徐曉美陳寧H.P.Lee（1.南京林業(yè)大學(xué)，南京 10037；.新加坡國(guó)立大學(xué)，新加坡 117575）

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后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)用研究綜述*

徐曉美1，2陳寧1H.P.Lee2
（1.南京林業(yè)大學(xué)，南京 210037；2.新加坡國(guó)立大學(xué)，新加坡 117575）

【摘要】在闡述后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)原理與實(shí)現(xiàn)方式的基礎(chǔ)上，從懸架襯套研究、后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向車輛的橫向穩(wěn)定性研究以及后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)在大型車輛上的應(yīng)用研究3個(gè)方面，系統(tǒng)地分析了隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究現(xiàn)狀及存在的不足，指出了目前應(yīng)用于懸架系統(tǒng)的橡膠襯套與液壓襯套研究中尚需進(jìn)一步考慮的問(wèn)題，以及結(jié)合磁流變液或磁流變彈性體等智能材料襯套開(kāi)展車輛智能化時(shí)后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向的研究方向。

主題詞：后輪轉(zhuǎn)向隨動(dòng)轉(zhuǎn)向懸架襯套橫向穩(wěn)定性智能材料

1　前言

早在20世紀(jì)70年代，人們就開(kāi)始關(guān)注懸架系統(tǒng)的“Compliance”對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性的影響［1］?！癈ompliance”是由于外力作用而引起的物體變形，如彈簧、穩(wěn)定桿、襯套等的受力變形，其被國(guó)內(nèi)學(xué)者譯作“順從性”，簡(jiǎn)稱C特性。近年來(lái)，隨著人們對(duì)汽車乘坐舒適性要求的提高，彈性襯套被廣泛應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)中，由襯套彈性所引起的懸架C特性對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性的影響也受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。

后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)是一種無(wú)需轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的被動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)，它利用車輛彎道行駛時(shí)車輪受到的側(cè)向力和后懸架的側(cè)向彈性實(shí)現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)向［2］。后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)的實(shí)質(zhì)是對(duì)懸架C特性的合理利用。通過(guò)合理匹配后懸架結(jié)構(gòu)和布置方式，在中、高速工況使兩軸車輛的后輪相對(duì)前輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而減小車輛的質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度，提高車輛的操縱穩(wěn)定性。

目前，后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)已在多數(shù)轎車上得到了應(yīng)用［3～6］，隨著磁流變液與磁流變彈性體等智能材料的出現(xiàn)，該技術(shù)存在向客車、貨車、拖掛車等領(lǐng)域推廣應(yīng)用的可能。因此，剖析后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題、探討其結(jié)合智能材料技術(shù)在車輛上的新型應(yīng)用，對(duì)低成本、高可靠性地實(shí)現(xiàn)車輛四輪轉(zhuǎn)向和多軸轉(zhuǎn)向的半主動(dòng)控制以及提高車輛的操縱穩(wěn)定性和軌跡追蹤性具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。論文基于后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)的原理及實(shí)現(xiàn)方式，綜述其應(yīng)用研究現(xiàn)狀，分析當(dāng)前應(yīng)用研究中尚需進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題，并結(jié)合智能材料的研究指出后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)的應(yīng)用研究方向。

2　技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)方式

后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)最早應(yīng)用于轎車的扭力梁式懸架［3～5］。對(duì)于扭力梁式懸架，通過(guò)在車輛后軸與車身間巧妙設(shè)置橡膠墊塊來(lái)實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)轉(zhuǎn)向，如富康系列轎車、愛(ài)麗舍系列轎車、桑塔納一、二代轎車、德國(guó)大眾公司的Golf IV、Bora和Audi A3等車型皆通過(guò)此方式實(shí)現(xiàn)后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向。這些實(shí)現(xiàn)方式的共同點(diǎn)在于：連接車軸與車身的前橡膠墊塊相對(duì)于后軸傾斜布置，其各向彈性不同，由此使后軸相對(duì)車身的轉(zhuǎn)動(dòng)中心后移，從而在車輪所受側(cè)向力作用下產(chǎn)生隨動(dòng)轉(zhuǎn)向效應(yīng)。圖1為文獻(xiàn)［3］所述富康轎車后軸管架上橡膠墊塊的布置示意圖，前橡膠墊塊1、2與后軸軸套成45°布置。假設(shè)汽車向左轉(zhuǎn)彎，車輪所受側(cè)向力Fy也指向左方。由于前橡膠墊塊的A-A方向有彈性，B-B方向?yàn)閯傂?，因此它們只能在A-A方向運(yùn)動(dòng)，其瞬時(shí)速度中心交于O點(diǎn)。O點(diǎn)位于車輪后端，與車輪所受側(cè)向力作用點(diǎn)有一偏距e，故而整個(gè)后軸在側(cè)向力Fy作用下將逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，即后輪與前輪同向偏轉(zhuǎn)，這使得車輛的不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)增強(qiáng)。

圖1　橡膠墊塊布置示意

對(duì)于雙橫臂式懸架，其后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向是通過(guò)A字型控制臂與車身相連處前、后端橡膠襯套的剛度差異實(shí)現(xiàn)的。

多連桿式懸架源于雙橫臂式懸架，其通過(guò)布置在空間的3～5根連桿連接車輪托架與車身，連桿內(nèi)、外端都采用球鉸或橡膠襯套圓柱鉸連接，因此其一般利用橡膠襯套的彈性變形及相關(guān)桿件的合理布置來(lái)實(shí)現(xiàn)后輪的隨動(dòng)轉(zhuǎn)向［6～9］。

圖2為文獻(xiàn)［6］所述某型車輛的五連桿后懸架后軸隨動(dòng)轉(zhuǎn)向原理圖。左、右下縱拉桿EF、GH平行于汽車縱軸前進(jìn)方向；斜置上拉桿AC與BD的交點(diǎn)即為后懸架的橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)中心O，O點(diǎn)到后軸中心線的距離為e；橫向推力桿JK位于軸后方，其J端和K端分別通過(guò)橡膠襯套與后軸和車體相連。文獻(xiàn)［6］研究表明，橫向推力桿襯套的徑向剛度很大，約為斜置上拉桿襯套徑向剛度的5倍，其在轉(zhuǎn)彎工況下承受主要的橫向力。當(dāng)車輛左轉(zhuǎn)彎時(shí)，車輪所受側(cè)向力Fy將使后軸繞O點(diǎn)向左轉(zhuǎn)動(dòng)，即后輪發(fā)生隨動(dòng)轉(zhuǎn)向。研究表明［8］：橫向推力桿的前后布置決定了后軸隨動(dòng)轉(zhuǎn)向特性；斜上拉桿的位置影響整車的后軸隨動(dòng)轉(zhuǎn)向特性。

圖2　五連桿后懸架后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向原理

從上述扭力梁式懸架、雙橫臂式懸架以及多連桿式懸架的后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)方式可以看出，盡管其實(shí)現(xiàn)方式會(huì)因后懸架形式不同而有所不同，但其技術(shù)原理是一致的：通過(guò)車軸與車身連接結(jié)構(gòu)的精心設(shè)計(jì)，使后軸相對(duì)車身的轉(zhuǎn)動(dòng)中心后移，利用彎道行駛時(shí)車輪所受的側(cè)向力，使后軸相對(duì)車身產(chǎn)生一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向。

3　研究現(xiàn)狀

對(duì)于后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，從懸架襯套的研究、隨動(dòng)轉(zhuǎn)向車輛橫向穩(wěn)定性的研究以及后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)在大型車輛上的應(yīng)用研究這3個(gè)方面進(jìn)行闡述。

3.1懸架襯套研究

隨著車輛性能的不斷提高，影響車輛操縱穩(wěn)定性、平順性等性能的重要因素越來(lái)越多地集中到懸架系統(tǒng)中。已有的研究表明［3］，懸架襯套的彈性特性對(duì)懸架系統(tǒng)性能及車輛的操縱穩(wěn)定性具有重要的影響，也是實(shí)現(xiàn)后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵。

懸架襯套傳遞著車身和懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)間的3個(gè)軸向力Fx、Fy、Fz和3個(gè)扭轉(zhuǎn)力矩Tx、Ty、Tz，如圖3所示［9］。在這些力和力矩的作用下，懸架襯套將產(chǎn)生6個(gè)方向的變形，相應(yīng)地存在6個(gè)方向的剛度。

圖3　懸架襯套的受力

當(dāng)前，汽車懸架系統(tǒng)中廣泛使用橡膠襯套?，F(xiàn)有研究文獻(xiàn)分別從橡膠襯套剛度特性對(duì)懸架性能與操縱穩(wěn)定性的影響、橡膠襯套的建模方法以及非對(duì)稱式橡膠襯套設(shè)計(jì)等角度進(jìn)行了研究。

在橡膠襯套剛度特性對(duì)懸架與操縱穩(wěn)定性的影響研究方面，文獻(xiàn)［10］從理論上闡明了懸架橡膠襯套剛度特性對(duì)整車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的影響機(jī)理，并通過(guò)仿真研究表明，調(diào)整橡膠襯套剛度可以控制車輪前束變化，從而可使整車轉(zhuǎn)向特性得以改善。文獻(xiàn)［11］研究了多連桿式懸架的下控制臂外側(cè)橡膠襯套剛度對(duì)懸架性能的影響。文獻(xiàn)［12］則研究了橡膠襯套剛度對(duì)汽車橫擺響應(yīng)的影響。文獻(xiàn)［11］和［12］的研究皆表明，橡膠襯套各個(gè)方向的剛度對(duì)懸架性能和汽車橫擺響應(yīng)的影響程度各不相同，襯套軸向剛度幾乎沒(méi)有影響，徑向剛度對(duì)二者的影響相對(duì)較大。文獻(xiàn)［13］研究了橡膠襯套剛度對(duì)懸架C特性和整車瞬態(tài)操縱穩(wěn)定性的影響，得出了不同加載工況下懸架的C特性指標(biāo)與懸架襯套剛度間的關(guān)系，同時(shí)闡述了襯套剛度對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)影響的內(nèi)在規(guī)律。文獻(xiàn)［14］則研究了橡膠的C特性對(duì)所提出的懸架彈性運(yùn)動(dòng)模型的影響。

在橡膠襯套的建模方法研究方面，文獻(xiàn)［15］研究了在ADAMS軟件中懸架橡膠襯套的建模方法以及橡膠襯套的彈性特性對(duì)懸架運(yùn)動(dòng)特性的影響。研究表明，懸架設(shè)計(jì)的優(yōu)劣以及汽車操縱穩(wěn)定性等復(fù)雜仿真研究結(jié)果的準(zhǔn)確性將越來(lái)越依賴于橡膠襯套的性能描述。文獻(xiàn)［16］建立了適用于多體動(dòng)力學(xué)分析的橡膠襯套本構(gòu)關(guān)系模型。文獻(xiàn)［17］則基于柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)思想，提出了一種考慮襯套在不同方向剛度耦合的新柔性體橡膠襯套模型。

為獲得理想的懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，非對(duì)稱式橡膠襯套被引入到懸架系統(tǒng)中。文獻(xiàn)［18］仿真研究了橡膠襯套的材料屬性及安裝方向?qū)壹軓椥赃\(yùn)動(dòng)性能的影響。文獻(xiàn)［19］研究了一種在軸向和對(duì)稱徑向存在彈性耦合特性的非對(duì)稱式橡膠襯套。研究結(jié)果表明，非對(duì)稱式橡膠襯套能夠使車輛在中高速時(shí)產(chǎn)生隨動(dòng)轉(zhuǎn)向，提高汽車的操縱穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［20］則通過(guò)優(yōu)化后軸橡膠襯套在各個(gè)方向的剛度和襯套安裝角度來(lái)改善車輛的不足轉(zhuǎn)向特性。

由于液壓襯套能同時(shí)抑制低頻抖動(dòng)和高頻振動(dòng)，這是傳統(tǒng)橡膠襯套無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此，近年來(lái)液壓襯套被逐漸引入到懸架系統(tǒng)中。但因液壓襯套中存在液體與結(jié)構(gòu)的耦合作用，其動(dòng)態(tài)特性具有較明顯的非線性特性，因此現(xiàn)有對(duì)液壓襯套的研究多數(shù)是針對(duì)其動(dòng)態(tài)特性展開(kāi)的［21～23］。文獻(xiàn)［21］在AMESim軟件中建立了液壓襯套的液固耦合模型，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性，并基于此模型研究了液壓襯套相關(guān)參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響。文獻(xiàn)［22］提出了一種基于有限元和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法，預(yù)測(cè)了液壓襯套的動(dòng)態(tài)剛度。文獻(xiàn)［23］則研究了一種關(guān)注內(nèi)部液流通道特性的液壓襯套的非線性動(dòng)力學(xué)特性?？傊?，關(guān)于液壓襯套的研究目前還有許多不完善之處，有關(guān)液壓襯套對(duì)懸架性能及操縱穩(wěn)定性影響的研究文獻(xiàn)尚不多見(jiàn)。

隨著智能材料的出現(xiàn)，懸架襯套開(kāi)始向智能化方向發(fā)展。智能懸架襯套能根據(jù)襯套使用工況主動(dòng)地調(diào)節(jié)懸架襯套各個(gè)方向的剛度，從而改變懸架機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和車輛的橫向穩(wěn)定性。磁流變智能襯套被譽(yù)為“下一代汽車懸架襯套”［24］。雖然磁流變減振器在半主動(dòng)振動(dòng)控制領(lǐng)域已取得了很大的應(yīng)用研究進(jìn)展，磁流變彈性體的研究也日益豐富，但是關(guān)于磁流變智能襯套的研究尚處于起步和試驗(yàn)研究階段。

磁流變智能襯套通過(guò)改變外加勵(lì)磁電流來(lái)改變勵(lì)磁磁場(chǎng)，從而改變襯套的剛度或阻尼。文獻(xiàn)［24］提出了一種剛度、阻尼皆可調(diào)的磁流變液襯套，并對(duì)其動(dòng)態(tài)剛度特性和阻尼特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，該襯套具有良好的剛度、阻尼和頻率調(diào)節(jié)特性。文獻(xiàn)［25］研究了一種可用于懸架系統(tǒng)的磁流變彈性體襯套，其剖面如圖4所示。該襯套的內(nèi)套管凹槽內(nèi)繞有勵(lì)磁線圈，內(nèi)、外套管由低碳鋼制成以減小磁阻，磁流變彈性體位于內(nèi)、外套管間，在V向相對(duì)兩側(cè)各挖去一部分彈性體以使襯套徑向剛度、阻尼不對(duì)稱。研究表明，該磁流變彈性體襯套的徑向剛度和阻尼都比其軸向值大得多，且均隨勵(lì)磁電流的增加而線性增加。由于V向彈性體被挖去一部分，其V向剛度和阻尼皆小于NV向。文獻(xiàn)［26］、文獻(xiàn)［27］則對(duì)磁流變液在變排量發(fā)動(dòng)機(jī)懸置方面的應(yīng)用作了較系統(tǒng)的研究。目前，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置多為橡膠懸置，而變排量發(fā)動(dòng)機(jī)在某缸或某幾缸突然停止工作時(shí)，除了改變發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的幅值和模態(tài)，還將引起高的瞬態(tài)扭轉(zhuǎn)載荷，為此需對(duì)其懸置進(jìn)行剛度可控設(shè)計(jì)。理論研究表明，磁流變液懸置能滿足其對(duì)懸置剛度可控的隔振要求。

圖4　磁流變彈性體襯套剖面［25］

綜上可見(jiàn)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)懸架襯套的研究?jī)?nèi)容日趨豐富，已不局限于單一討論其剛度特性對(duì)汽車懸架性能或操縱穩(wěn)定性的影響。在理論分析與仿真研究中，懸架各桿件間的連接以及其與車輪或車身間的連接已不再被看作剛性連接，橡膠襯套的非線性特性已被引入到各種研究中。但不論磁流變液襯套還是磁流變彈性體襯套，其相關(guān)技術(shù)目前還都處于理論與樣品試驗(yàn)研究階段。

3.2橫向穩(wěn)定性研究

前已述及，后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向的目的是使車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)總是處于不足轉(zhuǎn)向狀態(tài)，從而改善車輛的操縱穩(wěn)定性。但隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角是否越大越有利于提高車輛的橫向穩(wěn)定性，或者隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角應(yīng)該控制在什么范圍內(nèi)才能有效提高車輛的橫向穩(wěn)定性？車輛的橫向穩(wěn)定性受到哪些隨動(dòng)轉(zhuǎn)向參量的影響？如何影響？諸如此類的有關(guān)隨動(dòng)轉(zhuǎn)向車輛穩(wěn)定性問(wèn)題也已得到研究人員的關(guān)注。

文獻(xiàn)［3］、文獻(xiàn)［4］從當(dāng)量側(cè)偏角的角度討論了隨動(dòng)轉(zhuǎn)向車輛的橫向穩(wěn)定性問(wèn)題。文獻(xiàn)［3］定義當(dāng)量側(cè)偏角為車輛中心線與后軸速度方向的夾角，其在數(shù)值上等于后輪側(cè)偏角減去后軸轉(zhuǎn)向角（即隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角）。文獻(xiàn)［3］認(rèn)為后輪當(dāng)量側(cè)偏角越小，車輛的不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)越明顯，但當(dāng)后輪當(dāng)量側(cè)偏角過(guò)小以至改變符號(hào)時(shí)將造成車輛橫向不穩(wěn)定?？梢?jiàn)，并非隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角越大越有利于提高車輛的橫向穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)［28］引入隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系數(shù)Rcs的概念來(lái)分析車輛的穩(wěn)定性。隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系數(shù)Rcs為：

式中，Cr為兩后輪側(cè)偏剛度之和；dcs為后輪輪心到后軸擺動(dòng)中心的距離；Kcs為隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角剛度。

分析指出，隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系數(shù)Rcs小于1的車輛未必穩(wěn)定。如圖5所示：在低速區(qū)，隨動(dòng)轉(zhuǎn)向環(huán)節(jié)的阻尼比ζcs對(duì)隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系數(shù)Rcs的穩(wěn)定界限起著決定性作用；而在高速區(qū)，隨動(dòng)轉(zhuǎn)向環(huán)節(jié)的阻尼比ζcs對(duì)隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系數(shù)Rcs穩(wěn)定界限的影響要小得多。由于隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阻尼一般較小，故而為確保車輛系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度，隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系數(shù)Rcs應(yīng)取為0.15～0.2。

文獻(xiàn)［29］通過(guò)建立后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分?jǐn)?shù)階微分動(dòng)力學(xué)方程，仿真研究了隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角剛度對(duì)后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角和整車橫擺角速度的影響。研究結(jié)果表明，若后輪與前輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角剛度處于某一范圍時(shí)，車輛的橫向穩(wěn)定性將得到有效改善。隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角剛度過(guò)大將導(dǎo)致隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角過(guò)小，對(duì)改善車輛橫向穩(wěn)定性的效果甚微；隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角剛度過(guò)小將導(dǎo)致隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)響應(yīng)變慢。后輪與前輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，若隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角剛度過(guò)小，隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將產(chǎn)生自激振動(dòng)，并引起后輪擺振，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致車輛失穩(wěn)。

圖5　隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系數(shù)的穩(wěn)定界限

可見(jiàn)，隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角剛度以及在低速區(qū)的隨動(dòng)轉(zhuǎn)向環(huán)節(jié)阻尼比對(duì)隨動(dòng)轉(zhuǎn)向車輛的橫向穩(wěn)定性影響較大。但由于目前懸架襯套主要使用阻尼較小、剛度不可調(diào)的橡膠襯套，為確保車輛的行駛穩(wěn)定性，隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角剛度的可變范圍較窄，其值一般不低于后輪的側(cè)偏剛度。后輪的隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角一般不超過(guò)5°，它類似于四輪轉(zhuǎn)向車輛在高速行駛時(shí)，后輪相對(duì)前輪同向轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

3.3在大型車輛上的應(yīng)用研究

目前隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)在大型車輛上的應(yīng)用研究尚不多見(jiàn)。包括拖掛車輛在內(nèi)的大型車輛在道路行駛中面臨的主要問(wèn)題是高速行駛穩(wěn)定性較差、低速行駛軌跡跟蹤性不佳。針對(duì)此類問(wèn)題，研究人員一直嘗試從多軸轉(zhuǎn)向的角度加以解決。最初的解決方案是使車輛中、后軸或掛車車軸被動(dòng)轉(zhuǎn)向［30，31］。Aurell與Edlund研究了被動(dòng)轉(zhuǎn)向軸位置對(duì)拖掛車行駛穩(wěn)定性的影響［30］。Jujnovich 與Cebon比較了各種掛車被動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能［34］。研究發(fā)現(xiàn)［31］，被動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能有效改善低速行駛時(shí)車輛的軌跡跟蹤性，但卻無(wú)法提高車輛高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性。

將隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)用于大型車輛的初衷是效仿轎車的后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向，以提高車輛高速行駛穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［32］在2軸公共汽車上，通過(guò)改變傳統(tǒng)懸架連接點(diǎn)的位置，構(gòu)造了后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向效應(yīng)。理論計(jì)算與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果皆表明，后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)有助于提高車輛的直線行駛穩(wěn)定性。該技術(shù)后來(lái)被應(yīng)用到日野超高雙層巴士上。

從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析可知，若全拖掛車后輪產(chǎn)生與轉(zhuǎn)彎方向相反的小角度轉(zhuǎn)動(dòng)，則可提高掛車的軌跡跟蹤性，削弱掛車與牽引車之間的橫向干涉?；诖耍疚淖髡咄ㄟ^(guò)建立隨動(dòng)轉(zhuǎn)向拖掛車輛的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)方程，運(yùn)用MATLAB軟件仿真研究了掛車的軌跡追蹤性及整車的橫向穩(wěn)定性。圖6為掛車后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，F(xiàn)Y4為掛車左后輪的側(cè)偏力。圖7a為全拖掛車的運(yùn)動(dòng)軌跡，圖7b為牽引車與掛車鉸接點(diǎn)處的橫向力隨時(shí)間的變化情況，圖中1表示掛車無(wú)隨動(dòng)轉(zhuǎn)向，2表示掛車有隨動(dòng)轉(zhuǎn)向。

圖6　掛車后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖7　全拖掛車后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向仿真分析

由圖7可見(jiàn)，后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向的掛車具有更好的軌跡跟蹤性能，牽引車與掛車鉸接點(diǎn)的橫向力顯著降低，這使得車輛鉸接引起的相互干涉大幅減小。研究還表明，在中低車速（10 m/s）下，掛車后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向使全拖掛車具有更好的操縱穩(wěn)定性。

4　研究與發(fā)展趨勢(shì)

不難看出，后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)在轎車上的應(yīng)用已成為轎車懸架設(shè)計(jì)的一部分。但目前的后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向角剛度不可調(diào)，其對(duì)車輛橫向穩(wěn)定性的改善效果有限，并且當(dāng)相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化或行駛狀況復(fù)雜時(shí)，有時(shí)不但不能達(dá)到期望的優(yōu)化效果，甚至?xí)夯D(zhuǎn)向特性，導(dǎo)致車輛喪失穩(wěn)定性。

智能材料的出現(xiàn)，使得隨動(dòng)轉(zhuǎn)向角剛度的調(diào)控成為可能，也使得該技術(shù)向大型車輛推廣應(yīng)用成為可能。因此，后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)未來(lái)有望在以下幾方面得到進(jìn)一步的研究和應(yīng)用。

a.懸架橡膠襯套性能衰退問(wèn)題研究

前已述及，懸架橡膠襯套的性能對(duì)隨動(dòng)轉(zhuǎn)向效果影響較大。橡膠材料配方工藝不同，其耐磨性能和抗老化性能也不同。文獻(xiàn)［33］仿真研究了懸架系統(tǒng)中的橡膠襯套與減振器性能衰退對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性和行駛安全性的影響。研究結(jié)果表明，性能衰退的橡膠襯套對(duì)車輛的橫向穩(wěn)定性和制動(dòng)性能的影響較為明顯。因此，對(duì)于目前大量應(yīng)用于懸架系統(tǒng)中的橡膠襯套，應(yīng)重視其因老化和磨損或因極端溫度變化而引起的橡膠性能改變，并且有必要研究這種性能改變對(duì)懸架性能和車輛穩(wěn)定性的影響。

b.懸架液壓襯套對(duì)橫向穩(wěn)定性的影響研究

液壓襯套正越來(lái)越多地被應(yīng)用于汽車上，目前對(duì)其的研究主要基于減振要求展開(kāi)，研究?jī)?nèi)容側(cè)重于液壓襯套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)特性。與后懸架中的橡膠襯套一樣，后懸架系統(tǒng)中的液壓襯套，不僅會(huì)影響車輛的平順性，其對(duì)車輛的轉(zhuǎn)向特性和橫向穩(wěn)定性的影響也值得關(guān)注，而目前關(guān)于這方面的研究還不多見(jiàn)。

c.智能隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

不管是磁流變彈性體襯套，還是磁流變液襯套，目前對(duì)其的研究都集中在襯套本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能調(diào)節(jié)方面，鑒于這種智能襯套本身尚不成熟的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和較高的研制與使用成本，對(duì)其在車輛懸架系統(tǒng)中的應(yīng)用研究尚未得到開(kāi)展。但日本山形大學(xué)的研究小組于2011年研制出了一種磁流變彈性體，在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下其硬度可相差180倍，直徑35 mm，高50 mm的橡膠圓柱體，在磁場(chǎng)作用下足夠承受80 kN以上的壓力?？梢?jiàn)，磁流變彈性體襯套的技術(shù)正在不斷進(jìn)步，技術(shù)性能正在得到改善。若將剛度、阻尼皆可調(diào)的智能襯套應(yīng)用于懸架系統(tǒng)，由此構(gòu)成的智能隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角剛度和阻尼皆可調(diào)控，這將有利于車輛多種性能的提高。因此，為推動(dòng)隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)的智能化發(fā)展，在研究智能襯套自身結(jié)構(gòu)和性能的同時(shí)，需要加強(qiáng)其在懸架系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。

d.智能隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)半主動(dòng)控制策略研究

智能隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的半主動(dòng)控制策略因控制目標(biāo)不同而不同。

對(duì)于轎車，引入后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向的目的是在不降低平順性的前提下，提高車輛的操縱穩(wěn)定性。因此，轎車智能隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)應(yīng)以平順性和操縱穩(wěn)定性為主要控制目標(biāo)。

對(duì)于大型拖掛車，其道路行駛中面臨的主要問(wèn)題是高速行駛穩(wěn)定性較差、低速行駛軌跡跟蹤性不佳，對(duì)于此類問(wèn)題，目前主要是通過(guò)多軸主動(dòng)轉(zhuǎn)向來(lái)解決的［34］。主動(dòng)轉(zhuǎn)向效果誠(chéng)然比較理想，但隨著拖掛車輛向多軸化方向發(fā)展，其控制策略勢(shì)必變得越來(lái)越復(fù)雜，控制系統(tǒng)的可靠性、技術(shù)成本等問(wèn)題都會(huì)接踵而至。而智能隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)為這些大型拖掛車輛低成本、高可靠性地實(shí)現(xiàn)多軸轉(zhuǎn)向提供了可能。因此，多軸拖掛車的智能隨動(dòng)轉(zhuǎn)向應(yīng)以車輛高速行駛的穩(wěn)定性和低速行駛的軌跡追蹤性為控制目標(biāo)，綜合設(shè)計(jì)隨動(dòng)轉(zhuǎn)向的半主動(dòng)控制策略。

對(duì)于3軸車輛，其隨動(dòng)橋一般都采用液控或電控主動(dòng)轉(zhuǎn)向，或借助于主銷后傾或主銷相對(duì)于車軸向前偏置等方式實(shí)現(xiàn)被動(dòng)轉(zhuǎn)向，目的是減小隨動(dòng)橋車輪的非正常磨損。因此，應(yīng)用于其上的智能隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)以低速行駛的軌跡追蹤性為主要控制目標(biāo)，并兼顧高速行駛的穩(wěn)定性。

總之，智能材料的出現(xiàn)使得后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)正在向智能化方向發(fā)展。與橡膠襯套和液壓襯套相比，雖然目前磁流變智能襯套在技術(shù)和成本上還不具優(yōu)勢(shì)，但其剛度、阻尼皆可調(diào)的特性決定了其未來(lái)在隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用趨勢(shì)。

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（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年1月6日。

中圖分類號(hào)：U463.42

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3703（2016）07-0001-06

*基金項(xiàng)目：江蘇省博士后基金項(xiàng)目（1402084C）；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20130977）。

A Review on the Applied Research of Rear Wheel Compliance Steering

Xu Xiaomei1，2，Chen Ning1，H.P.Lee2
（1.Nanjing Forestry University，Nanjing 210037；2.National University of Singapore，Singapore 117575）

【Abstract】Firstly，the principle and implementations of rear wheel compliance steering technology（RWCST）are introduced.Then research status as well as shortcomings of RWCST are analyzed systematically from three aspects，i.e.，suspension bushing，lateral stability of the vehicles with RWCST，and the application of RWCST in large sized vehicles. Finally，the issues to be further considered in the application research of rubber bushing and hydraulic bushing in suspension system are summed up，and the research trend of bushing made of smart materials，which combine magnetorheological fluids or magnetorheological elastomers，in the rear wheel appliance steering for intelligent vehicles are also identified.

Key words:Rear wheel steering，Compliance steering，Suspension bushing，Lateral stability，Smart material