【畢業(yè)設計】微型轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計
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大學畢業(yè)設計說明書
目錄
設計任務書……………………………………………………………………… 3
設計評語………………………………………………………………………… 6
摘要……………………………………………………………………………… 7
第一章．緒論…………………………………………………………………… 8
1.1 汽車發(fā)展史概括………………………………………………… 8
1.2 中國轎車工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀………………………………………… 8
1.3 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計技術(shù)發(fā)展概括……………………………… 9
1.4 微型轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其與整車的關(guān)系………………………… 9
第二章．轉(zhuǎn)向系技術(shù)的最新發(fā)展……………………………………………… 10
2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)………………………………………… 10
2.2 轎車的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)…………………………………………… 17
第三章．微型轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成…………………………………………… 25
3.1 轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)…………………………………………………… 25
3.2 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)…………………………………………………… 25
3.3 轉(zhuǎn)向器…………………………………………………………… 25
第四章．微型轎車轉(zhuǎn)向系的特點及要求……………………………………… 26
4.1 微型汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點……………………………………… 26
4.2 微型汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求………………………………………… 26
第五章．轉(zhuǎn)向系的主要性能參數(shù)……………………………………………… 27
5.1 轉(zhuǎn)角及最小轉(zhuǎn)彎半徑…………………………………………… 27
5.2 轉(zhuǎn)向系的效率…………………………………………………… 28
5.3 轉(zhuǎn)向系的角傳動比……………………………………………… 29
5.4 轉(zhuǎn)向系的力傳動比……………………………………………… 31
5.5 轉(zhuǎn)向系的傳動間隙特性………………………………………… 34
5.6 轉(zhuǎn)向系的剛度…………………………………………………… 35
5.7 轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(shù)…………………………………………… 35
第六章．轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)型式選擇及其計算…………………………………… 36
6.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器小齒輪計算………………………………… 37
6.2 齒條計算………………………………………………………… 37
6.3 轉(zhuǎn)向器殼體……………………………………………………… 38
6.4 齒輪的強度校核………………………………………………… 39
6.5 齒條強度校核…………………………………………………… 41
第七章．轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的設計………………………………………………… 42
7.1 轉(zhuǎn)向節(jié)臂的設計………………………………………………… 43
7.2 轉(zhuǎn)向橫拉桿……………………………………………………… 44
7.3 球頭銷計算……………………………………………………… 46
第八章．轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)的設計………………………………………………… 49
8.1 轉(zhuǎn)向盤…………………………………………………………… 49
8.2 轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向管柱的結(jié)構(gòu)設計………………………………… 49
第九章．轉(zhuǎn)向減振器的設計…………………………………………………… 52
第十章．設計總結(jié)……………………………………………………………… 53
參考文獻………………………………………………………………………… 55
附件： 外文翻譯——有關(guān)燃油添加劑……………………………………… 56
一、原文……………………………………………………………… 57
二、譯文……………………………………………………………… 61
設計任務書
一、微型轎車設計任務書
1．設計原則
（1）選用國內(nèi)大量生產(chǎn)的發(fā)動機和零部件；
（2）造型美觀，乘坐舒適，價廉實用；
（3）面對鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村廣大用戶。
2．主要技術(shù)參數(shù)
車型 7080
車身 3門兩廂式
乘員數(shù) 3-4
布置形式 發(fā)動機前置前驅(qū)
總長（mm） ≤3000
總寬（mm） ≤1400
總高（mm） ≤1450
軸距（mm） 2000
前輪距（mm） 1240
后輪距（mm） 1240
前懸（mm） 500
后懸（mm） 500
離去角 30
最小離地間隙（mm） 150
最小轉(zhuǎn)彎直徑（m） 9
最高車速（km/L） 100
最大爬坡度 20%
空車總質(zhì)量（kg） 550
滿載總質(zhì)量（kg） 800
制動距離（m） ≤6（制動初速度為30km/L）
制動跑偏（mm） ≤400
油耗（L/100kg） ≤6.5
續(xù)航里程（km） 300
加速時間（s） 25
3．主要總成
（1）發(fā)動機
發(fā)動機型號 267Q，兩缸、四行程、水冷、直列斜置式汽油機
缸徑×行程(mm×mm) 76×71
總排量(mL) 644
壓縮比 8.4
標定功率/轉(zhuǎn)速 20.6/5300
最大扭矩/轉(zhuǎn)速 47.1/2700~3000
怠速(r?min) 900
外形尺寸(mm) 830×530×430
凈重(kg) 86
(2) 傳動系
離合器 單盤、膜片彈簧、干式
變速器 常嚙合式、斜齒、全速同步
變速器速比
1檔 4.111
2擋 2.559
3檔 1.654
4檔 1.000
倒檔 4.271
半軸 半軸式,左右對稱
(3) 行駛系
前懸架 橫置式鋼板彈簧、扭力桿、雙向作用筒式減震器
后懸架 橫臂式螺旋彈簧、雙向作用筒式減震器
輪胎 4.8-10
車架 矩形與方型薄壁鋼管焊接結(jié)構(gòu)
(4) 轉(zhuǎn)向器 齒輪齒條式
(5) 制動系
制動器 鼓式四輪液壓雙向加力蹄片式
駐車器 手動機械式
(6) 車身 金屬薄板沖壓件組焊而成,三門兩排座,后座可拆裝
(7) 電器 線路電壓12V,單線制,負極搭鐵.
4.目標成本(萬元) ≤2
二、微型轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計任務書
設計任務書
交通學院汽車專業(yè)2000級畢業(yè)設計任務書
設計題目
微型轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計
學生：張芳勇
學號：200033004203055
指導老師：陳子健
聯(lián)系：13610177320，chen_jacky@21cn.com
設計基本要求
1． 微型汽車轉(zhuǎn)向系的特點、要求；
2． 轉(zhuǎn)向系技術(shù)的最新發(fā)展；
（1） 電驅(qū)動的動力轉(zhuǎn)向技術(shù)；
（2） 轎車的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)；
3． 轉(zhuǎn)向系的主要性能參數(shù)；
4． 轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)型式選擇及其計算；
5． 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)設計；
6． 制圖：兩張0號圖紙的工作量；
7． 翻譯：有關(guān)燃油添加劑（5千字以上）；
進度安排
序號
時間
安排
1
第1～7周
1．設計大會，任務分配；
2．導師指導，安排；
3．查找有關(guān)設計資料；
4．初步擬定設計方案；
2
第8～11周
1．數(shù)據(jù)選定，計算，校核；
2．畫圖；
3．指導老師初審，指導修正
3
第12～15周
論文撰寫
4
第16周
指導教師論文審核
5
第17周
教研組評審
6
第18周
答辯
設計評語
摘要
微型轎車體積小，質(zhì)量輕，軸荷小，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其主要部件由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向減震器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)組成。其中轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向萬向節(jié)；微型轎車采用獨立懸架，采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器；轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)包括橫拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂。微型轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，布置方便，操縱輕便，制造成本低，能有效地降低轎車本身質(zhì)量和生產(chǎn)成本。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計應采用現(xiàn)代汽車設計技術(shù)，力求使其性能達到工作安全可靠，環(huán)保性好等要求。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系 轉(zhuǎn)向器 減震器 橫拉桿 齒輪齒條。
Abstract
The solidity,quality and shaft onus of the subminiature saloon car are smaller，so its steering system can use the mechanical steering system.The steering system is mostly make up with the steering section,the redirector,the steering shock absorber and the drive line section.The steering section includes the steering wheel，the steering pipes，the steering shaft and the steering gimbal.the subminiature saloon car use independency suspension system,its redirector is commonly the gear-wheel-rack redirector.The drive Line section is usually include the steering linkages and the steering arms.The subminiature saloon car’s steering system ,its frame is very simple,disposal is so easy,steering is so handiness and its cost is so cheap.It can effectively reduce the saloon car’s quality and its procreative cost.The design of the steering system should use the modern auto design technique,do our best to make it can work safely and unfailingly,make it fit the environment
Key words：steering system ，redirector ，shock absorber ，steering linkages ，gear and rack.
第一章、緒論
1.1 汽車發(fā)展史概括
自第一輛汽車1886年問世至今一百多年時間內(nèi)，汽車工業(yè)從無到有，迅猛發(fā)展，產(chǎn)量大幅度增加，技術(shù)日新月異。目前全世界汽車的保有量已經(jīng)超過5億輛，年產(chǎn)量近5000萬輛，主要的汽車生產(chǎn)國家是：日本、美國、德國、法國、原蘇聯(lián)、意大利、英國等國家，其中美國和日本的汽車產(chǎn)量約占全世界汽車產(chǎn)量的50％，歐洲各國總計占30％。汽車工業(yè)突飛猛進，技術(shù)日新月異的同時，汽車類型也在不斷的細分。如今，汽車可分為：轎車、客車、貨車、牽引汽車、特種用途汽車等種類。其中，轎車又可分為：微型轎車、普通級轎車、中級轎車、中高級轎車和高級轎車5種。當今社會，完全可以由一個國家的汽車工業(yè)發(fā)展水平來衡量其經(jīng)濟發(fā)展和國民生活水平。因此，不斷提高我國的汽車設計制造水平，能大大推動我過經(jīng)濟發(fā)展，提高我國的國際地位。
1.2 中國轎車工業(yè)發(fā)展現(xiàn)況
目前，中國轎車在中國汽車工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)上，已經(jīng)開始起步并不斷發(fā)展，轎車已經(jīng)在逐步進入中國家庭，并且希望在不久的將來，將會是一種家家有轎車的狀況。但是，相對與國際轎車的設計制造水平而言，中國的轎車生產(chǎn)水平與國際最高水平還差很大一截。當前的國產(chǎn)轎車，絕大部分是中外合資或技術(shù)引進，這對于一個文化源遠流長的國家來講，顯然是不合理的現(xiàn)況。要不斷提高我國的轎車制造水平，加快腳步趕上國際水平，就需要加大力度普及全民素質(zhì)教育，政府鼓勵扶持轎車設計領(lǐng)域的人們不斷進行技術(shù)創(chuàng)新，加大投資；并需要一段較長的時間。
轎車曾經(jīng)是權(quán)利與地位的象征，如今也不例外，不同的是當今社會，轎車同時也是財富的象征，生活水平提高的一個真實寫照。所以，有這么一個情況存在，就是人人都想擁有自己的轎車，而且，隨著人類生活步調(diào)的加快，也可以說是人人都需要一部汽車。但就目前中國的經(jīng)濟發(fā)展水平而言，能買得起轎車的家庭在全國來講根本占不上比例。針對目前中國經(jīng)濟發(fā)展水平現(xiàn)狀，綜合中國國民的消費觀念，加大微型轎車的市場占有量，能更好的滿足廣大國民的消費需求，同時也能很好的刺激消費，推動中國轎車工業(yè)的進一步發(fā)展。
微型轎車體積小，整車結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)動機工作容積小，成本低，符合眾多家庭的購買能力，因而深受廣大消費者的歡迎。要使微型轎車能進駐中國的每一個家庭，能為廣大國民接受并購買，一方面要求極力降低轎車的生產(chǎn)成本，使之符合國民的購買能力；另一方面又要求微型轎車在架構(gòu)簡單，成本低廉的基礎(chǔ)上，要能達到一定的使用性能要求，因為誰也不希望自己的轎車問題百出；同時，還要考慮當今世人最關(guān)注的環(huán)保問題，即排放要符合環(huán)保要求。綜合這考慮這3個方面而設計制造出來的轎車，才稱得上是一部合格的轎車，才會被人們所接受。
1.3 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計技術(shù)發(fā)展概括
汽車設計技術(shù)的不斷研究、發(fā)展，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計技術(shù)也在不斷的創(chuàng)新，提高。從以前的機械設轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，發(fā)展到今天的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；從以前的結(jié)構(gòu)簡單的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，發(fā)展到今天的復雜，高效的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；從以前的兩輪轉(zhuǎn)向發(fā)展到今天的四輪轉(zhuǎn)向；從以前的一體結(jié)構(gòu)發(fā)展到今天的分段組合結(jié)構(gòu)；
轉(zhuǎn)向器種類多樣化，分為齒輪齒條式、循環(huán)球式、球面蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式等數(shù)種。其中轎車一般都使用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
轉(zhuǎn)向軸及轉(zhuǎn)向管柱由以前的整體式發(fā)展到今天的分段吸能式，能減少汽車出險時傳給方向盤的沖擊，有效保護駕駛員的生命安全。
總之，相比從前，今天的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有操縱輕便、結(jié)構(gòu)復雜、工作安全可靠、分段吸能、多輪轉(zhuǎn)向、智能化不斷提高等特點。
1.4 微型轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其與整車的關(guān)系
微型汽車體積小，可謂小巧玲瓏，適合在中小城市及城鄉(xiāng)使用，適合3口人家使用，是現(xiàn)在轎車發(fā)展的一個重要分支，深受廣大城鄉(xiāng)居民的歡迎。微型轎車成本低，售價不高，既符合中國小康家庭的購買能力，又符合中國當前的經(jīng)濟發(fā)展水平。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為微型轎車的一個重要組成部分，其設計制造水平及其成本，對轎車整車性能和成本的影響很大。提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計水平，能提高微型轎車的整車性能；降低轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的制造成本，能有效降低微型轎車的生產(chǎn)成本。
微型轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)簡單、操縱輕便、安全可靠、有自動回正功能并要求造價低，加在轉(zhuǎn)向盤上的力不許超過200N，轉(zhuǎn)向圈數(shù)不超過3.6圈。轎車一般使用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，并采取與汽車前進方向垂直的橫向布置方案，轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向橋做成一體，直接通過轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向器連接，結(jié)構(gòu)非常簡單緊湊。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的傳動副為齒輪與齒條，其結(jié)構(gòu)簡單、布置方便、制造容易、成本低，但轉(zhuǎn)向傳動比較小，且齒條沿其長度方向磨損不均勻，故廣泛用于微型汽車和轎車上。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的工作效率一般是70％～80％。為保證轉(zhuǎn)向器的工作效率，工作壽命和工作平穩(wěn)、安全可靠，齒輪齒條一般采用斜齒的型式。齒輪齒條材料當選用硬度大，耐磨性好的鋼，并進行必要的工藝處理，達到工作性能要求。
總之，微型轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計，不但要求采用現(xiàn)代設計技術(shù)，使其使用性能符合國際標準，而且在成本方面，要力求降低成本，從而降低整車的生產(chǎn)成本，使廣大消費者有能力購買。
第二章、轉(zhuǎn)向系技術(shù)的最新發(fā)展
第一節(jié)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)
汽車的轉(zhuǎn)向，通過汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來完成。汽車轉(zhuǎn)向性能是汽車的主要性能之一,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響到汽車的操縱穩(wěn)定性,它對于確保車輛的安全行駛、少交通事故以及保護駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要的作用。
依據(jù)提供轉(zhuǎn)向能源的不同，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以分為機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類。機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以駕駛員的體力為轉(zhuǎn)向能源，系統(tǒng)的所有傳力部件都是機械的，可靠性高，受外界干擾較小。但是由于受駕駛員自身力量的限制，機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)向力矩相對較小，因而其應用范圍受到限制。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加設一套轉(zhuǎn)向助力裝置而形成的，其轉(zhuǎn)向能源少量依靠駕駛員體力，大部分由助力裝置來提供。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中應用的助力裝置主要有液壓助力系統(tǒng)、電控液壓助力系統(tǒng)和電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。目前，絕大多數(shù)商用汽車和約50％的轎車都采用動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，微型轎車也開始安裝動力轉(zhuǎn)向裝置。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)有了大約半個世紀的歷史，可以說是一種較為完善的系統(tǒng)。電控液壓助力裝置，并沒有從根本上解決液壓助力裝置存在的不足。隨著汽車微電子技術(shù)發(fā)展，汽車燃油節(jié)能的要求以及全球倡導環(huán)保，其固有的不足已經(jīng)越來越明顯，不能完全滿足時代發(fā)展的要求。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( Electric Power2Assisted Steering ,簡稱為EPAS)使用電動機的動力幫助駕駛員進行轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)將最新的電力電子技術(shù)和高性能的電機控制技術(shù)應用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能夠顯著改善汽車的動態(tài)性能和靜態(tài)性能，提高汽車行駛中駕駛員的舒適性和安全性，減少環(huán)境污染等。Lucas公司稱到，在汽車轉(zhuǎn)向時，使用和不使用電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時，就像人在白天和夜晚走路一樣。目前，美國德爾福屬下的Saginaw、TRW和日本本田、Koyo及德國ZF等幾家大公司都在競相推出自己的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，發(fā)展前景十分看好。
2.1.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成
根據(jù)電機驅(qū)動部位不同，電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動型、小齒輪軸驅(qū)動型和齒條軸驅(qū)動型。無論何種類型，電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般都由轉(zhuǎn)向傳感器、車速傳感器、微電腦控制單元、電機和離合器及助力機構(gòu)等部分組成。其中轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動型（圖 1 ）電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要部件及其功能如下：
1．轉(zhuǎn)向傳感器
用于檢測轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向情況，由力矩傳感器和旋轉(zhuǎn)傳感器組成。力矩傳感器感知轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力矩大小，旋轉(zhuǎn)速度傳感器感知轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)速度，并把感知到的這兩個信號傳遞到微電腦控制單元。轉(zhuǎn)矩傳感器采用電位計式傳感器。它輸出兩個彼此獨立的電壓信號:主信號和副信號,控制單元用副信號來檢查主信號是否正確。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器主要有三種形式: 擺動桿式、雙行星齒輪式和扭桿式。擺動桿式是通過測量由轉(zhuǎn)向器小齒輪軸反作用力矩引起的擺桿位移量得到轉(zhuǎn)向力矩的。雙行星齒輪式是通過測量與扭桿相連的兩套行星齒輪的相對位移得到轉(zhuǎn)向力矩信號值, 扭桿位于轉(zhuǎn)向輸入軸和輸出軸之間,行星齒輪機構(gòu)也兼起減速傳動機構(gòu)的作用。扭桿式是通過扭桿直接測量輸入軸和輸出軸的相對位移, 從而測得轉(zhuǎn)向力矩。
圖 2 為扭桿式傳感器結(jié)構(gòu)圖。轉(zhuǎn)矩傳感器感應部分包括兩個線圈和一個滑套(鐵芯)。軸助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向軸從中間斷開,上段為輸入軸,下段為輸出軸, 輸入軸與輸出軸之間用扭桿連接。傳感器滑套被套在輸出軸外,固定在扭桿上的導向銷插入傳感器滑套的斜槽中,導向銷既可隨輸出軸一同轉(zhuǎn)動, 也能沿傳感器滑套的斜槽作上下移動。當?shù)缆纷枇^小,轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤后,滑套和轉(zhuǎn)向輸出軸一同轉(zhuǎn)動,滑套不作上下運動;當?shù)缆纷枇^高時,轉(zhuǎn)向力矩增大,扭桿發(fā)生扭轉(zhuǎn),輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)角不同, 相應的導向銷和滑套的轉(zhuǎn)角也不同,導向銷將迫使滑套上下移動。這時滑套(鐵芯) 外圍的兩個線圈可檢測到運動的大小和方向,從而獲得轉(zhuǎn)矩的大小和方向。
圖 2、扭桿式傳感器結(jié)構(gòu)圖
2．車速傳感器
用于檢測汽車的型式速度，并進行自診斷，把檢測到的信號送入微電腦控制單元。
3．微電腦控制單元
它是整個控制系統(tǒng)的核心，完成對各個傳感器輸入信號的處理，依據(jù)控制規(guī)則計算出所需要的參數(shù)值，通過驅(qū)動電路，實現(xiàn)對電機的控制。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制電路核心是8 位單片機, 帶有A/D 轉(zhuǎn)換器和PWM單元，如圖 3。轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向角信號和車速經(jīng)過接口電路被輸入到單片機, 單片機根據(jù)這些信號計算出最優(yōu)化的助力轉(zhuǎn)矩,然后把已計算出來的值作為電流命令值輸入到電流控制電路。電流控制電路把來自單片機的電流命令值同電機電流的實際值進行比較,并產(chǎn)生一個差值信號。該差值信號被送往電機驅(qū)動電路,該電路可驅(qū)動動力裝置并向電機提供控制電流。當車速超過設定值時,離合器被切斷,減速傳動機構(gòu)與電動機脫離, 接著電動機停機。
控制單元還具有失效保護和故障自診斷功能。當由電池電壓過低檢查電路、時鐘監(jiān)督電路和其它檢查電路(硬件) 或由微型計算機檢測出一個故障時, 微型計算機將記錄下故障類型, 點亮儀表板上的故障燈,同時控制器上的故障代碼顯示燈點亮。此時,電動機的電流被中斷, 離合器斷開,系統(tǒng)轉(zhuǎn)入人工轉(zhuǎn)向狀態(tài)。
圖3 控制電路框圖
4．電動機和離合器
電動機采用永磁直流電動機。在電動機設計時, 應著重考慮如何提高路感、降低噪音和振動。比如在電機轉(zhuǎn)子周緣開設不對稱或螺旋狀的環(huán)槽、靠特殊形狀的定子產(chǎn)生不均勻磁場等都可改善電動機的性能。離合器采用電磁式離合器,其由控制單元根據(jù)車速的快慢來控制。當車速在設定車速以上時,電磁離合器切斷, 電動機不再提供助力, 此時, 系統(tǒng)不受電動機慣性力矩的影響,轉(zhuǎn)入人工轉(zhuǎn)向狀態(tài)；在設定車速之下,電磁離合器接合, 轉(zhuǎn)入助力轉(zhuǎn)向狀態(tài)。為了改善轉(zhuǎn)向特性, 離合器設計時要讓它具有一定的滯后特性。
5．助力機構(gòu)
使電機產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)化為橫拉桿的軸向力，由橫拉桿作往復運動使車輪左右擺動，實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。
2.1.2 轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動型電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理
轉(zhuǎn)向傳感器感知轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力矩和旋轉(zhuǎn)速度，同時把信號輸入到微電腦控制單元。車速傳感器采集的汽車行駛速度信號也輸入微電腦控制單元。微電腦控制單元一方面根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)向盤力矩、旋轉(zhuǎn)速度和汽車行駛速度信號值，得到最佳轉(zhuǎn)向特性。并計算輸出數(shù)據(jù)；另一方面依據(jù)從各個傳感器傳來的信號，檢測轉(zhuǎn)向狀況并決定采用何種控制模式。同時將輸出的數(shù)據(jù)和控制模式開關(guān)信號輸入到功率單元驅(qū)動電機。電機產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩通過助力機構(gòu)轉(zhuǎn)化為橫拉桿的軸向力，通過橫拉桿作往復運動使轉(zhuǎn)向車輪左右擺動，實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。
2.1.3 電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點
與其他轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有其自身獨特的特點和優(yōu)勢。正因為如此，該系統(tǒng)自20世紀90年代初出現(xiàn)以來，便受到了許多大的汽車公司的重視，并競相進行開發(fā)和研究，使其成了汽車電子控制系統(tǒng)中的一個新的亮點。該系統(tǒng)的特點體現(xiàn)在：
1．降低了燃油消耗
液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要發(fā)動機帶動液壓油泵，使液壓油不停地流動，因而浪費了部分能量。相反，電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)僅在需要轉(zhuǎn)向操作時才需要電機提供的能量，該能量既可以來自蓄電池，也可以來自發(fā)電機。而且，能量的消耗與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向及當前的車速有關(guān)：當轉(zhuǎn)向盤不轉(zhuǎn)向時，電機不工作；需要轉(zhuǎn)向時，電機在控制單元的作用下開始工作，輸出相應大小及方向的轉(zhuǎn)矩以產(chǎn)生助力。不僅如此，電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還能夠 在汽車原地轉(zhuǎn)向時輸出最大轉(zhuǎn)向力矩，并且輸出的最大轉(zhuǎn)向力矩隨著汽車行駛速度的改變而改變，從而實現(xiàn)了“按需供能”，是真正的“按需供能型”轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
2．提供可變轉(zhuǎn)向力矩
機械轉(zhuǎn)向和液壓助力轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向機構(gòu)所獲得的轉(zhuǎn)向力矩與轉(zhuǎn)向盤提供的力矩成正比，與汽車的狀態(tài)無關(guān)。電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的轉(zhuǎn)向助力不僅與轉(zhuǎn)向盤提供的力矩大小有關(guān)，而且與汽車的狀態(tài)有很大的關(guān)系；電機提供的力大小即轉(zhuǎn)向機構(gòu)獲得的力的大小，不僅與轉(zhuǎn)向盤傳遞的力矩有關(guān)，也與車速有關(guān)，能在不同的車速時提供不同的轉(zhuǎn)向助力。
3．改善了轉(zhuǎn)向路感
在電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電動機與助力機構(gòu)直接相連可以使電機提供的能量直接用于車輪轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)利用慣性減震器的作用，使車輪的反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向前輪擺振得以大大減小，因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗動能大大增強。與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向力矩產(chǎn)生于電機，沒有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向遲滯效應，增強了轉(zhuǎn)向輪對轉(zhuǎn)向盤的跟隨性能。同時，通過靈活的軟件編程，容易得到電機在不同的車速及不同的車況下的轉(zhuǎn)矩特性（這種轉(zhuǎn)矩的特性是的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠顯著地提高轉(zhuǎn)向能力），提供了與車輛動態(tài)性能想匹配的轉(zhuǎn)向回正特性（在實際應用中，這種特性可以通過控制單元程序修改表值很容易實現(xiàn)）。
4．提高了操縱穩(wěn)定性
通過對汽車在高速行駛時過度轉(zhuǎn)向的方法，可以測試汽車的穩(wěn)定特性。采用該方法，給正在高速行駛的汽車一個過度的轉(zhuǎn)角（90度）來迫使它側(cè)傾，在短時間的轉(zhuǎn)向盤自回正過程中，由于采用了微電腦控制，是的汽車去有了更高的行駛穩(wěn)定性，駕駛員由更舒適的感覺。
5．“綠色能源”
適應現(xiàn)代汽車的要求。由于電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應用“最干凈”的電力作為轉(zhuǎn)向能源，完全取消了液壓裝置，不存在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的也太油泄漏 問題，因此可以說電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)順應了“綠色化”的時代趨勢。
6．減輕了駕駛員的工作強度
7．能為全輪轉(zhuǎn)向、電動汽車及未來的智能汽車提供轉(zhuǎn)向技術(shù)支持。
8．結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量輕，占用空間小，布置方便，性能優(yōu)越
由于應用數(shù)字控制技術(shù)和電子集成技術(shù)，電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅比傳統(tǒng)的液壓助力系統(tǒng)和電控液壓助力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，而且具有經(jīng)濟的性能價格比。
9．生產(chǎn)線裝配性好
電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有液壓助力系統(tǒng)所需要的油泵、油管、流量控制閥、儲油罐等部件，零件種類和數(shù)量都大大減少，減小了裝配工作量，節(jié)省了裝配時間，提高了裝配效率。
10．耐嚴寒
即使在- 40 ℃的低溫下, EPAS 也能夠很好地工作,而傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)要等到液壓油預熱后才能正常工作,這也節(jié)省了能量
2.1.4 電子控制式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)十幾年來, 在降低系統(tǒng)自重、減少生產(chǎn)成本, 控制系統(tǒng)發(fā)熱、電流消耗、內(nèi)部摩擦, 以及與整車進行匹配獲得合理的助力特性, 保證良好的路感等方面取得了重大進步。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在操縱舒適性和安全性、節(jié)能等方面充分顯示了其優(yōu)越性, 應用前景廣闊。未來的發(fā)展趨勢是:
1．進一步改善控制性能, 使之更好地與不同檔次汽車相適應。如改進電動機控制技術(shù), 消除由于電動機較大慣性、摩擦力所帶來轉(zhuǎn)向時路感不足等缺點, 使電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也能批量使用在重型貨車上。
2．實現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元與汽車上其它控制單元的通訊聯(lián)系, 以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的一體化。
3．提高系統(tǒng)的可靠性。這應從提高系統(tǒng)各元部件的可靠性入手, 如采用非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器等。
4．進一步簡化系統(tǒng), 減小控制單元和驅(qū)動單元的體積, 控制生產(chǎn)成本。
第二節(jié)、轎車的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)
隨著現(xiàn)代道路交通系統(tǒng)和現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展,人們對汽車的轉(zhuǎn)向操縱性能和行駛穩(wěn)定性的要求日益提高。作為改善汽車操縱性能最有效的一種主動底盤控制技術(shù)——四輪轉(zhuǎn)向技術(shù),于二十世紀80 年代中期開始在汽車上得到應用,并伴隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展。汽車的四輪轉(zhuǎn)向(Four - wheel Steering ——4WS) 是指汽車在轉(zhuǎn)向時,后輪可相對于車身主動轉(zhuǎn)向,使汽車的四個車輪都能起轉(zhuǎn)向作用。以改善汽車的轉(zhuǎn)向機動性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性，其研究發(fā)展很有現(xiàn)實意義。
四輪轉(zhuǎn)向汽車的后輪不僅可以與前輪統(tǒng)同方向偏轉(zhuǎn)，而且也可以與前輪的偏轉(zhuǎn)方向相反。其偏轉(zhuǎn)規(guī)律是：在高速行駛或轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角小時，前、后輪的偏轉(zhuǎn)方向相同；而在低速行駛或轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角大時，后論的偏轉(zhuǎn)方向與前輪的偏轉(zhuǎn)方向相反。后論按一定的比例與前輪同向偏轉(zhuǎn)時，可提高汽車高速行駛或在側(cè)向風力作用下時的操縱穩(wěn)定性；后論與前輪的偏轉(zhuǎn)方向相反時，可改善汽車中、低速行駛的操縱穩(wěn)定性、低速行駛時的操縱輕便性及減小汽車的轉(zhuǎn)小轉(zhuǎn)彎半徑。
2.2.1 四輪轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向特性
1．4WS 汽車與2WS 汽車轉(zhuǎn)向過程分析
普通兩輪轉(zhuǎn)向汽車(2WS 汽車) 的前輪既可繞自身的輪軸自轉(zhuǎn)又可繞主銷相對于車身偏轉(zhuǎn),而后輪只能自轉(zhuǎn)而不偏轉(zhuǎn)。當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤后,前輪轉(zhuǎn)向,改變了行駛方向,地面對前輪胎產(chǎn)生一個橫向力,通過前輪作用于車身,使車身橫擺,產(chǎn)生離心力,使后輪產(chǎn)生側(cè)偏,改變前進方向,參與汽車的轉(zhuǎn)向運動。而4WS 汽車的后輪與前輪一樣,既可自轉(zhuǎn)也能偏轉(zhuǎn)。當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤后,前、后輪幾乎同時轉(zhuǎn)向,使汽車改變前進方向,實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運動。
2WS 汽車在轉(zhuǎn)向時,前輪作主動轉(zhuǎn)向,后輪只是作被動轉(zhuǎn)向。顯然,2WS 汽車在轉(zhuǎn)向過程中,從方向盤轉(zhuǎn)動到后輪參與轉(zhuǎn)向運動之間存在一定的滯后時間。2WS 汽車的這種相位滯后特性使汽車轉(zhuǎn)向的隨動性變差,并使汽車的轉(zhuǎn)向半徑增大。另外,2WS 汽車在高速行駛時,相對于一定的方向盤轉(zhuǎn)角增量、車身的橫擺角速度和橫向加速度的增量增大,使汽車在高速行駛時的操縱性和穩(wěn)定性變差。而4WS 汽車在轉(zhuǎn)向時,前、后輪都作主動轉(zhuǎn)向,在轉(zhuǎn)向過程中,靈敏度高,響應快,有效地克服了上述缺點。
2．4WS 汽車的轉(zhuǎn)向方式
根據(jù)理論分析研究和大量路試表明,四輪轉(zhuǎn)向能夠提高汽車轉(zhuǎn)向的機動靈活性和高速行駛時的操縱穩(wěn)定性,現(xiàn)代4WS 汽車就是根據(jù)這一指導思想研制的。一般來說,4WS 汽車在轉(zhuǎn)向過程中,根據(jù)不同的行駛條件,前、后輪轉(zhuǎn)向角之間應遵
循一定的規(guī)律。目前,典型4WS 汽車前、后輪的偏轉(zhuǎn)規(guī)律一般如下所述。
(a) . 逆相位轉(zhuǎn)向
如圖 1(a) 所示,在低速行駛或者方向盤轉(zhuǎn)角較大時,前、后輪實現(xiàn)逆相位轉(zhuǎn)向,即后輪的偏轉(zhuǎn)方向與前輪的偏轉(zhuǎn)方向相反,且偏轉(zhuǎn)角度隨方向盤轉(zhuǎn)角增大而在一定范圍內(nèi)增大(后輪最大轉(zhuǎn)向角一般為5°左右)。這種轉(zhuǎn)向方式可改善汽車低速時的操縱輕便性,減小汽車的轉(zhuǎn)彎半徑,提高汽車的機動靈活性。便于汽車掉頭轉(zhuǎn)彎、避障行駛、進出車庫和停車場。對轎車而言,若后輪逆相位轉(zhuǎn)向5°,則可減少最小轉(zhuǎn)向半徑約0.5m。
圖 1.四輪轉(zhuǎn)向汽車的前、后輪偏轉(zhuǎn)規(guī)律
(b) . 同相位轉(zhuǎn)向
如圖 1(b) 所示,在中、高速行駛或方向盤轉(zhuǎn)角較小時,前、后輪實現(xiàn)同相位轉(zhuǎn)向,即后輪的偏轉(zhuǎn)方向與前輪的偏轉(zhuǎn)方向相同(后輪最大轉(zhuǎn)角一般為1°左右) 。使汽車車身的橫擺角速度大大減小,可減小汽車車身發(fā)生動態(tài)側(cè)偏的傾向,
保證汽車在高速超車、進出高速公路、高架引橋及立交橋時,處于不足轉(zhuǎn)向狀態(tài)。
現(xiàn)在,有許多4WS 汽車把改善汽車操縱性能的重點放在提高汽車高速行駛的操縱穩(wěn)定性上,而不過分要求汽車在低速行駛的轉(zhuǎn)向機動靈活性。其工作特點是低速時汽車只采用前輪轉(zhuǎn)向, 只在汽車行駛速度達到一定數(shù)值后( 如50km/ h) ,后輪才參與轉(zhuǎn)向,進行同相位四輪轉(zhuǎn)向。
3．4WS 汽車的轉(zhuǎn)向特點
與普通的2WS 汽車相比,4WS 汽車具有如下特點:
優(yōu)越性:
（1）轉(zhuǎn)向操作的響應加快,準確性提高。
（2）轉(zhuǎn)向操作的輕便性和行駛穩(wěn)定性提高。
（3）低速時,轉(zhuǎn)彎半徑小,轉(zhuǎn)向操作的機動靈活性提高(如圖 2所示) 。
（4）超車時,變換車道更容易,減小了汽車產(chǎn)生擺尾和側(cè)滑的可能性。
（5）抗側(cè)向干擾的穩(wěn)定性效果好。
不足性:
（1）低速轉(zhuǎn)向時,汽車尾部容易碰到障礙物。
（2）實現(xiàn)理想控制的技術(shù)難度大。
（3）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、成本高。
（4）轉(zhuǎn)向過程中,阿克曼定理難保證。
圖 2.低速轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向性能比較
2.2.2 四輪轉(zhuǎn)向汽車的組成及工作特性
1．現(xiàn)代4WS 汽車的基本組成及工作原理
4WS 汽車是在前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,在汽車的后懸架上安裝一套后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng),兩者之間通過一定的方式聯(lián)系,使得汽車在前輪轉(zhuǎn)向的同時,后輪也參與轉(zhuǎn)向。經(jīng)過幾十年的研究與開發(fā),已經(jīng)成型的4WS 汽車類型有多種,組成、結(jié)構(gòu)不同,控制方式及工作原理也各異。典型的電控4WS 系統(tǒng)主要由前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳感器(如轉(zhuǎn)向角度傳感器、車速傳感器、橫擺角速度傳感器等) 、ECU、后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)等組成。
如圖3 所示,轉(zhuǎn)向時,傳感器將前輪轉(zhuǎn)向的信號和汽車運動的信號送入ECU，ECU進行分析計算,將處理后的驅(qū)動信號傳給后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu),后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)動作,通過后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu),驅(qū)動后輪偏轉(zhuǎn)。同時,ECU 進行實時監(jiān)控汽車運行狀況,計算目標轉(zhuǎn)向角與后輪實時轉(zhuǎn)向角之間的差值,來實時調(diào)整后輪的轉(zhuǎn)角。這樣,可以根據(jù)汽車的實際運動狀態(tài),實現(xiàn)汽車的四輪轉(zhuǎn)向。
一般的4WS 汽車設有兩種轉(zhuǎn)向模式,既可進入4WS 狀態(tài),也可保持傳統(tǒng)的2WS 狀態(tài),駕駛員可通過駕駛室內(nèi)的轉(zhuǎn)向模式開關(guān)進行選擇。當4WS 汽車在行駛過程中電子控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,后輪自動回到中間位置,汽車自動進入前輪轉(zhuǎn)向狀態(tài),保證汽車像普通前輪轉(zhuǎn)向汽車一樣安全地行駛。同時,儀表板上的“4WS”指示燈亮,警告駕駛員,故障情況被存儲在ECU 中,以便于維修時檢碼。
2．4WS 汽車后輪轉(zhuǎn)向裝置的類型
隨著對4WS 這一領(lǐng)域研究的不斷進展,出現(xiàn)了多種不同轉(zhuǎn)向要求、不同結(jié)構(gòu)
型式和不同控制策略的實用4WS 系統(tǒng)。按控制后輪轉(zhuǎn)向的方法,后輪轉(zhuǎn)向裝置主要可分為轉(zhuǎn)角隨動型和車速感應型兩種。
（1）轉(zhuǎn)角隨動型
轉(zhuǎn)角隨動型四輪轉(zhuǎn)向裝置的工作特點是后輪偏轉(zhuǎn)受前輪偏轉(zhuǎn)控制,作被動車速之間的關(guān)系轉(zhuǎn)向,即后輪偏轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)角大小受方向盤轉(zhuǎn)動的方向和轉(zhuǎn)角大小的控制(如圖4 所示) 。結(jié)構(gòu)上通過一根后輪轉(zhuǎn)向傳動軸將前、后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)相連,一般都采用機械式傳動和人力直接控制。早期應用在軍用車輛、工程車輛上的4WS 系統(tǒng)、裝于本田Prelude 轎車上的4WS系統(tǒng)就是采用全機械式的轉(zhuǎn)角隨動型四輪轉(zhuǎn)向裝置。這種4WS 系統(tǒng)存在一定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動態(tài)控制的局限性,尤其在高速急轉(zhuǎn)彎時,使汽車的操縱穩(wěn)定性惡化,在現(xiàn)代的4WS 系統(tǒng)中已很少采用。
圖 4.一種4WS汽車前、后輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系 圖 5.一種4WS汽車后輪轉(zhuǎn)角與車速之間的關(guān)系
（2）車速感應型
車速感應型四輪轉(zhuǎn)向裝置的工作特點是后輪偏轉(zhuǎn)的方向和轉(zhuǎn)角大小主要受車速高低的控制(如圖5 所示) ,在轉(zhuǎn)向過程中,同時還受前輪轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度、橫擺角速度等動態(tài)參數(shù)的綜合控制作用。結(jié)構(gòu)上有全液壓式、電控液壓式、電
控機械液壓式和電控電動式等幾種類型。這種4WS 系統(tǒng)綜合考慮了汽車的各種動態(tài)參數(shù)對汽車轉(zhuǎn)向行駛過程中的操縱穩(wěn)定性的影響,動態(tài)模擬控制效果好,是目前4WS 汽車上主要采用的四輪轉(zhuǎn)向裝置。
2.2.3 四輪轉(zhuǎn)向汽車的控制
4WS 系統(tǒng)既要實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向時所需的運動,又要保證汽車轉(zhuǎn)向時的行駛穩(wěn)定性。目前,在4WS 汽車的研究和開發(fā)方面,主要是以改善汽車的瞬態(tài)操縱穩(wěn)定性為出發(fā)點,探索由于后輪參與轉(zhuǎn)向而帶來的汽車響應變化,以及采用各種后輪控制策略而產(chǎn)生的不同效果。汽車四輪轉(zhuǎn)向的控制依賴于輪胎所受的側(cè)向力,四輪轉(zhuǎn)向能使汽車在轉(zhuǎn)向時,后輪直接參與對汽車橫擺運動和側(cè)向運動的控制。通過適時、精確地控制后輪的轉(zhuǎn)向角度,不僅可縮短轉(zhuǎn)向過程的瞬態(tài)響應,而且能主動地控制汽車的運動軌跡和姿態(tài)。在轉(zhuǎn)向過程中,使汽車的前進方向與其縱向中心線的方向一致,即使得汽車的方向角與姿態(tài)角重合,減小轉(zhuǎn)向時車體的側(cè)偏,提高了汽車的側(cè)向穩(wěn)定性。
1．控制目標
使汽車在轉(zhuǎn)向時能夠基本保持汽車重心側(cè)偏角為零。這樣能夠大幅度提高汽車對方向盤輸入的動態(tài)響應特性,很大程度上改善了橫擺角速度和側(cè)向加速度的瞬態(tài)性能指標,降低車身姿態(tài)的變化。從側(cè)偏角為零的目標出發(fā),按照一定的控制程序?qū)С龊筝嗈D(zhuǎn)向函數(shù)是實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)。當然,現(xiàn)代的4WS 汽車也有一些其它控制目標的要求。
2．控制策略的模型基礎(chǔ)
一般情況下進行的4WS 系統(tǒng)的研究都是基于一個簡單的二自由度線性車輛模型。這只是一種理想化的數(shù)學模型,在建模時忽略了汽車的一些動力學參數(shù)的變化,沒有考慮汽車行駛過程中產(chǎn)生的許多隨機的、不確定因素,因而不是非常精確的。早期的4WS 控制器設計都是基于跟隨線性動力學方程的假設,但由于上述原因,使得所設計的控制系統(tǒng)不一定滿足實際的需要,無法保證汽車轉(zhuǎn)向時的操縱穩(wěn)定性。
3．控制方法
不同的汽車對轉(zhuǎn)向行駛性能的要求不同,不同車型的4WS 汽車的車輪偏轉(zhuǎn)規(guī)律也不一樣。因此,不同的4WS 汽車所采用的控制方法不盡相同,各種控制方法分別有其側(cè)重點。目前,用在一些成型的4WS 汽車上的控制方法主要有:
(a) . 定前、后輪轉(zhuǎn)向比的4WS 系統(tǒng)。
(b) . 前、后輪轉(zhuǎn)向比是前輪轉(zhuǎn)角函數(shù)的4WS 系統(tǒng)。
(c) . 前、后輪轉(zhuǎn)向比是車速函數(shù)的4WS 系統(tǒng)。
(d) . 具有一階滯后的4WS 系統(tǒng)。
(e) . 具有反相特性的4WS 系統(tǒng)。
(f) . 具有最優(yōu)控制特性的4WS 系統(tǒng)。
(g) . 具有自學習、自適應能力的4WS 系統(tǒng)。
前五種控制系統(tǒng)屬于古典控制理論范疇,只能滿足汽車在某些特定條件下的需要,還不能適應汽車運動的隨機變化,隨著計算機技術(shù)和一些先進控制理論的發(fā)展,4WS 系統(tǒng)將朝著自適應、智能化的方向發(fā)展。
4．4WS 系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展
目前,對于4WS 汽車的研究和開發(fā)仍處于不斷發(fā)展和完善階段。盡管科研人員從結(jié)構(gòu)到控制原理上對四輪轉(zhuǎn)向進行了大量的研究,4WS 技術(shù)已取得不少進展。但是,在運用現(xiàn)代控制理論進行汽車轉(zhuǎn)向控制策略的確定和控制方法的選擇時,主要是依靠經(jīng)驗,相應的理論依據(jù)還很缺乏,4WS技術(shù)沒有真正步入普及應用階段,在商用汽車上沒有得到廣泛應用。
在技術(shù)相對成熟的4WS 汽車中,大多數(shù)采用電控液壓動力4WS 系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,計算機技術(shù)在汽車中的廣泛應用,電控電動4WS 系統(tǒng)將是4WS 汽車的發(fā)展趨勢。雖然在4WS 系統(tǒng)的研究和開發(fā)方面已經(jīng)取得了很大的發(fā)展,但是,作為4WS 系統(tǒng)的核心技術(shù)問題——4WS 系統(tǒng)控制器的設計,究竟以什么作為最佳的控制目標? 采用什么樣的控制方法? 在該研究領(lǐng)域仍然沒有較為一致的看法。前已述及,早期進行的4WS 系統(tǒng)的研究都是基于一個簡單的二自由度線性車輛模型,4WS 控制器設計都是基于跟隨線性動力學方程的假設,采用PID 控制策略。我們知道,4WS系統(tǒng)的控制主要依賴于輪胎所受的橫向力。早期的研究是將汽車輪胎看成線性進行建模的,一般的4WS 控制也就基于輪胎所受的橫向力比例于車輪側(cè)偏角的假設,這種假設只是在橫向加速度較小的范圍內(nèi)有效。當在橫向加速度較大的范圍內(nèi)時,輪胎的側(cè)偏特性將進入非線性區(qū)域,輪胎側(cè)偏角對輪胎所受橫向力的響應不再呈比例關(guān)系,與輪胎所受的縱向力、垂直載荷等都有關(guān)系。實際上,汽車在轉(zhuǎn)彎行駛時,輪胎基本上都工作在非線性區(qū)域。此時,再用線性控制理論來進行研究,就顯得勉為其難。4WS 汽車操縱動力學問題是非常復雜的非線性多體動力學問題,對于4WS 控制系統(tǒng)的研究應綜合考慮汽車的運動情況,深入研究影響其狀態(tài)響應的各種動力學參數(shù),建立模擬汽車實際運動情況的數(shù)學模型,采取更有效的控制策略。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展,一些先進的現(xiàn)代控制方法已經(jīng)被應用于4WS 系統(tǒng)的控制研究中,如最優(yōu)控制、自適應控制、滑?？刂?、魯棒控制等,近年來,又出現(xiàn)了模糊控制、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論的控制方法等。對4WS 控制系統(tǒng)的研究逐漸從線性領(lǐng)域向非線性領(lǐng)域過渡,一些多自由度的4WS 汽車動力學模型已有提出,但大多處于研究的初級階段,尚不成熟。未來對4WS 系統(tǒng)的研究的發(fā)展趨勢主要集中為:
(a) . 進一步研究、開發(fā)新型的后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu),提高轉(zhuǎn)向時的操縱輕便性、靈活性和轉(zhuǎn)向角度的準確性。
(b) . 針對4WS 系統(tǒng),進一步開發(fā)、設計高性能、高精度、高靈敏度的傳感器,以便于正確地檢測汽車的運動信號。
(c) . 深入研究轉(zhuǎn)向過程中輪胎的瞬態(tài)特性,將其作為主要因素加入到4WS 系統(tǒng)的數(shù)學模型中。
(d) . 將先進的控制理論與控制方法應用于4WS 控制器的研究中。
(e) . 從主觀評價出發(fā),考慮閉環(huán)綜合性能指標,將“人—車—路”看成一個系統(tǒng)。
(f) . 基于新控制理論的全主動4WS 系統(tǒng)。
(g) . 把4WS 技術(shù)與其它主動安全技術(shù)(如4WD、ABS、ASR、ASC、DYC 等) 相結(jié)合,實現(xiàn)汽車主動底盤技術(shù)的綜合控制,這是主動控制4WS 系統(tǒng)研究的長期目標。
第三章、微型轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成
轉(zhuǎn)向系是通過對左右轉(zhuǎn)向輪不同轉(zhuǎn)角之間的合理匹配來保證汽車能沿著設想的軌跡運動的機構(gòu)。它由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和傳動機構(gòu)組成。
3.1 轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)
微型轎車轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱。為了布置方便，減小由于裝置位置誤差及部件相對運動所引起的附加載荷，提高汽車正面碰撞的安全性以及便于拆裝，在轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向器的輸入端之間安裝轉(zhuǎn)向萬向節(jié)。采用柔性萬向節(jié)可以減少傳至轉(zhuǎn)向軸上的振動，但柔性萬向節(jié)不宜過軟，否則影響轉(zhuǎn)向系的剛度。有些汽車為操縱輕便，安裝動力轉(zhuǎn)向裝置，但微型轎車軸荷小，成本低，宜采用機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
3.2 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)
微型轎車采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器時，其轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)非常簡單。主要是橫拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂省去了轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向縱拉桿、轉(zhuǎn)向梯形臂。其中橫拉桿做成分段式，長度可調(diào)節(jié)，以方便安裝。轉(zhuǎn)向節(jié)臂與汽車轉(zhuǎn)向橋鑄成一體，也屬于轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的以部分。轉(zhuǎn)向橫拉桿通過球頭銷與轉(zhuǎn)向節(jié)臂相連，以達到工作安全可靠的性能要求。
轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)用于把轉(zhuǎn)向器輸出的力和運動傳給左、右轉(zhuǎn)向節(jié)臂并使左、右轉(zhuǎn)向輪按一定關(guān)系進行偏轉(zhuǎn)。
3.3 轉(zhuǎn)向器
機械轉(zhuǎn)向器是司機對轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動變?yōu)辇X條沿車軸軸向的移動，再變?yōu)檗D(zhuǎn)向節(jié)臂的擺動，并按一定的角傳動比和力傳動比進行傳遞的機構(gòu)。轉(zhuǎn)向器是轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部分，轉(zhuǎn)向器的效率高低，直接影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的效率，從而影響轎車的使用性能。
第四章、 微型轎車轉(zhuǎn)向系的特點及要求
微型轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計，直接影響轎車的使用性能。要使轎車設計滿足一定的使用性能要求，那么就要對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計有一定要求。
4.1 微型汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點
（1）不必加裝動力轉(zhuǎn)向裝置，結(jié)構(gòu)簡單；
（2）制造容易，成本低；
（3）體積小，布置容易；
4.2 微型汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求
（1）保證汽車具有高的機動性
（2）內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的匹配應保證汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪繞同一瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，各車輪只有滾動而無側(cè)滑。
（3）轉(zhuǎn)向盤和各轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角之間應保證在運動學關(guān)系和力學關(guān)系方面的協(xié)調(diào)。
（4）操縱輕便。轉(zhuǎn)向時加在轉(zhuǎn)向盤上的切向力，應不大于150～200N。
（5）轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向盤應能自動回正，并能使汽車保持在穩(wěn)定的直線行駛工況。
（6）當轉(zhuǎn)向輪受沖擊時，轉(zhuǎn)向系傳給轉(zhuǎn)向盤上的反沖擊要小。
（7）轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)與懸架導向裝置的運動干涉應盡可能小。
（8）轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)因磨損產(chǎn)生的間隙，應能自動調(diào)整而消除之。
（9）工作穩(wěn)定，安全可靠。
（10）有足夠的強度和壽命。
汽車的機動性，通常用最小轉(zhuǎn)彎半徑來衡量，但汽車的高機動性則應由兩個條件來保證。即首先應使左右轉(zhuǎn)向輪處于最大轉(zhuǎn)角時外輪的轉(zhuǎn)彎半徑在汽車軸距的2～2.5倍范圍內(nèi)（小值適于大軸距汽車，大值適于小軸距汽車）。其次，應該這樣選擇轉(zhuǎn)向系的角傳動比，即轉(zhuǎn)向盤處于中間位置向左或者向右轉(zhuǎn)至極限位置的總?cè)?shù)，對轎車不應超過1.8圈。
操縱輕便性的要求是通過合理地選擇轉(zhuǎn)向系的角傳動比、力傳動比和傳動效率來達到。
對轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪能自動回正的要求和對汽車直線行駛穩(wěn)定性的要求則主要是通過合理地選擇主銷后傾角和內(nèi)傾角。
消除轉(zhuǎn)向系傳動間隙以及選用可逆式轉(zhuǎn)向器來達到
要使傳遞到轉(zhuǎn)向盤上的反沖擊小，則轉(zhuǎn)向器的逆效率又不宜太高，至于對轉(zhuǎn)向系的最后兩條要求則主要通過合理地選擇機構(gòu)及結(jié)構(gòu)布置來解決。
第五章、轉(zhuǎn)向系的主要性能參數(shù)
汽車轉(zhuǎn)向系的主要性能參數(shù)有轉(zhuǎn)角及最小轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)向系的效率、轉(zhuǎn)向系的角傳動比、力傳動比、轉(zhuǎn)向器傳動副的傳動間隙特性、轉(zhuǎn)向系的剛度以及轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(shù)。
5.1 轉(zhuǎn)角及最小轉(zhuǎn)彎半徑
汽車的機動性，常用最小轉(zhuǎn)彎半徑來衡量，但汽車的高機動性則應由兩個條件來保證。首先，應使左右轉(zhuǎn)向輪處于最大轉(zhuǎn)角使前外輪的轉(zhuǎn)彎半徑值在汽車軸距的2～2，5倍范圍內(nèi)，其中小值適于大軸距汽車，大值適于小軸距汽車。其次，應該這樣選擇轉(zhuǎn)向系的角傳動比，即由轉(zhuǎn)向盤處于中間位置向左或向右旋轉(zhuǎn)到極限位置的總?cè)?shù)，對轎車不超過1.8圈，對貨車不超過3.0圈。
兩軸汽車在轉(zhuǎn)向時，如不考慮輪胎的側(cè)向偏離，則為了滿足上述對轉(zhuǎn)向系的第（2）條要求，其內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪理想的轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖5－1所示，由下式?jīng)Q定：
圖5－1、理想的內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的關(guān)系
cotθ－cotθ＝＝ 5－1
式中：θ——外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；
θ——內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；
K——兩轉(zhuǎn)向主銷中心線與地面交點間的距離；
L——軸距；
內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的合理匹配是由轉(zhuǎn)向梯形來保證。
汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑R與其內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪在最大轉(zhuǎn)角θ與、軸距L，主銷距K及轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)臂a等尺寸有關(guān)，在轉(zhuǎn)向過程中除內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角外，其他參數(shù)是不變的。最小轉(zhuǎn)彎半徑是指汽車在轉(zhuǎn)向輪處于最大轉(zhuǎn)角的條件下以低速轉(zhuǎn)彎時前外輪與地面接觸點的軌跡構(gòu)成圓周的半徑，可按下式計算：
R＝＋a＝ 5－2
根據(jù)本設計的微型轎車的總載荷為800×9.8＝7840N，取7.00－16型號的輪胎，其斷面寬度為200mm，輪胎直徑d是790mm，最大負荷是8500N。對轎車而言，a值一般取0.4～0.6倍的臺面寬度。所以：
取a＝0.6×200＝120mm；
已知：
軸距L＝2000mm；
最小轉(zhuǎn)彎半徑R=4500mm；
前輪距B為1240mm；
所以可求得：
K＝B－2a＝1240－2×120＝1000mm
由式5－2得： R
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