器吸合，右側(cè)電機同時驅(qū)動兩個車輪進行復(fù) 位，不僅左右車輪可以切換轉(zhuǎn)向電機，前后 不 同軸車輪也可通過中央離合器的吸合進行切換，即使有 3 個電機失靈，也可由一個轉(zhuǎn)向電機通過 5 個離合器的開關(guān)組合依次地、分別調(diào)整其它 3 個車輪中的任一個車輪角度進行復(fù)位。該種故障對策需由一個電機同時帶動兩個車輪轉(zhuǎn)向，因此在進行電機的選擇時必須保證一個電機可同時驅(qū)動兩個車輪 。 目前，成型的 4WS 主要運用在汽車中，且大多采用電控液壓式 4WS，雖然電控電動式 4WS 發(fā)展較晚，相應(yīng)的技術(shù)還不夠成熱，且存在著動力小、 ECU 復(fù)雜，成本高等不足之處，但隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、電機技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用 ，電控電動式 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入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、方向盤角階躍輸入下進入的瞬態(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。 實際中的任何汽車在轉(zhuǎn)向的過程當(dāng)中會受到輪胎側(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，由于轉(zhuǎn)向傳動機構(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，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點上。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)向時不發(fā)生側(cè)偏現(xiàn)象，側(cè)傾時垂直載荷對左、右側(cè)車輪的影響不計，轉(zhuǎn)向系各零部件之間均為剛性連接，轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)在轉(zhuǎn)向時滿足理想內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系式。 汽車在等速直線行駛時，急速轉(zhuǎn)動轉(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)過短暫時間后便進入等速圓周行駛，這稱之為轉(zhuǎn)向輪角階躍輸入下進入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。在等速直線行駛與等速圓周行駛這兩個穩(wěn)態(tài)運動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，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。 若將整個汽車看作一個質(zhì)點，汽車轉(zhuǎn)向輪角階躍輸入下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，這時汽車運行軌跡應(yīng) 如圖 28 所示 ： 汽車處在轉(zhuǎn)向狀態(tài)下時，由阿卡曼轉(zhuǎn)向原理可知汽車上的任意一點均繞其瞬時轉(zhuǎn) 動中心 O 轉(zhuǎn)動，而由上圖可以看出，汽車在等速圓周行駛的情況下，其上任意一點均圍繞汽車回轉(zhuǎn)中心點 O 轉(zhuǎn)動。 此外，汽車處在等速圓周行駛的情況下，其車體的運動不但有平移，還具有繞自身汽車坐標(biāo)系中 Z 軸的轉(zhuǎn)動，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)