李雪萊，孟廣耀，韓國(guó)旭，李華廷

(青島理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，山東青島 266033)

基于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的交叉變輪距底盤(pán)的研究

李雪萊，孟廣耀，韓國(guó)旭，李華廷

(青島理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，山東青島 266033)

分析車(chē)輛轉(zhuǎn)向時(shí)各車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系；針對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀，提出一種基于阿克曼梯形轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的交叉變輪距底盤(pán)的技術(shù)方案；在交叉變輪距底盤(pán)的基礎(chǔ)上，加入了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，4個(gè)車(chē)輪由4個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，并保留轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向輪的機(jī)械連接。研究表明：該交叉變輪距底盤(pán)可較好地實(shí)現(xiàn)變輪距、前輪轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)向，而且應(yīng)用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以提高汽車(chē)的轉(zhuǎn)向性能，對(duì)農(nóng)用機(jī)械的開(kāi)發(fā)具有參考價(jià)值。

車(chē)輛轉(zhuǎn)向；交叉變輪距；阿克曼轉(zhuǎn)向梯形；線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

0 引言

汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向動(dòng)力能源的不同，可分為機(jī)械轉(zhuǎn)向和動(dòng)力轉(zhuǎn)向兩大類(lèi)[1]。汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本性能是保證車(chē)輛在任何工況下轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)均有較理想的操作穩(wěn)定性，而操作穩(wěn)定性能更優(yōu)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)。國(guó)外一些著名的汽車(chē)企業(yè)已經(jīng)研制出了基于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概念車(chē)，但應(yīng)用于農(nóng)用機(jī)械的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還尚未被廣泛開(kāi)發(fā)。對(duì)于變輪距車(chē)輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)外的研究及應(yīng)用多集中于伺服控制和液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向車(chē)輪來(lái)滿足阿克曼轉(zhuǎn)向條件。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向效率低、能耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且價(jià)格比較昂貴；而線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以減輕駕駛員操作負(fù)荷、耗能低，由于取消了轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間的傳動(dòng)比可通過(guò)軟件自由設(shè)定，因此可以解決傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固定傳動(dòng)比造成的缺陷，而且便于和其他系統(tǒng)集成、統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制[2-3]。

通過(guò)開(kāi)發(fā)一種交叉變輪距底盤(pán)，在這種底盤(pán)的基礎(chǔ)上，加入線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這樣既可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛變輪距的要求，又可以滿足變輪距車(chē)輛的轉(zhuǎn)向要求。

1 車(chē)輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

轉(zhuǎn)向系是通過(guò)對(duì)左、右轉(zhuǎn)向車(chē)輪不同轉(zhuǎn)角之間的合理匹配來(lái)保證汽車(chē)能沿著設(shè)想的軌跡運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)[4]。

1.1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理

車(chē)輛轉(zhuǎn)向時(shí)，為減少行駛阻力和輪胎磨損，保證車(chē)輛做純滾動(dòng)，不發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象，要求各車(chē)輪必須圍繞同一個(gè)中心點(diǎn)滾動(dòng)，即轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理。

如圖1所示，對(duì)于前輪轉(zhuǎn)向的汽車(chē)，在轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)彎中心O位于非轉(zhuǎn)向輪中心軸線的延長(zhǎng)線上，其內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪理想的轉(zhuǎn)角關(guān)系需滿足如下公式：

cotα=cotβ+B/L

其中：α為外轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角；

β為內(nèi)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角；

B為兩轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)中心線與地面交點(diǎn)間的距離；

L為軸距。

1.2 阿克曼轉(zhuǎn)向梯形

阿克曼梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)是通過(guò)利用兩個(gè)梯形臂的轉(zhuǎn)角差異來(lái)近似滿足車(chē)輛轉(zhuǎn)向條件，在車(chē)輛軸距和輪距確定的情況下，梯形臂長(zhǎng)度m和梯形底角γ決定了車(chē)輛的轉(zhuǎn)向特性，即合理設(shè)置這兩個(gè)參數(shù)便可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛良好的轉(zhuǎn)向特性。

對(duì)于固定輪距和軸距的車(chē)輛底盤(pán)，輪距和軸距是固定不變的，因此可直接利用轉(zhuǎn)向特性不變的阿克曼梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)向裝置;而對(duì)于變輪距車(chē)輛，其底盤(pán)輪距或軸距是可變的，因此，傳統(tǒng)的定參數(shù)阿克曼梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)無(wú)法滿足變輪距車(chē)輛底盤(pán)的轉(zhuǎn)向要求[5]。

2 交叉變輪距底盤(pán)機(jī)械式轉(zhuǎn)向

圖3所示為交叉變輪距底盤(pán)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。利用了阿克曼梯形轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，在1號(hào)車(chē)橋上設(shè)置了一個(gè)單獨(dú)的轉(zhuǎn)向單元(圖4所示)。轉(zhuǎn)向單元的傳入角度和傳出角度遵循阿克曼轉(zhuǎn)向原理。如圖3所示，在進(jìn)行前輪轉(zhuǎn)向時(shí)，通過(guò)一系列連桿機(jī)構(gòu)，將車(chē)輪1的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角以同相位、同角度方式傳入轉(zhuǎn)向單元，經(jīng)轉(zhuǎn)向單元幾何變換角度后，將合適的轉(zhuǎn)角由轉(zhuǎn)出梯形臂傳出，再由連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)右前輪轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)右前輪的轉(zhuǎn)向。由于轉(zhuǎn)向單元的作用，傳入角度和傳出角度之間的關(guān)系遵循阿克曼轉(zhuǎn)向原理，因此該交叉變輪距底盤(pán)可以完成車(chē)輛的機(jī)械式前輪轉(zhuǎn)向。

3 交叉變輪距底盤(pán)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

汽車(chē)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向根據(jù)提供動(dòng)力的方式不同分為：液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[6]。采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不但可以自由設(shè)計(jì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向的力傳遞特性，而且可以設(shè)計(jì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向的角傳遞特性，可以更好地實(shí)現(xiàn)文中所設(shè)計(jì)的交叉變輪距底盤(pán)的變輪距和轉(zhuǎn)向功能，因此選用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

3.1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤(pán)總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和主控制器(ECU)3個(gè)主要部分以及自動(dòng)方鼓掌系統(tǒng)、電源等輔助系統(tǒng)組成[7-8](如圖5所示)。

車(chē)輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，傳感器將檢測(cè)到的駕駛員轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳遞給主控制器(ECU)，主控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)置的程序，將相應(yīng)的轉(zhuǎn)向信息以電信號(hào)的形式傳遞給轉(zhuǎn)向電機(jī)，轉(zhuǎn)向電機(jī)控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)；車(chē)輪的轉(zhuǎn)向信息通過(guò)轉(zhuǎn)角傳感器反饋給主控制器，經(jīng)主控制器處理后將信號(hào)傳遞給轉(zhuǎn)向信息電機(jī)，以使駕駛員獲得路感。

3.2 交叉變輪距底盤(pán)轉(zhuǎn)向和變輪距功能的實(shí)現(xiàn)

此設(shè)計(jì)保留轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械部分，車(chē)輛轉(zhuǎn)向時(shí)，不依靠機(jī)械連接，而是依靠電子控制器(ECU)進(jìn)行控制，根據(jù)路況和方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)力度、轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度進(jìn)行綜合計(jì)算，從而指揮轉(zhuǎn)向電機(jī)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向[9-10]。選用3個(gè)并聯(lián)的ECU負(fù)責(zé)不同的控制，一個(gè)負(fù)責(zé)控制同一車(chē)橋上的左前輪和右后輪，一個(gè)負(fù)責(zé)另一個(gè)車(chē)橋上的右前輪和左后輪，還有一個(gè)負(fù)責(zé)控制方向盤(pán)，3個(gè)ECU還同時(shí)負(fù)責(zé)彼此監(jiān)視其他2個(gè)的工作情況，當(dāng)任意一個(gè)ECU被檢測(cè)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，車(chē)輛的備用模式立即通過(guò)一個(gè)離合器被激活，恢復(fù)到機(jī)械式轉(zhuǎn)向模式。這樣，在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效或有錯(cuò)誤時(shí)，依然可以依靠機(jī)械連接來(lái)維持噴藥機(jī)的穩(wěn)定行駛和實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)的轉(zhuǎn)向功能，防止噴藥機(jī)失控。

4 結(jié)論

文中所述交叉變輪距底盤(pán)的設(shè)計(jì)，通過(guò)基于阿克曼梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向單元實(shí)現(xiàn)了交叉變輪距車(chē)輛的機(jī)械式轉(zhuǎn)向。在此基礎(chǔ)上加入了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛的線控轉(zhuǎn)向，并通過(guò)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)每個(gè)車(chē)輪單獨(dú)控制，解決了車(chē)輛輪距無(wú)級(jí)可調(diào)的問(wèn)題。采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使車(chē)輪的轉(zhuǎn)向更加靈活，汽車(chē)的轉(zhuǎn)向更加精確，同時(shí)保留了原結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向輪的機(jī)械連接，為車(chē)輛的轉(zhuǎn)向和穩(wěn)定行駛提供了保障。

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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(guó)家自然科學(xué)基金(51075220)

李雪萊(1988—)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)與裝備。E-mail：xlli2015@163.com。

孟廣耀， E-mail：gymeng1963@163.com。