高　俊

（上海市七寶中學(xué)，上海　201101）

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四輪車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

高俊

（上海市七寶中學(xué)，上海201101）

摘要：為了提高車輛的平順性和操縱的穩(wěn)定性，以減輕振動對乘坐舒適性的影響，本文建立了四輪轉(zhuǎn)向車輛實體模型，并利用動力學(xué)基本理論和方法，對模型的動力學(xué)性能進行研究，從而得到真正意義上的車輛轉(zhuǎn)彎半徑近似為零的轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，提出了雙聯(lián)平衡轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)向策略的整體設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：四輪車輛；四輪轉(zhuǎn)向；雙聯(lián)平衡結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大多是后輪驅(qū)動、前輪轉(zhuǎn)向，但單獨一對轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動范圍有限，限制了車輛的運動靈活性。四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)首次出現(xiàn)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(zhuǎn)的簡單機械式4WS系統(tǒng)，以適應(yīng)惡劣的路況，改善汽車低速轉(zhuǎn)向時的機動性能，因在海灣戰(zhàn)爭中的表現(xiàn)，掀起了高機動性車輛研制的浪潮。四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Four-Wheel Steering-4WS）是指汽車4個車輪根據(jù)前輪或行車速度等信號同時相對車身偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制問題國內(nèi)外都有豐富的研究成果。SANO S［1］等人探討了整車轉(zhuǎn)向角與四車輪轉(zhuǎn)向角間的關(guān)系；L.Caracciolo［2］等人提出了反向四輪系統(tǒng)的軌跡跟蹤模型；袁凱［3］等人分析了四輪系統(tǒng)行駛時的穩(wěn)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(diào)試，又能夠準(zhǔn)確地反映出實車駕駛時可能遇到的問題。通過雙聯(lián)平衡轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)改善車輛參數(shù)，實現(xiàn)了車輪的大范圍轉(zhuǎn)向，得到豐富的車輛轉(zhuǎn)向工作模式并實現(xiàn)了車輛側(cè)偏角近似為0的轉(zhuǎn)彎模式，解決了不同行進空間對車輛駕駛的影響。

1　四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)勢

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

根據(jù)研究，取k=δ2/δ1，其中δ1、δ2分別為前后輪偏轉(zhuǎn)角，并選取合適的車身參數(shù)能使穩(wěn)態(tài)時質(zhì)心側(cè)偏角保持為0［4］。對于圖1所示的理想情況，當(dāng)δ1、δ2相同時，質(zhì)心側(cè)偏角最小。

圖1　雙輪轉(zhuǎn)向與四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)比較

2　四輪差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

四輪差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型主要包括運動學(xué)模型與動力學(xué)模型兩部分

2.1四輪差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運動學(xué)模型

實際運行中當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向行駛時，每個驅(qū)動輪相對于地面固定坐標(biāo)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(zhuǎn)向系統(tǒng)完整運動學(xué)模型

圖3　理想四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運動學(xué)模型

在驅(qū)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(qū)動車運動分析示意圖。其中為四輪驅(qū)動車左側(cè)驅(qū)動輪速度。為四輪驅(qū)動車右側(cè)驅(qū)動輪速度。p為四輪驅(qū)動車中心點為四輪驅(qū)動車的速度，四輪驅(qū)動車的角速度為。C為四輪驅(qū)動車的速度瞬心，CX′Y′為以速度瞬心為原點的坐標(biāo)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(biāo)系。根據(jù)速度瞬心定理，則可以得到如下速度關(guān)系：

方向由右手規(guī)則確定，其中，l為a、b兩點之間的距離。

2.2四輪差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型

在運動學(xué)模型的基礎(chǔ)上，可以建立四輪驅(qū)動車差速轉(zhuǎn)動時動力學(xué)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(zhuǎn)動情況對車輛轉(zhuǎn)向速度的影響。

圖4　差速時四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型

如圖4所示，可以得到四輪轉(zhuǎn)向車的達朗伯－拉格朗日方程為：

因此，可以得到四輪轉(zhuǎn)向車在以瞬時速度瞬心為原點的坐標(biāo)系CX′Y′中的動力學(xué)微分方程為：

3　模型與駕駛模式設(shè)計

3.1機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的四輪轉(zhuǎn)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(nèi)部被分為后雙聯(lián)平衡結(jié)構(gòu)，以正科46U118i電機驅(qū)動實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。雙聯(lián)平衡轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)如圖5、6所示。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動機構(gòu)安裝在車架上，通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的最后一節(jié)齒輪，轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的主軸將轉(zhuǎn)向扭矩傳遞到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的車輪上，從而實現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)向。

圖 5　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)

圖 6　轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)

后輪運用滑移轉(zhuǎn)向（skid-steering）原理，通過改變兩側(cè)車輪速度來實現(xiàn)不同半徑的轉(zhuǎn)向，從而達到滑移轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的高效性和轉(zhuǎn)向半徑小。

3.2駕駛模式設(shè)計

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

差速轉(zhuǎn)向及兩輪轉(zhuǎn)向模式在大范圍彎道表現(xiàn)良好；逆相轉(zhuǎn)彎模式則適合小半徑轉(zhuǎn)彎；同相轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向范圍是-90°～+90°，極限情況下，車輛轉(zhuǎn)彎半徑將與車長相同，車輛側(cè)偏角近似為0，車輛實現(xiàn)近似平移轉(zhuǎn)向，如圖8所示。

圖7　四類轉(zhuǎn)向模式

圖8　一般逆相轉(zhuǎn)彎模式與極限情況對比

4　結(jié)論

本文通過對現(xiàn)有車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究，提出了新型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。不僅實現(xiàn)了豐富的轉(zhuǎn)向工作模式，還能實現(xiàn)近似零側(cè)偏角轉(zhuǎn)向。與傳統(tǒng)運動學(xué)模型的轉(zhuǎn)向相比，可減少在轉(zhuǎn)彎空間上的占用需求，使車輛在狹小空間中的轉(zhuǎn)向駕駛操作變得可能，具有十分高的應(yīng)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(zhuǎn)向汽車高速時操縱穩(wěn)定性的研究［J］.有色設(shè)備，2003，23（1）：36-38.

［4］余志生.汽車理論（第三版）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

中圖分類號：U463.4

文獻標(biāo)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?。?972-），研究生，工程師，研究方向：機器人機構(gòu)設(shè)計，機器人控制策略研究，相關(guān)機構(gòu)動力學(xué)研究、汽車動力學(xué)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