四轮转向
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简析汽车四轮转向系统
摘要:本文介绍了汽车四轮转向系统(4WS )的分类,主要构造,工作原理,分析了它的工作特性并阐述了其转向角比例控制原理,还对四轮转向与前轮转向(2WS )进行了对比,分析了它的优点,并对它的未来发展做出了展望。
1 概述
目前的轿车转向分为前轮转向(2WS )和四轮转向(4WS ),前者普遍使用,而后者则是一种新技术,主要应用于中高级车上。
所谓四轮转向,是指后轮和前轮相似,也具有一定的转向功能,不仅可以与前轮同向旋转,也可以与前轮反向旋转。其主要目的是增强汽车在高速行驶或侧向风力作用下的操纵稳定性,改善低速行驶时的操纵轻便性,便于汽车高速行驶时急转弯和由一个车道向另一个车道移动调整,减少调头时的转弯半径,以及在极狭窄的位置“平移”进入车位停泊。四轮转向系统,对于底盘较长,且经常需要在窄小地方行驶时的汽车有着明显的作用。
按照前后轮的偏转角和车速之间的关系,4WS 可分为转角传感型和车速传感型;按照控制和驱动后轮转向机构的方式,可分为机械式、液压式、电控机械式、电控液压式和电控电动式等。
2 四轮转向的基本原理
2.1低速时的转向特征
2.1.1理论准备
缩小最小转弯半径当前轮与后轮逆向转向时,前轴距中心的轴线与后轴距中心的轴线交点为转向中心P 。
图1 4WS 的转向中心
P 点的坐标(0x ,0y )的计算公式为
r
f l
x δδtan tan 0+=
(2.1)
r
f l
l l y δδδtan tan tan 0+⋅⋅
= (2.2)
如果前外轮的转弯半径为R ,前后外侧车轮之间的转弯半径差值为R ∆,则
BP R =
222020)tan tan tan ()tan tan 2
(
)()2
(
r
f f r f f f l l
b y l x b δδδδδ+⋅+++
⋅-++= (2.3)
CP AP R -=∆
2
0202020)2
(
)()2
(y x b y l x b r f ++--++-
=
(2.4) 22)tan tan tan ()tan tan 2(r f f r f f
l l b δδδδδ+⋅+++-=22
)tan tan tan ()tan tan 2(r
f f r f r l l b δδδδδ+⋅+++--
式中f δ——前轮的偏转角(左、右两前轮偏转角的平均值); r δ——后轮的偏转角(左、右两前轮偏转角的平均值); f b ——前轮距; r b ——后轮距; l ——轴距。 f
f f l
PQ R δδδtan cos sin ++=
= (2.5)
PO PQ R -=∆
f f f l
δδδtan cos sin ++=r
r r l δδδtan cos sin ++- (2.6)
从式(2.5)中可以看出当后轮与前轮逆相位转向时,四轮转弯半径比两轮转弯半径小。从式(2.6)中可以看出,当前、后轮偏转角相同时(f δ=r δ),前、后轮的转弯半径差值可能为0。从下图可以直观看出转向半径的大小。 2.1.2 2WS 与4WS 的比较
图2 低速时2WS与4WS的比较
如上图所示为低速转向行驶轨迹,2WS汽车的情况是后轮不转向,所以转向中心大致在后轴的延长线上。4WS汽车的情况是对后轮进行逆向操纵,转向中心比2WS汽车靠近车体处。在低速转向时,若两前轮转角相同,则4WS汽车的转向半径更小,内轮差也小,转向性能好。对于小轿车而言,如果后轮逆向转向5°,则可减少最小转弯半径50cm,内轮差约10cm。
2.2.中高速四轮转向特征
2.2.1 2WS转向特性
直线行驶的汽车转向是下面两种
运动的合成运动:汽车质心绕转向中
心的公转和汽车绕质心的自转。如左
图2WS汽车中高速时车辆的运动状态:
前轮转向时,前轮产生侧偏角α,并
产生旋转向心力使车体开始自转,此
时后轮产生侧偏角β和旋转向心力,车
速越高,离心力越大,所以必须给前
轮更大的侧偏角,使它产生更大的旋
转向心力,与此同时,后轮也产生与
此相应的侧偏角,车体本身自转趋势
更加严重。也就是说,车速越高,转
向时容易引起车辆的旋转和侧滑。
图3 2WS汽车中高速转向示意图
2.2.2 4WS转向特性与2WS的比较
理想的高速转向运动
状态是尽可能使车体的倾
向和前进方向一致,从而使
后轮产生足够的旋转向心
力。在4WS汽车通过对后轮
同向转向操控,使后轮也产
生侧偏角,使它与前轮的旋
转向心力相平衡,从而抑制
自转运动,得到车体方向和
车辆前进方向一致的稳定
转向状态。
图4 2WS和4WS汽车中高速转向比较图
3 四轮转向的实现途径
3.1 系统组成
如下图所示为4WS转向比例控制的系统图。前后的转向机构是机械式的连接方式,转向盘的转动通过前转向齿轮箱(齿轮齿条式)中的齿条带动转向横拉杆左右移动,使前轮产生转向,同时小齿轮的旋转输出通过连接轴由输入小齿轮传给后转向齿轮箱,经过转向枢轴和4WS转换器实现后轮转向。
图5 4WS汽车转向角比例控制系统
3.1.1转向枢轴