一種機械式四輪轉向系統性能分析

程修正，李建華，周 傲，李長征，孫任飛，劉 康，冒 堅

一種機械式四輪轉向系統性能分析

程修正，李建華，周 傲，李長征，孫任飛，劉 康，冒 堅

（吉林大學汽車工程學院，吉林 長春 130022）

現有汽車的四輪轉向裝置結構復雜成本高昂，不適合在整車輕便且平價的民眾車型上使用。文章提出一種基于飛錘離心裝置控制的機械式汽車四輪轉向系統，該系統利用飛錘感應車速，在低速行駛時實現前后輪反向偏轉以減小汽車轉向半徑，中速行駛轉向時后輪不輔助轉向，高速行駛轉向時前后輪同向偏轉進而提高行駛穩定性，不同車速下后輪輔助轉向幅度逐漸變化，無級調節，使具有該系統的汽車在日益復雜的交通狀況下更加靈活和穩定。通過對該系統進行仿真驗證，得到了預期的運算結果。

汽車；四輪轉向；機械結構；飛錘

引言

據公安部交通管理局發布的消息，2020年全國汽車保有量為2.81億輛，汽車駕駛人4.18億人。根據國內劉娜[1]等人對駕駛員轉向行為的研究，車流量、車距、車速對轉向影響依次減弱。針對大城市汽車泛濫，缺少車位，車道擁堵的情況，我們必須提高汽車的靈活性，減少汽車的轉彎半徑以面對日益復雜的行車工況，而最有效的方式便是采用四輪轉向系統。根據城市道橋與洪防[2]，2017年末我國高速公路里程為13.65×104km，其規模達到世界第一，汽車在高速公路行駛的機會也大大增加，面對高速公路上頻發的交通事故，汽車高速行駛時橫擺角速度需要優化，以提升高速轉向穩定性。

四輪轉向是指汽車在轉向的過程中，4個車輪可依據前輪和行車速度等信號同時相對車身發生偏轉。第一代是機械式系統，轉向器分別安裝在前后輪上，兩轉向器之間通過機械裝置相連接。這種系統的優點是結構簡單，可靠性高，缺點是中間傳動裝置占用空間過大，不適合小型車。第二代四輪轉向系統利用液壓系統來控制轉向，這種類型的四輪轉向系統的后輪只能偏轉的1.5度左右，并且也只有在速度高于35 km/h才起作用。輔助系統對轉向性能提升有限。第三代是電控式4WS系統，它主要由ECU、轉向角度傳感器、車速傳感器、和執行機構成。缺點是所涉及到的電子設備過多，不穩定因素增多，且造價高昂。

羊玢、陳寧[3]建立了四輪轉向車輛（4WS）的動力學模型，基于單點預瞄的駕駛員數學模型，編寫了四輪轉向車輛在S型道路和復雜賽車跑道行駛的閉環運動仿真程序，對比例控制策略的四輪轉向車輛進行運動學和動力學進行高速動態仿真，表明在高速行駛下的四輪轉向車輛操縱穩定性優于前輪轉向車輛，系統具有良好的動態特性，更能有效地提高車輛瞬態操縱穩定性和安全性。田然、肖本賢[4]在MATLAB/Simulink仿真研究中發現基于橫擺力矩和四輪轉向結合的控制策略能有效減小之心偏側角，擺角速度可以很好地跟蹤理想值，提高了車輛的操作穩定性。Hamid Taghavifar；Chuan Hu[5]運用四輪主動轉向模型研究了底盤控制系統對車性能與穩定性的作用。與傳統的前輪轉向車輛相比具有優越的操縱穩定性。國內外的研究面向提升與改進4WS系統，優化結構，提升穩定性，但偏于理論性，投入遠大于可能的收益，未必能夠普及。本項目組發明的新型離心式四輪轉向系統將突破這些研究障礙。

1 4WS控制系統搭建

對于四輪轉向車輛，同樣根據上述阿克曼原理，假設四輪轉向的瞬時中心在車輛質心的水平延長線上，即可由車輛的基本結構參數計算出四輪轉角，如圖1所示。圖中，為等效前輪轉向角，為汽車質心至前軸的距離，為汽車質心至后軸的距離，1為前輪輪距，2為后輪輪距，可得四輪轉角為：

，。

2 設計方案

如圖2及圖3所示，該系統方向盤控制連接液壓泵1和液壓泵2的閥1（2）和閥2（3）。飛錘（17）通過主減速器輸出齒輪的轉速決定了飛錘擺錘（24）的離心力大小，從而飛錘輸出（26）帶動油路調節擋片隨飛錘張開杠桿發生位移，使得擋片與油路重合度變化，決定油路最大流量，進而決定液壓泵1（9、10）液壓泵2（13、14）效果。方向盤（1）的旋向及轉幅使液壓缸不同側高壓油流量不同，對后輪輸出不同的轉向助力。

飛錘彈簧提供預緊力，低速轉速最低值時液壓泵1油路完全與調節擋片孔位對齊，高速最大轉速值時液壓缸2與調節擋片孔位完全對齊，飛錘油路擋片開孔距離與車速平方成比例，最低轉速與最高轉速向中轉速靠攏時油路與調節擋片孔位重合度逐漸減小，液壓缸1或液壓缸2所產生的偏轉力矩變小，后輪輔助轉向作用逐漸變小，以此保證轉向的平順性。

方向盤偏轉過小時可能來自汽車行駛時的方向盤抖動，液壓缸產生偏轉力矩小于阻力矩，后輪不起輔助轉向效果，反映到方向盤上體現為有一定的空行程，后輪通過兩側輪胎與車橋連接彈簧實現預緊，由液壓缸對后輪一側施壓，使兩后輪出現力矩差，與后輪彈簧彈力矩得到兩后輪偏轉力矩，從而實現控制后輪旋轉角度。

車速在0 km/h～30 km/h認定為低速擋，由圖3可知液壓缸1有效，液壓缸2無效。在低速左轉液壓泵1左側高壓油流量大于右側高壓油流量后輪右轉，而在低速直行液壓泵1左右兩側高壓油流量相同后輪不發生偏轉，保持直行。在低速右轉時液壓泵1右側高壓油流量大于左側高壓油流量后輪向左偏轉。車速在30 km/h～60 km/h定為中速擋位，此時液壓泵1液壓泵2油路不通都無轉向助力，后輪不起輔助轉向作用。車速在60 km/h～90 km/h定為高速擋位，高速左轉液壓泵2左側高壓油流量大于右側高壓油流量，后輪左轉，高速直行液壓泵2左右流量相同后輪不轉，高速右轉液壓2右側供油后輪右轉。

23—飛錘預緊彈簧；24—飛錘擺錘；25—支點；26—飛錘輸出；27—輸入轉向軸。

1—轉向盤；2—閥1；3—閥2；4—高壓油箱；5—液壓泵1油道；6—液壓泵2油道；7—液壓泵1右輸油道；8—液壓泵1左輸油道；9—液壓泵1右半部分；10—液壓泵1左半部分；11—液壓泵2右輸油道；12—液壓泵2左輸油道；13—液壓泵2右部分；14—液壓泵2左部分；15—后輪右側彈簧；16—后輪左側彈簧；17—飛錘；18—液壓泵1擋片部分；19—液壓泵2擋片部分；20—后輪右胎；21—后輪左胎；22—飛錘輸入齒輪。

3 模擬實現

圖4 轉向半徑優化前后對比圖

圖5 橫擺角速度優化前后對比圖

實驗條件：軸距2.875 m，方向盤有效轉角幅度定為36°到360°，前輪轉角幅度定為36°后輪轉角方向盤幅度為4.5°，前輪后輪轉角比例8：1，轉彎半徑和橫擺角速度模擬結果如圖4、圖5所示。

圖中，在車速低于30 km/h時，經過系統優化汽車轉彎半徑曲面為下曲面，橫擺角速度為上曲面，未優化汽車轉向半徑為上曲面，橫擺角速度為下曲面。在車速高于60 km/h時轉彎半徑為上曲面，經過系統優化汽車橫擺角速度為下曲面，轉向半徑為上曲面，未經系統優化汽車橫擺角速度為上曲面，轉向半徑為下曲面。30 km/h～60 km/h時轉彎半徑與橫擺角速度系統優化前后兩曲面重合。在低速區間以轉彎半徑小，車輛靈活為優，在高速區間以橫擺角速度低，駕駛穩定為優，圖示結果符合預期。

4 結論

雖然我國汽車保有量巨大，但目前民用低價格4WS轉向系統存在市場空缺，相對于傳統電控機構，本研究有更高的穩定性、可靠性。電子系統存在老化的問題，機械系統的損傷可預測性更強。本研究創新性地從飛錘控制系統著手，在車速低于30 km/h時轉彎半徑更小，低速過彎或入庫時更靈活。在車速高于60 km/h時增大了轉彎半徑，減小了橫擺角速度，可以提升高速轉向過彎時的駕駛穩定性。該系統在低速與高速之間過渡為漸進式，可以有防止后輪輔助轉向突然介入導致駕駛員誤判帶來誤操作以至發生危險。研究成果可以應用于廣大中低端車型，提升人民群眾對于汽車駕駛體驗，增強了汽車安全性。

[1] 劉娜,周華,曹毅,等.汽車與兩輪車事故中駕駛員轉向行為影響因素研究[J].科學技術與工程,2017,17(33):344-348.

[2] 佚名.我國高速公路里程突破14萬km[J].城市道橋與防洪, 2019(04):130.

[3] 田燃,肖本賢.四輪轉向車輛的直接橫擺力矩控制研究[J].機械設計與制造,2020(05):175-179+184.

[4] 羊玢,陳寧,田杰,等.基于駕駛員模型的4WS車輛操縱穩定性研究[J].機械科學與技術,2014,33(04):578-582.

[5] Hamid Taghavifar,Chuan Hu,Leyla Taghavifar,Yechen Qin, Jing Na,Chongfeng Wei.Optimal robust control of vehicle lateral stability using damped least-square backpropagation training of neural networks[J]. Neurocomputing,2020,384.

Overview of a Mechanical Four Wheel Steering System

CHENG Xiuzheng, LI Jianhua, ZHOU Ao, LI Changzheng, SUN Renfei, LIU Kang, MAO Jian

( School of Automotive Engineering, Jilin University, Jilin Changchun 130022 )

The existing four wheel steering device is complex in structure and high in cost, so it is not suitable for use on a light and affordable public vehicle. This paper presents a mechanical four wheel steering system based on flyweight centrifugal device. The system uses flyweight to sense the speed of the vehicle, and realizes the reverse deflection of the front and rear wheels at low speed to reduce the steering radius of the vehicle. At medium speed, the rear wheels do not assist in steering, while at high speed, the front and rear wheels deflect in the same direction, so as to improve the driving stability. At different speeds, the rear wheel assists steering range changes gradually and is continuously variable, which makes the vehicle with this system more flexible and stable when used in increasingly complex traffic conditions. Through the simulation verification of the system, the expected calculation results are obtained.

Automobile; Four wheel steering; Mechanical steering; Flying hammer

U463.4

A

1671-7988(2022)02-61-04

U463.4

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1671-7988(2022)02-61-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.015

程修正（2000—），男，就讀于吉林大學汽車工程學院車輛工程專業，研究方向：車輛工程。