基于線控轉向系統的交叉變輪距底盤的研究

李雪萊，孟廣耀，韓國旭，李華廷

(青島理工大學機械學院，山東青島 266033)

基于線控轉向系統的交叉變輪距底盤的研究

李雪萊，孟廣耀，韓國旭，李華廷

(青島理工大學機械學院，山東青島 266033)

分析車輛轉向時各車輪的運動關系；針對我國農業的現狀，提出一種基于阿克曼梯形轉向結構的交叉變輪距底盤的技術方案；在交叉變輪距底盤的基礎上，加入了線控轉向系統，4個車輪由4個轉向電機獨立驅動，并保留轉向盤和轉向輪的機械連接。研究表明：該交叉變輪距底盤可較好地實現變輪距、前輪轉向和四輪轉向，而且應用線控轉向系統可以提高汽車的轉向性能，對農用機械的開發具有參考價值。

車輛轉向；交叉變輪距；阿克曼轉向梯形；線控轉向系統

0 引言

汽車轉向系統根據轉向動力能源的不同，可分為機械轉向和動力轉向兩大類[1]。汽車轉向系統的基本性能是保證車輛在任何工況下轉動轉向盤時均有較理想的操作穩定性，而操作穩定性能更優的線控轉向系統成為研究熱點。國外一些著名的汽車企業已經研制出了基于線控轉向系統的概念車，但應用于農用機械的線控轉向系統還尚未被廣泛開發。對于變輪距車輛的轉向系統，目前國內外的研究及應用多集中于伺服控制和液壓驅動轉向車輪來滿足阿克曼轉向條件。液壓動力轉向效率低、能耗大、結構復雜并且價格比較昂貴；而線控轉向系統可以減輕駕駛員操作負荷、耗能低，由于取消了轉向盤和轉向輪之間的機械連接，轉向系統之間的傳動比可通過軟件自由設定，因此可以解決傳統轉向系統固定傳動比造成的缺陷，而且便于和其他系統集成、統一協調控制[2-3]。

通過開發一種交叉變輪距底盤，在這種底盤的基礎上，加入線控轉向系統，這樣既可以實現車輛變輪距的要求，又可以滿足變輪距車輛的轉向要求。

1 車輛轉向機構運動學分析

轉向系是通過對左、右轉向車輪不同轉角之間的合理匹配來保證汽車能沿著設想的軌跡運動的機構[4]。

1.1 轉向機構的運動學原理

車輛轉向時，為減少行駛阻力和輪胎磨損，保證車輛做純滾動，不發生側滑現象，要求各車輪必須圍繞同一個中心點滾動，即轉向輪偏轉角滿足阿克曼轉向原理。

如圖1所示，對于前輪轉向的汽車，在轉彎時，轉彎中心O位于非轉向輪中心軸線的延長線上，其內外轉向輪理想的轉角關系需滿足如下公式：

cotα=cotβ+B/L

其中：α為外轉向輪偏轉角；

β為內轉向輪偏轉角；

B為兩轉向主銷中心線與地面交點間的距離；

L為軸距。

1.2 阿克曼轉向梯形

阿克曼梯形轉向機構的主要特點是通過利用兩個梯形臂的轉角差異來近似滿足車輛轉向條件，在車輛軸距和輪距確定的情況下，梯形臂長度m和梯形底角γ決定了車輛的轉向特性，即合理設置這兩個參數便可實現車輛良好的轉向特性。

對于固定輪距和軸距的車輛底盤，輪距和軸距是固定不變的，因此可直接利用轉向特性不變的阿克曼梯形轉向機構作為轉向裝置;而對于變輪距車輛，其底盤輪距或軸距是可變的，因此，傳統的定參數阿克曼梯形轉向機構無法滿足變輪距車輛底盤的轉向要求[5]。

2 交叉變輪距底盤機械式轉向

圖3所示為交叉變輪距底盤的設計簡圖。利用了阿克曼梯形轉向結構，在1號車橋上設置了一個單獨的轉向單元(圖4所示)。轉向單元的傳入角度和傳出角度遵循阿克曼轉向原理。如圖3所示，在進行前輪轉向時，通過一系列連桿機構，將車輪1的轉向和轉角以同相位、同角度方式傳入轉向單元，經轉向單元幾何變換角度后，將合適的轉角由轉出梯形臂傳出，再由連桿機構帶動右前輪轉臂轉動，實現右前輪的轉向。由于轉向單元的作用，傳入角度和傳出角度之間的關系遵循阿克曼轉向原理，因此該交叉變輪距底盤可以完成車輛的機械式前輪轉向。

3 交叉變輪距底盤線控轉向系統

汽車的動力轉向根據提供動力的方式不同分為：液壓助力轉向系統、電動液壓轉向系統、電動助力轉向系統和線控轉向系統[6]。采用線控轉向系統不但可以自由設計汽車轉向的力傳遞特性，而且可以設計汽車轉向的角傳遞特性，可以更好地實現文中所設計的交叉變輪距底盤的變輪距和轉向功能，因此選用線控轉向系統。

3.1 線控轉向系統工作原理

線控轉向系統由方向盤總成、轉向執行總成和主控制器(ECU)3個主要部分以及自動方鼓掌系統、電源等輔助系統組成[7-8](如圖5所示)。

車輛進行轉向時，傳感器將檢測到的駕駛員轉向數據通過數據總線傳遞給主控制器(ECU)，主控制器根據預先設置的程序，將相應的轉向信息以電信號的形式傳遞給轉向電機，轉向電機控制轉向輪轉動；車輪的轉向信息通過轉角傳感器反饋給主控制器，經主控制器處理后將信號傳遞給轉向信息電機，以使駕駛員獲得路感。

3.2 交叉變輪距底盤轉向和變輪距功能的實現

此設計保留轉向盤與轉向輪之間的機械部分，車輛轉向時，不依靠機械連接，而是依靠電子控制器(ECU)進行控制，根據路況和方向盤轉動力度、轉動角度和速度進行綜合計算，從而指揮轉向電機機構實現轉向[9-10]。選用3個并聯的ECU負責不同的控制，一個負責控制同一車橋上的左前輪和右后輪，一個負責另一個車橋上的右前輪和左后輪，還有一個負責控制方向盤，3個ECU還同時負責彼此監視其他2個的工作情況，當任意一個ECU被檢測出現問題時，車輛的備用模式立即通過一個離合器被激活，恢復到機械式轉向模式。這樣，在線控轉向系統失效或有錯誤時，依然可以依靠機械連接來維持噴藥機的穩定行駛和實現噴藥機的轉向功能，防止噴藥機失控。

4 結論

文中所述交叉變輪距底盤的設計，通過基于阿克曼梯形轉向機構的轉向單元實現了交叉變輪距車輛的機械式轉向。在此基礎上加入了線控轉向系統，實現了車輛的線控轉向，并通過線控轉向系統對每個車輪單獨控制，解決了車輛輪距無級可調的問題。采用線控轉向系統，使車輪的轉向更加靈活，汽車的轉向更加精確，同時保留了原結構轉向盤和轉向輪的機械連接，為車輛的轉向和穩定行駛提供了保障。

【1】何仁,李強.汽車線控轉向技術的現狀與發展趨勢[J].交通運輸工程學報,2005,5(2):68-72.

【2】楊勝培,周海軍.線控轉向系統前輪轉角控制策略研究[J].科技創新與生產力,2014(5):031.

【3】胡樂樂,時巖,蔡焱焱,等.線控轉向前輪轉角控制策略研究[J].制造業自動化,2014,36(2):21-24.

【4】徐石安.汽車構造-底盤工程[M].北京：清華大學出版社,2008.

【5】黃居鑫.機械全驅動式變輪距農用底盤關鍵技術研究[D].青島：青島理工大學,2014.

【6】劉永.汽車線控轉向系統的研究[D].武漢:武漢理工大學,2005.

【7】于蕾艷,林逸,李玉芳.汽車線控轉向系統綜述[J].農業裝備與車輛工程,2006(1):32-36.

【8】賈和平,鐘紹華.汽車線控轉向系統的研究[J].上海汽車,2006(11):39-43.

【9】齊偉.英菲尼迪線控主動轉向系統(DAS)淺探[J].汽車維修,2014(8):11-13.

【10】王祥.汽車線控轉向系統雙向控制及變傳動比特性研究[D].長春：吉林大學,2013.

Research on Crossing Variable Wheel Track Chassis Based on Steer-by-wire-system

LI Xuelai, MENG Guangyao, HAN Guoxu, LI Huating

(School of Mechanical Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao Shandong 266033,China)

The movement relationship between each wheel when the vehicle was steering was analyzed. According to the current agricultural situation of our country, a kind of crossing variable wheel track vehicle chassis technical solution which was based on Ackman trapezoidal steering mechanism was put forward. Based on the crossing variable wheel track vehicle chassis, the steer-by-wire system was joined, the four wheels were driven by four independent steering motors, and the mechanical connection between the steering wheel and wheels was reserved.The research shows that the crossing variable wheel track chassis can complete the changing of wheel track, front wheel steering and four-wheel steering.The application of steer-by-wire-system can improve steering performance of the car and has a reference value to the development of agricultural machinery.

Vehicle steering;Crossing variable wheel track; Ackman steering trapezoid;Steer-by-wire-system

2015-08-17

國家自然科學基金(51075220)

李雪萊(1988—)，女，碩士研究生，主要研究方向為先進制造技術與裝備。E-mail：xlli2015@163.com。

孟廣耀， E-mail：gymeng1963@163.com。