华南理工大学毕业设计说明书
3．提高系统的可靠性。这应从提高系统各元部件的可靠性入手, 如采用非接触式
转矩传感器等。
4．进一步简化系统, 减小控制单元和驱动单元的体积, 控制生产成本。
第二节、轿车的四轮转向技术
随着现代道路交通系统和现代汽车技术的发展,人们对汽车的转向操纵性能和行驶稳定性的要求日益提高。作为改善汽车操纵性能最有效的一种主动底盘控制技术——四轮转向技术,于二十世纪80 年代中期开始在汽车上得到应用,并伴随着现代汽车工业的发展而不断发展。汽车的四轮转向(Four - wheel Steering ——4WS) 是指汽车在转向时,后轮可相对于车身主动转向,使汽车的四个车轮都能起转向作用。以改善汽车的转向机动性、操纵稳定性和行驶安全性，其研究发展很有现实意义。
四轮转向汽车的后轮不仅可以与前轮统同方向偏转，而且也可以与前轮的偏转方向相反。其偏转规律是：在高速行驶或转向盘转角小时，前、后轮的偏转方向相同；而在低速行驶或转向盘的转角大时，后论的偏转方向与前轮的偏转方向相反。后论按一定的比例与前轮同向偏转时，可提高汽车高速行驶或在侧向风力作用下时的操纵稳定性；后论与前轮的偏转方向相反时，可改善汽车中、低速行驶的操纵稳定性、低速行驶时的操纵轻便性及减小汽车的转小转弯半径。
2.2.1 四轮转向汽车的转向特性
1．4WS 汽车与2WS 汽车转向过程分析
普通两轮转向汽车(2WS 汽车) 的前轮既可绕自身的轮轴自转又可绕主销相对于车身偏转,而后轮只能自转而不偏转。当驾驶员转动方向盘后,前轮转向,改变了行驶方向,地面对前轮胎产生一个横向力,通过前轮作用于车身,使车身横摆,产生离心力,使后轮产生侧偏,改变前进方向,参与汽车的转向运动。而4WS 汽车的后轮与前轮一样,既可自转也能偏转。当驾驶员转动方向盘后,前、后轮几乎同时转向,使汽车改变前进方向,实现转向运动。
2WS 汽车在转向时,前轮作主动转向,后轮只是作被动转向。显然,2WS 汽车在转向过程中,从方向盘转动到后轮参与转向运动之间存在一定的滞后时间。2WS 汽车的
- 17 -
华南理工大学毕业设计说明书
这种相位滞后特性使汽车转向的随动性变差,并使汽车的转向半径增大。另外,2WS 汽车在高速行驶时,相对于一定的方向盘转角增量、车身的横摆角速度和横向加速度的增量增大,使汽车在高速行驶时的操纵性和稳定性变差。而4WS 汽车在转向时,前、后轮都作主动转向,在转向过程中,灵敏度高,响应快,有效地克服了上述缺点。
2．4WS 汽车的转向方式
根据理论分析研究和大量路试表明,四轮转向能够提高汽车转向的机动灵活性和高速行驶时的操纵稳定性,现代4WS 汽车就是根据这一指导思想研制的。一般来说,4WS 汽车在转向过程中,根据不同的行驶条件,前、后轮转向角之间应遵 循一定的规律。目前,典型4WS 汽车前、后轮的偏转规律一般如下所述。 (a) . 逆相位转向
如图 1(a) 所示,在低速行驶或者方向盘转角较大时,前、后轮实现逆相位转向,即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相反,且偏转角度随方向盘转角增大而在一定范围内增大(后轮最大转向角一般为5°左右)。这种转向方式可改善汽车低速时的操纵轻便性,减小汽车的转弯半径,提高汽车的机动灵活性。便于汽车掉头转弯、避障行驶、进出车库和停车场。对轿车而言,若后轮逆相位转向5°,则可减少最小转向半径约0.5m。
图 1.四轮转向汽车的前、后轮偏转规律
(b) . 同相位转向
如图 1(b) 所示,在中、高速行驶或方向盘转角较小时,前、后轮实现同相位转向,即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相同(后轮最大转角一般为1°左右) 。使汽车车身的横摆角速度大大减小,可减小汽车车身发生动态侧偏的倾向,
保证汽车在高速超车、进出高速公路、高架引桥及立交桥时,处于不足转向状态。
- 18 -
华南理工大学毕业设计说明书
现在,有许多4WS 汽车把改善汽车操纵性能的重点放在提高汽车高速行驶的操纵稳定性上,而不过分要求汽车在低速行驶的转向机动灵活性。其工作特点是低速时汽车只采用前轮转向, 只在汽车行驶速度达到一定数值后( 如50km/ h) ,后轮才参与转向,进行同相位四轮转向。
3．4WS 汽车的转向特点
与普通的2WS 汽车相比,4WS 汽车具有如下特点: 优越性:
（1）转向操作的响应加快,准确性提高。 （2）转向操作的轻便性和行驶稳定性提高。
（3）低速时,转弯半径小,转向操作的机动灵活性提高(如图 2所示) 。 （4）超车时,变换车道更容易,减小了汽车产生摆尾和侧滑的可能性。 （5）抗侧向干扰的稳定性效果好。 不足性:
（1）低速转向时,汽车尾部容易碰到障碍物。 （2）实现理想控制的技术难度大。 （3）转向系统结构复杂、成本高。 （4）转向过程中,阿克曼定理难保证。
图 2.低速转向时的转向性能比较
2.2.2 四轮转向汽车的组成及工作特性
1．现代4WS 汽车的基本组成及工作原理
- 19 -
华南理工大学毕业设计说明书
4WS 汽车是在前轮转向系统的基础上,在汽车的后悬架上安装一套后轮转向系统,两者之间通过一定的方式联系,使得汽车在前轮转向的同时,后轮也参与转向。经过几十年的研究与开发,已经成型的4WS 汽车类型有多种,组成、结构不同,控制方式及工作原理也各异。典型的电控4WS 系统主要由前轮转向系统、传感器(如转向角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器等) 、ECU、后轮转向执行机构和后轮转向传动机构等组成。
如图3 所示,转向时,传感器将前轮转向的信号和汽车运动的信号送入ECU，ECU进行分析计算,将处理后的驱动信号传给后轮转向执行机构,后轮转向执行机构动作,通过后轮转向传动机构,驱动后轮偏转。同时,ECU 进行实时监控汽车运行状况,计算目标转向角与后轮实时转向角之间的差值,来实时调整后轮的转角。这样,可以根据汽车的实际运动状态,实现汽车的四轮转向。
一般的4WS 汽车设有两种转向模式,既可进入4WS 状态,也可保持传统的2WS 状态,驾驶员可通过驾驶室内的转向模式开关进行选择。当4WS 汽车在行驶过程中电子控制系统出现故障时,后轮自动回到中间位置,汽车自动进入前轮转向状态,保证汽车像普通前轮转向汽车一样安全地行驶。同时,仪表板上的“4WS”指示灯亮,警告驾驶员,故障情况被存储在ECU 中,以便于维修时检码。
2．4WS 汽车后轮转向装置的类型
随着对4WS 这一领域研究的不断进展,出现了多种不同转向要求、不同结构 型式和不同控制策略的实用4WS 系统。按控制后轮转向的方法,后轮转向装置主要可分为转角随动型和车速感应型两种。
- 20 -
