四轮车辆转向系统设计

高　俊

（上海市七宝中学，上海　201101）



四轮车辆转向系统设计

高俊

（上海市七宝中学，上海201101）

摘要：为了提高车辆的平顺性和操纵的稳定性，以减轻振动对乘坐舒适性的影响，本文建立了四轮转向车辆实体模型，并利用动力学基本理论和方法，对模型的动力学性能进行研究，从而得到真正意义上的车辆转弯半径近似为零的转向工作模式。利用实体模型仿真实验，得到了仿真实验中难以得到的数据，提出了双联平衡转向结构及其转向策略的整体设计方案。

关键词：四轮车辆；四轮转向；双联平衡结构

现有的车辆转向系统大多是后轮驱动、前轮转向，但单独一对转向轮的转动范围有限，限制了车辆的运动灵活性。四轮转向技术首次出现于20世纪80年代的日本，20世纪90年代美国的军用车辆和工程车辆上采用一种前、后轮逆相位偏转的简单机械式4WS系统，以适应恶劣的路况，改善汽车低速转向时的机动性能，因在海湾战争中的表现，掀起了高机动性车辆研制的浪潮。四轮转向系统（Four-Wheel Steering-4WS）是指汽车4个车轮根据前轮或行车速度等信号同时相对车身偏转的转向系统。四轮转向系统的控制问题国内外都有丰富的研究成果。SANO S［1］等人探讨了整车转向角与四车轮转向角间的关系；L.Caracciolo［2］等人提出了反向四轮系统的轨迹跟踪模型；袁凯［3］等人分析了四轮系统行驶时的稳定性条件。

本文采用缩小仿真实物模型，相比于模拟仿真既能够方便地进行调试，又能够准确地反映出实车驾驶时可能遇到的问题。通过双联平衡转向结构改善车辆参数，实现了车轮的大范围转向，得到丰富的车辆转向工作模式并实现了车辆侧偏角近似为0的转弯模式，解决了不同行进空间对车辆驾驶的影响。

1　四轮转向系统优势

对于四轮转向系统，除了前轮转向外，后轮也有转向运动。如图1所示，假设前轮的转向角为δ1，车身前后轴距长为l，在双轮转向系统中，汽车的转弯半径为l/sinδ1；而在四轮转向系统中，前后轮同时转向，假设后轮转向角为δ2，则四轮转向系统的转弯半径为lcosδ1/sin(δ1+δ2)。相比于双轮转向系统，四轮转向系统的转弯半径更小，质心的侧偏角也更小。

根据研究，取k=δ2/δ1，其中δ1、δ2分别为前后轮偏转角，并选取合适的车身参数能使稳态时质心侧偏角保持为0［4］。对于图1所示的理想情况，当δ1、δ2相同时，质心侧偏角最小。

图1　双轮转向与四轮转向系统比较

2　四轮差速转向系统

四轮差速转向系统数学模型主要包括运动学模型与动力学模型两部分

2.1四轮差速转向系统运动学模型

实际运行中当车辆转向行驶时，每个驱动轮相对于地面固定坐标系不仅有周向滚动和周向滑动，而且还存在轴向的滑动，其运动分析示意图如图2所示。

图2　四轮转向系统完整运动学模型

图3　理想四轮转向系统运动学模型

在驱动轮与地面之间只存在滚动而没有滑动的理想情况下，可以得到如图3所示的四轮驱动车运动分析示意图。其中为四轮驱动车左侧驱动轮速度。为四轮驱动车右侧驱动轮速度。p为四轮驱动车中心点为四轮驱动车的速度，四轮驱动车的角速度为。C为四轮驱动车的速度瞬心，CX´Y´为以速度瞬心为原点的坐标系。分别为a点、b点、p点相对于速度瞬心C的矢量半径。OXY为固定坐标系。根据速度瞬心定理，则可以得到如下速度关系：

方向由右手规则确定，其中，l为a、b两点之间的距离。

2.2四轮差速转向系统动力学模型

在运动学模型的基础上，可以建立四轮驱动车差速转动时动力学模型。求解四轮受力时达朗伯－拉格朗日方程，能够得出在无滑动理想情况下电机转动情况对车辆转向速度的影响。

图4　差速时四轮转向系统动力学模型

如图4所示，可以得到四轮转向车的达朗伯－拉格朗日方程为：

因此，可以得到四轮转向车在以瞬时速度瞬心为原点的坐标系CX´Y´中的动力学微分方程为：

3　模型与驾驶模式设计

3.1机械结构设计

本文设计的四轮转向模型的车体按照汽车比例缩小制造，具有通用汽车外观。车体内部被分为后双联平衡结构，以正科46U118i电机驱动实现转向。双联平衡转向结构如图5、6所示。转向系统传动机构安装在车架上，通过转向系统执行机构的最后一节齿轮，转向传动机构的主轴将转向扭矩传递到转向系统执行机构的车轮上，从而实现车轮的转向。

图 5　转向系统执行机构

图 6　转向传动机构

后轮运用滑移转向（skid-steering）原理，通过改变两侧车轮速度来实现不同半径的转向，从而达到滑移转向结构的高效性和转向半径小。

3.2驾驶模式设计

由于采用如图5、6所示的转向机构，齿轮组可以360°旋转，从而可带动车轮360°旋转，考虑对称性，可以限定车轮只在-90°～+90°转动，但依然极大地提高了整车灵活性。在此测试了系统的4类工作模式：差速模式，两轮转向模式，逆相转弯模式，同相转弯模式。4类工作模式中车轮转向简图如图7所示。

差速转向及两轮转向模式在大范围弯道表现良好；逆相转弯模式则适合小半径转弯；同相转弯模式实际驾驶轨迹为与车身成固定角度的直线，为车辆在狭小通道中进行变道超车提供了可能。另外，由于车轮转向范围是-90°～+90°，极限情况下，车辆转弯半径将与车长相同，车辆侧偏角近似为0，车辆实现近似平移转向，如图8所示。

图7　四类转向模式

图8　一般逆相转弯模式与极限情况对比

4　结论

本文通过对现有车辆转向系统的研究，提出了新型转向系统。不仅实现了丰富的转向工作模式，还能实现近似零侧偏角转向。与传统运动学模型的转向相比，可减少在转弯空间上的占用需求，使车辆在狭小空间中的转向驾驶操作变得可能，具有十分高的应用价值。

参考文献：

［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］袁凯.四轮独立转向汽车高速时操纵稳定性的研究［J］.有色设备，2003，23（1）：36-38.

［4］余志生.汽车理论（第三版）［M］.北京：机械工业出版社，2000.

中图分类号：U463.4

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2016）01-0095-03

收稿日期：2016-01-08

作者简介：高俊（1972-），研究生，工程师，研究方向：机器人机构设计，机器人控制策略研究，相关机构动力学研究、汽车动力学研究。

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