四輪車輛轉向系統設計

高　俊

（上海市七寶中學，上海　201101）

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四輪車輛轉向系統設計

高俊

（上海市七寶中學，上海201101）

摘要：為了提高車輛的平順性和操縱的穩定性，以減輕振動對乘坐舒適性的影響，本文建立了四輪轉向車輛實體模型，并利用動力學基本理論和方法，對模型的動力學性能進行研究，從而得到真正意義上的車輛轉彎半徑近似為零的轉向工作模式。利用實體模型仿真實驗，得到了仿真實驗中難以得到的數據，提出了雙聯平衡轉向結構及其轉向策略的整體設計方案。

關鍵詞：四輪車輛；四輪轉向；雙聯平衡結構

現有的車輛轉向系統大多是后輪驅動、前輪轉向，但單獨一對轉向輪的轉動范圍有限，限制了車輛的運動靈活性。四輪轉向技術首次出現于20世紀80年代的日本，20世紀90年代美國的軍用車輛和工程車輛上采用一種前、后輪逆相位偏轉的簡單機械式4WS系統，以適應惡劣的路況，改善汽車低速轉向時的機動性能，因在海灣戰爭中的表現，掀起了高機動性車輛研制的浪潮。四輪轉向系統（Four-Wheel Steering-4WS）是指汽車4個車輪根據前輪或行車速度等信號同時相對車身偏轉的轉向系統。四輪轉向系統的控制問題國內外都有豐富的研究成果。SANO S［1］等人探討了整車轉向角與四車輪轉向角間的關系；L.Caracciolo［2］等人提出了反向四輪系統的軌跡跟蹤模型；袁凱［3］等人分析了四輪系統行駛時的穩定性條件。

本文采用縮小仿真實物模型，相比于模擬仿真既能夠方便地進行調試，又能夠準確地反映出實車駕駛時可能遇到的問題。通過雙聯平衡轉向結構改善車輛參數，實現了車輪的大范圍轉向，得到豐富的車輛轉向工作模式并實現了車輛側偏角近似為0的轉彎模式，解決了不同行進空間對車輛駕駛的影響。

1　四輪轉向系統優勢

對于四輪轉向系統，除了前輪轉向外，后輪也有轉向運動。如圖1所示，假設前輪的轉向角為δ1，車身前后軸距長為l，在雙輪轉向系統中，汽車的轉彎半徑為l/sinδ1；而在四輪轉向系統中，前后輪同時轉向，假設后輪轉向角為δ2，則四輪轉向系統的轉彎半徑為lcosδ1/sin(δ1+δ2)。相比于雙輪轉向系統，四輪轉向系統的轉彎半徑更小，質心的側偏角也更小。

根據研究，取k=δ2/δ1，其中δ1、δ2分別為前后輪偏轉角，并選取合適的車身參數能使穩態時質心側偏角保持為0［4］。對于圖1所示的理想情況，當δ1、δ2相同時，質心側偏角最小。

圖1　雙輪轉向與四輪轉向系統比較

2　四輪差速轉向系統

四輪差速轉向系統數學模型主要包括運動學模型與動力學模型兩部分

2.1四輪差速轉向系統運動學模型

實際運行中當車輛轉向行駛時，每個驅動輪相對于地面固定坐標系不僅有周向滾動和周向滑動，而且還存在軸向的滑動，其運動分析示意圖如圖2所示。

圖2　四輪轉向系統完整運動學模型

圖3　理想四輪轉向系統運動學模型

在驅動輪與地面之間只存在滾動而沒有滑動的理想情況下，可以得到如圖3所示的四輪驅動車運動分析示意圖。其中為四輪驅動車左側驅動輪速度。為四輪驅動車右側驅動輪速度。p為四輪驅動車中心點為四輪驅動車的速度，四輪驅動車的角速度為。C為四輪驅動車的速度瞬心，CX′Y′為以速度瞬心為原點的坐標系。分別為a點、b點、p點相對于速度瞬心C的矢量半徑。OXY為固定坐標系。根據速度瞬心定理，則可以得到如下速度關系：

方向由右手規則確定，其中，l為a、b兩點之間的距離。

2.2四輪差速轉向系統動力學模型

在運動學模型的基礎上，可以建立四輪驅動車差速轉動時動力學模型。求解四輪受力時達朗伯－拉格朗日方程，能夠得出在無滑動理想情況下電機轉動情況對車輛轉向速度的影響。

圖4　差速時四輪轉向系統動力學模型

如圖4所示，可以得到四輪轉向車的達朗伯－拉格朗日方程為：

因此，可以得到四輪轉向車在以瞬時速度瞬心為原點的坐標系CX′Y′中的動力學微分方程為：

3　模型與駕駛模式設計

3.1機械結構設計

本文設計的四輪轉向模型的車體按照汽車比例縮小制造，具有通用汽車外觀。車體內部被分為后雙聯平衡結構，以正科46U118i電機驅動實現轉向。雙聯平衡轉向結構如圖5、6所示。轉向系統傳動機構安裝在車架上，通過轉向系統執行機構的最后一節齒輪，轉向傳動機構的主軸將轉向扭矩傳遞到轉向系統執行機構的車輪上，從而實現車輪的轉向。

圖 5　轉向系統執行機構

圖 6　轉向傳動機構

后輪運用滑移轉向（skid-steering）原理，通過改變兩側車輪速度來實現不同半徑的轉向，從而達到滑移轉向結構的高效性和轉向半徑小。

3.2駕駛模式設計

由于采用如圖5、6所示的轉向機構，齒輪組可以360°旋轉，從而可帶動車輪360°旋轉，考慮對稱性，可以限定車輪只在-90°～+90°轉動，但依然極大地提高了整車靈活性。在此測試了系統的4類工作模式：差速模式，兩輪轉向模式，逆相轉彎模式，同相轉彎模式。4類工作模式中車輪轉向簡圖如圖7所示。

差速轉向及兩輪轉向模式在大范圍彎道表現良好；逆相轉彎模式則適合小半徑轉彎；同相轉彎模式實際駕駛軌跡為與車身成固定角度的直線，為車輛在狹小通道中進行變道超車提供了可能。另外，由于車輪轉向范圍是-90°～+90°，極限情況下，車輛轉彎半徑將與車長相同，車輛側偏角近似為0，車輛實現近似平移轉向，如圖8所示。

圖7　四類轉向模式

圖8　一般逆相轉彎模式與極限情況對比

4　結論

本文通過對現有車輛轉向系統的研究，提出了新型轉向系統。不僅實現了豐富的轉向工作模式，還能實現近似零側偏角轉向。與傳統運動學模型的轉向相比，可減少在轉彎空間上的占用需求，使車輛在狹小空間中的轉向駕駛操作變得可能，具有十分高的應用價值。

參考文獻：

［1］S Sano，Y Furukawa，S Shiraishi.Four wheel steering system with rear wheel steer angle controlled as a function of steering wheel angle［D］.SAE Paper 860625，1986.

［2］L Caracciolo，A De Luca，S Iannitti.Trajectory track?ing controlof a four-wheel differentially driven mobile robot ［C］.IEEE Int.Conf.on Robotics and Automation［A］，1999 （4）：2632-2638.

［3］袁凱.四輪獨立轉向汽車高速時操縱穩定性的研究［J］.有色設備，2003，23（1）：36-38.

［4］余志生.汽車理論（第三版）［M］.北京：機械工業出版社，2000.

中圖分類號：U463.4

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）01-0095-03

收稿日期：2016-01-08

作者簡介：高俊（1972-），研究生，工程師，研究方向：機器人機構設計，機器人控制策略研究，相關機構動力學研究、汽車動力學研究。

Design of Four-Wheel-Steering System For Automobile

Gao Jun
（Shanghai QiBao High School，Shanghai 201101）

Abstract:To improve the Smoothness and Stability of automobile and eliminate the effect of vibration on ride com?fort,an entity model of four-wheel-steering automobile is built,and its performance is studied by utilizing basic theo?ry and method of dynamics.Thus,the turning operation mode,whose turning radius is close to zero,of the vehicle is obtained in the true sense.With the data acquired from the experiment of the model,which is hard to obtain in real experiment,the design scheme of double balanced steering structure and its steering strategy is presented.

Keywords:four-wheel-automobile；four-wheel-steering；double balanced steering structure