三軸車輛全輪轉向系統(tǒng)設計及轉向性能分析*

洪升耀，徐國英，劉西俠，陳靖然

(裝甲兵工程學院 機械工程系，北京100072)

1 引言

多軸輪式車輛車軸多、車身長，導致低速時轉向半徑相對較大，這制約著多軸輪式車輛尤其是多軸輪式裝甲車輛的發(fā)展。全輪轉向技術是改善車輛轉向性能的主要手段之一，也是實現(xiàn)主動安全性的方法之一。全輪轉向技術能減小車輛低速轉向半徑，其應用效果在大型車輛上更加明顯［1］。

目前，全輪轉向技術在四輪轉向上的應用已較為成熟，但多軸車輛全輪轉向的研究相對較少。以某6×6前四輪轉向的三軸車輛轉向系統(tǒng)為基礎，提出該車全輪轉向系統(tǒng)的改裝設計方案，對全輪轉向模式(簡稱為AWS)的轉向性能進行仿真分析。

2 全輪轉向系統(tǒng)改裝設計方案

某6×6前四輪轉向車輛轉向機構采用液壓助力轉向系統(tǒng)，前橋和中橋轉向機構之間用機械桿系連接，能完成前橋輪胎和中橋輪胎轉向角的定比例控制。但想實現(xiàn)符合全輪轉向要求的控制策略，應該使前橋和后橋、中橋輪胎轉向角之間滿足相對更為靈活的控制要求。因此設計能在有限的空間內(nèi)安裝并滿足要求的轉向系統(tǒng)是問題的關鍵［2］。

2.1 轉向系統(tǒng)方案

為實現(xiàn)多軸輪式車輛的全輪轉向，可考慮在現(xiàn)有轉向系統(tǒng)的基礎上對非轉向橋進行改裝。目前車輛的轉向系統(tǒng)有機械式轉向、液壓助力轉向、電控液壓助力轉向、電動助力轉向和線控轉向。對于某6×6前四輪液壓助力轉向車輛，轉向時需提供較大的驅(qū)動力，且在車輛原有液壓轉向系統(tǒng)上增加新的液壓回路也比較簡單，故采用電控液壓式全輪轉向系統(tǒng)［3］。

圖1為某6×6車輛全輪轉向系統(tǒng)布置圖，前兩橋為機械轉向橋，布置轉向拉桿，第三橋為非機械轉向橋，采用電控液壓裝置，電控液壓助力轉向系統(tǒng)由車速傳感器、轉角傳感器、電控單元(ECU)、控制閥、液壓缸等組成。

圖1 全輪轉向結構示意圖

2.2 控制策略方案

目前輪式車輛全輪轉向系統(tǒng)常用的控制策略有質(zhì)心零側偏角比例控制、橫擺角速度反饋控制、橫擺率狀態(tài)跟蹤控制。鑒于質(zhì)心零側偏角控制策略實現(xiàn)較為簡單，在低速時能保證車輛的轉向靈活性，在高速時能夠確保車輛的轉向與駕駛員操縱的一致性，因此改裝方案的控制策略采用零側偏角比例控制策略［4］。

如圖2所示，當駕駛員轉動方向盤時，ECU根據(jù)采集到的前輪轉角傳感器、車速傳感器信號，判斷車輛的轉向狀態(tài)，計算出其他各橋的理論轉角，再向電磁閥發(fā)出控制命令，電磁閥操縱轉向液壓缸驅(qū)動車輪實現(xiàn)車輛響應。

圖2 零側偏角比例控制

3 全輪轉向模型理論分析

3.1 二自由度單軌模型

由于二自由度單軌模型具有車輛轉向時的基本特征，因此為方便分析，可將多軸車輛簡化為具有代表性的線性二自由度模型［5-6］。

如圖3所示，u和v分別為質(zhì)心處x和y軸的速度，r為橫擺角速度，車輪轉向角為δi，質(zhì)心到各轉向軸的距離為li，轉向中心到各轉向軸的距離為Li，第一軸到各軸的距離為L1i，質(zhì)心的側偏角為β。

圖3 三軸車輛全輪轉向二自由度模型

根據(jù)汽車動力學，可得狀態(tài)空間方程［7］:

當車輛處于穩(wěn)態(tài)時，側向加速度和橫擺角速度的一階導數(shù)都為“0”，由式(1)可得車輛穩(wěn)態(tài)運動方程:

運用克萊姆法則，由式(2)，可得車輛的側向速度和橫擺角速度:

由于R=u/r，可得車輛轉向半徑為:

由于車輪轉角都很小，為使車輛轉向時盡量保持純滾動，由阿克曼定理可得車輪轉角比:

3.2 零側偏角比例控制

零側偏角比例控制策略是通過車輪轉角比變化來實現(xiàn)車輛的側向偏轉最小，即質(zhì)心側偏角為0，由此可知tanβ=v/u=0，即有v=0［8］。

由v=0，可得轉向中心到第一軸的距離為:

4 三軸車輛全輪轉向性能分析

以6×6車輛為仿真對象，分析三軸車輛全輪轉向性能，車輛參數(shù)如表1所列。

表1 某型三軸車輛結構特性參數(shù)

4.1 轉向中心到前軸的距離

以上述三軸車輛為例，選取前輪轉角為5°，可得不同車速下穩(wěn)態(tài)圓周行駛時轉向中心到車輛第一軸的距離，如圖4所示。由圖4可知，轉向中心不是固結于一點，而是隨著車速的增加不斷后移，在設計車速內(nèi)有可能超過車輛底盤最后一橋所在的平面。

圖4 轉向中心到前軸的距離

4.2 轉角比例計算

同樣選取前輪轉角為5°，可得在不同車速下全輪轉向的各輪轉角比例變化趨勢，如圖5所示。

圖5 全輪轉向轉角比例

由圖5可知，在低速時，中軸車輪、后軸車輪的轉角都與前軸車輪的轉角反相，且后軸車輪的轉角幅度要大于中軸，在速度未達到60 km/h時，中軸、后軸的車輪已先后變成與前軸同相偏轉，且隨著速度的提高，前中軸、前后軸的轉角比趨于平緩且相近。

4.3 轉向半徑分析

選取前輪轉角為5°，車速為0～40 km/h，可得出車輛低速轉向時，前四輪轉向(4WS)和全輪轉向(AWS)的轉向半徑對比圖，如圖6所示。

圖6 轉向半徑對比圖

由圖6可知，低速時全輪轉向(AWS)的轉向半徑明顯比前四輪轉向(4WS)的轉向半徑小，說明采用質(zhì)心零側偏角比例控制的AWS相比4WS在低速時能減小車輛的轉向半徑，提高車輛的機動靈活性。

5 結論

(1)全輪轉向的轉向中心不是固結于一點的，而是隨著車速的提高不斷后移。

(2)由于轉向中心的不斷后移，全輪轉向車輛低速轉向行駛時進行逆相位操作，而在中高速轉向行駛時進行同相位操作。

(3)質(zhì)心零側偏角比例控制的AWS相比4WS在低速時能減小車輛的轉向半徑，提高車輛的機動靈活性。

［1］ 袁 磊，劉西俠，金 毅，等.一種具有不同轉向模式的多軸轉向車輛設計［J］.機械設計與制造，2012(10):33-35.

［2］ 陳思忠，孟 祥，楊 林，等.三軸車輛多輛轉向技術研究［J］.北京理工大學學報，2005(8):675-683.

［3］ 王 倩，藺 毅.汽車動力轉向系統(tǒng)的發(fā)展［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009(3):45-46.

［4］ 李 爽.七軸車輛比例控制轉向研究［D］.長春:吉林大學，2008.

［5］ 余志生.汽車理論［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1990.

［6］ 郭孔輝.汽車操縱動力學［M］.長春:吉林科學出版社，1991.

［7］ 喻 凡，林 逸.汽車動力學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［8］ Liu Xixia，Yuan Lei，Jin Yi，et al.All-wheel Steering Technology and Its Development Prospects of Wheeled Vehicles［J］.2011 International Academic Conference on Numbers Intelligence Manufacturing Technology and Machinery Automation(MAMT 2011)，2011(12):256-261.