基于四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向操縱桿式汽車綜述

郭增江 李剛 張琳偉 趙士博

摘 要：四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向電動汽車必定是未來發(fā)展的方向，針對四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向電動汽車的發(fā)展和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，論文進行了綜述。首先介紹四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向電動汽車的結(jié)構(gòu)和控制特點，對四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向電動汽車國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概括并進行說明。并對四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向操縱桿式電動汽車提出一些存在的問題，并展望未來操縱桿轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向汽車;線控轉(zhuǎn)向;操縱桿式轉(zhuǎn)向器

中圖分類號：U469.72? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）17-236-03

Overview of independent steering lever vehicle based on four wheel independent drive

Guo Zengjiang， Li Gang， Zhang Linwei， Zhao Shibo

（ School of Automotive and Traffic Engineering， Liaoning University of Technology， Liaoning Jinzhou 121001 ）

Abstract： Based on the fact that four-wheel independent drive and independent steering electric vehicle must be the future development direction， this paper summarizes the development and research status of four wheel drive independent steering vehicle at home and abroad. Firstly， the structure and control characteristics of four wheel drive independent steering vehicle are introduced， and the research status of four wheel drive independent steering vehicle at home and abroad is summarized and explained. Some existing problems of the four-wheel independent drive and independent steering lever electric vehicle are put forward， and the development trend of the joystick steering system in the future is prospected.

Keywords： Four wheel drive independent steering vehicle; Steer by wire; Lever steering system

CLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-236-03

前言

作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，新能源汽車的發(fā)展在2020年兩會上受到了廣泛關注，政府工作報告中提出，將重點支持既促消費惠民生又調(diào)結(jié)構(gòu)增后勁的“兩新一重”建設，加強新型基礎設施建設，發(fā)展新一代信息網(wǎng)絡，拓展5G應用，建設充電樁，推廣新能源汽車，激發(fā)新消費需求、助力產(chǎn)業(yè)升級。展現(xiàn)了汽車行業(yè)企業(yè)對社會熱點的積極回應和責任擔當：面對突如其來的新冠疫情，我們?nèi)亳Y援，履行車企使命;面對日益嚴峻的氣候變化及挑戰(zhàn)，我們積極應對，驅(qū)動綠色未來。因此，研發(fā)和采用新能源作為主要動力的汽車，是重中之重的。其中最具代表的目前發(fā)展最為廣泛的就是電動汽車。電動汽車電為動力能源，具有環(huán)境污染小，噪音低，使用效率高和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。隨著汽車電氣行業(yè)在控制產(chǎn)品成本、改善續(xù)駛里程和優(yōu)化負載效率方面的發(fā)展，關鍵的技術(shù)進步，這必將取代內(nèi)燃機汽車市場的傳統(tǒng)地位。而四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向的布置形式也將是電動汽車終極的驅(qū)動形式。

四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向電動汽車是未來電動汽車發(fā)展的方向。將輪轂電動機安裝在電動車車輪上，可以消除中央式電動車驅(qū)動電動機與車輪之間的復雜傳輸系統(tǒng)，并簡化整車結(jié)構(gòu)。同時，四輪電動車輛自主驅(qū)動可以提供一種靈活和可靠的自主驅(qū)動形態(tài)以及一種快速和精確的轉(zhuǎn)矩響應，從而提供更好的控制和安全性能。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機不同的是，電動車輛的驅(qū)動形式從內(nèi)燃機轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱訖C。分布式驅(qū)動和獨立的線控控制方式提高了整個車輛底盤空間的使用和傳輸效率。

四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向電動汽車采用線控技術(shù)，，消除傳統(tǒng)車輛的機械傳動機構(gòu)，允許四個輪轂電機和四個轉(zhuǎn)向伺服電機獨立驅(qū)動和轉(zhuǎn)向。并且分別對每個車輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角進行更精確和更快速的控制。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

在這一方面，日本一直處于比較先進的研究國家。豐田汽車于2005年發(fā)布了Fine-N概念車，配備了4臺20千瓦輪轂電機。如圖1所示。

法國米奇林公司開發(fā)了驅(qū)動、制動和主動懸架功能集一體的輪轂電機總成，其結(jié)構(gòu)非常緊湊，命名為Active wheel。

美國布羅法大學的學者提出了幾種操縱桿線控轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，同時利用臺架實驗對每個系統(tǒng)進行了實驗驗證。

Brian Andonian等為具有14度自由度的操縱桿控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建造了一個實驗操縱模擬器，可以很好地完成車輛行駛過程中姿態(tài)的仿真模擬，并對操縱桿的傳動比與實際路感的反饋進行了研究分析，實驗結(jié)果證明操縱桿在緊急情況下表現(xiàn)出更好的性能特征。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對4WID/S電動汽車的研究開始較晚，以比亞迪、吉利汽車、蔚來汽車、愛馳汽車等為首的電動汽車企業(yè)發(fā)展迅速，但是目前還未有四輪獨立驅(qū)動四輪獨立轉(zhuǎn)向的電動汽車量產(chǎn)車型出現(xiàn)，這一類型主要是各高校的研究。

“春暉”是同濟大學研發(fā)出的一系列的分布式電動車，而最具代表性的就是“春暉三號”，“春暉三號”動力參數(shù)為車輛最大功率為 30kw，最高車速為 90km/h。分布式車輛的科學研究提供了分布式結(jié)構(gòu)車輛的可靠性和舒適性的多定量場景。

此外，遼寧工業(yè)大學在四輪獨立驅(qū)動四輪獨立轉(zhuǎn)向電動汽車的底盤架構(gòu)、主動穩(wěn)定性控制、控制器開發(fā)等方面也做了大量研究工作。

吉林大學的學者綜合分析四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向操縱桿式汽車的轉(zhuǎn)向的很多特點，針對性操縱性和舒適性，進行大量的研究，主要研究隨著車速不斷變化和操縱桿角速度變化的變角傳動比控制策略，同時針對操縱穩(wěn)定性的經(jīng)典工況進行了仿真實驗，實驗證明汽車的操縱穩(wěn)定性得到了提升。

2 操縱桿式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改變了汽車傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向的方式，機械轉(zhuǎn)向的方式被線控技術(shù)逐漸代替由于線控系統(tǒng)的諸多性能優(yōu)勢，國內(nèi)外已經(jīng)進行了大量的理論和實驗研究。但是，其研究的重點還是針對基轉(zhuǎn)向盤控制方式的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該線控系統(tǒng)肅然有利于目前駕駛員的駕駛習慣，但是沒有完全發(fā)揮出線控轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢。

在現(xiàn)存的新型轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)中，操縱桿是代替轉(zhuǎn)向盤控制汽車線控系統(tǒng)最佳選擇，用轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向和使用操縱桿轉(zhuǎn)向存在很大差別。減少了駕駛艙內(nèi)的機械部分包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱和踏板，使改進駕駛室的設計和安全性有了新的可能性，而且在發(fā)生事故時對駕駛員的危害會大大降低，駕駛艙的增大同樣會為碰撞過程提供更多的緩沖空間駕駛員的腿部也可以更加自由，他們只需抓住操縱桿就行了不需要腳步的操控。另一方面，控制桿提供了多自由控制，隨著汽車線性控制技術(shù)的日益使用，能夠綜合控制轉(zhuǎn)向、制動系統(tǒng)，車輛的驅(qū)動和懸架等系統(tǒng)，并適應不斷擴大的汽車功能。

3 總結(jié)

（1）對于四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向汽車國內(nèi)外的研究也越來越多，控制策略也越來越豐富，隨著技術(shù)的不斷進步四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向汽車也定會成為電動汽車的最終的存在形式。

（2）關于操縱桿研究，在國內(nèi)外都很少，而且也沒有全面的研究，只是對角傳動進行了研究，未來可以在操縱桿的力傳動比等方面進一步擴展研究。針對變傳動比的控制方式上應該考慮一些智能控制算法。從而使操縱桿的性能優(yōu)勢能夠完全發(fā)揮出，并且進一步提高駕駛員的安全性能以及駕駛員的操縱性行駛穩(wěn)定性。

參考文獻

[1] 鄭宏宇，宗長富，田承偉等基于理想轉(zhuǎn)向傳動比的汽車線控轉(zhuǎn)向控制算法.吉林大學學報（工學版），2007，37（6）：1229-1235.

[2] 王俊，邵文斌.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變角傳動比的研究.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2017，55（12）：33-36.

[3] Tavoosi V，Kazemi R，Oveisi A.Nonlinear adaptive optimal control for vehicle handling improvement through Steer-by-Wire system. Jour -nal of Central South University（中南大學學報（英文版））， 2014，21 （1）：100-112.

[4] 李迎迎.某轎車操縱桿線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變傳動比研究.吉林大學碩士學位論文，2015.

[5] Motoaki Hosaka，Toshiyuki Murakami.Yaw Rate Control of Electric Vehicle Using Steer-by-wire System. In：IEEE，2004： 31-34.

[6] 李剛，趙德陽，雷永強等.四輪獨驅(qū)電動車主動轉(zhuǎn)向與橫擺力矩集成控制.制造工程，2017（10）： 54-58.

[7] YUICHI O，YUTAKA O，TAKESHI G， et al.Design concept and advantages of steer-by-wire system[R].SAE，2008-01-0493，2008.

[8] NAOHIRO Y， JUN T.Advanced steering system adaptable to lateral control task and drivers intention[J].Vehicle System Dynamics， 2001， 36（2）：119-158.

[9] 施國標，趙萬忠，王成玲等.線控轉(zhuǎn)向變傳動比控制對車輛操縱穩(wěn)定性的影響.北京理工大學學報，2008，28（3）： 207-210+236.

[10] 鄭宏宇，李君，宗長富等.線控轉(zhuǎn)向汽車橫擺角速度增益優(yōu)化設計[J].吉林大學學報，2012，42（1）：7-12.

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.17.083