汽车四轮转向系统的工作原理琪琪操作稳定性研究论文Word下载.docx
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1.四轮转向系统工作原理
我们以德尔福公司的Quadrasteer四轮转向系统为例对四轮转向进行介绍，它也是目前最为先进的四轮转向系统之一。
Quadrasteer通过安装在后轴壳体内的电控电机驱动执行器（类似转向齿条）来控制后轮的转向动作，其控制指令的生成源自传感器与复杂的电子控制单元ECU。
与机械式连杆操纵方式不同，Quadrasteer系统的后轮转向应用了最新的汽车电子技术一线控技术。
根据现时车速的不同，系统转向后轴具有三种转向动作：
异相、中相和同相。
低速行驶时，后轮转弯方向与前轮相反，这就是异相。
中速行驶时，后轮笔直而保持中相。
高速行驶时，后轮处于正相，和前轮转弯方向相同。
在低速行驶时，异相拖曳操纵，尾部跟随车辆的真实轨迹，比两轮转向更紧密。
这使得在城市交通中的驾驶更容易。
低速操纵时，如倒车上船板或野营带拖车停车时，Quadrasteer将使操纵更容易。
倒拖车时。
负相极大地改进拖车对转向动作的反应，更容易使车辆就位。
系统有四个主要部件一一前轮定位传感器、可转向的整体准双曲面后轴、电动机驱动的执行器以及一个控制单元。
当按动按钮选定四轮转向（4WS或4WS挂车）模式时，Quadrasteer系统处于激活状态。
Quadrasteer系统配备了两个传感器，其中一个传感器安装在转向柱上，用以检测转向盘的转向角度；
同时另一个传感器安装在变速器上，用于提供车速信号。
来自这两个传感器的信号都能及时传递至ECU。
事实上，ECU是一个包含两个具有IOMHz运行速度及128K内存的微处理器的集成单体。
每只微处理器根据转向及车速传感器的输入信息进行独立运算，并同时启动系统自检功能以确定系统自身功能是否正常。
然后，ECU通过比较两个微处理器的计算数据来确定转向令是否正在正确执行。
如果一切正常，那么ECU将启动后轴转向驱动电机。
在此过程中，微处处器以0.004s/次的频率持续不断地反复进行转向角度的计算和转向系故障自检。
一旦四轮转向系出现异常或传感器出现错误时，后轴转向执行电机立即自动驱动后轴回正，同时，系统由4WS切换进入2WS（传统的2前轮转向）的安全转向模式。
即便在转向过程中ECU出现灾难性故障，后轴转向齿条机构内部的回位弹簧也能够使后轴慢慢回复中立位置，并同时使后轮转向电机关闭以阻塞后轮的转向动作。
2.四轮转向系统优点
德尔福Quadrasteer四轮转向技术极大地提高了SUV、MPV、大型皮卡和卡车的操纵性及舒适性。
简单地说，Ouadrasteer系有如下优点：
首先，缩小车辆低速转向时的转弯半径。
在低速转向时，车辆因前后轮的反向转向能够缩小转弯半径达20%。
四轮转向技术使大型车辆具有如同小型车班的操纵及泊车敏捷性。
其次，明显改善车辆高速行驶的稳定性。
当在高速行驶中转向时，四轮转向系统通过后轮与前轮的同相转向，有效降低/消除车辆侧滑事故的发生几率，明显改善车辆高速行驶的稳定性及安全性，进而缓解驾驶者在各种路况下（尤其是在风雨天）高速驾车的疲劳程度。
再次，提高了车辆的挂车能力。
通过转向后轴对挂车的转向牵引，四轮转向系统极大地提高了车辆挂车行驶的操纵性、稳定性及安全性
3.四轮转向的发展前景
从20世纪80年代末期到今天，日本汽车制造商一直延续着独立采用四轮转向的传统。
但四轮转向受到了电子稳定控制系统和横向偏摆控制系统的威胁，这两种装置都能够便四轮转向系统一样纠正转向不足/转向过度，而不会导致成本和重量增力口过多不利影响。
日产SkylineGT-R仍在向世人证明四轮转向是具有价值的挑战性驾控特性。
通过电脑辅助，日产的超级HICAS系统启用了严密控制的直排轮刹车，这种形式可以被任何一种替代手段予以贯彻。
当您面临弯角的挑战时，后轮将首先逆向转向，以便提升初始转向响应的敏锐度。
然后，当传感器感应到汽车回应转向操控时，后轮将在与前轮相同的方向转向，从而立刻导入后胎的滑动响应，这种响应可有助于调整攻弯的角度。
由于电脑在监控着整个过程，转向过度量将一直得到抑制。
所以现在除了一些大型卡车和赛车使用外，乘用车几乎都没有使用，四轮转向技术极大地提升了大型车辆的操纵性、稳定性、安全性及舒适性，是一项与防抱制动系统ABS、牵引力控制系统TCS相媲美的具有划时代意义的汽车技术革命，改变了大型车辆的未来，并可望于未来的5年内成为大型车辆最受欢迎的选装件之一。
4.四轮转向汽车后轮转向装置的类型
随着对4WS这一领域研究的不断进展，出现了多种不同转向要求、不同结构型式
（b）同相位转向
（a）逆相位转向（图1）
四轮转向汽车的前、后轮偏转规律。
转向模式开关：
前轮转角传感器：
后轮转角传感器：
车速传感器：
横摆角速度传感器:
ECU:
后轮转向:
执行机构:
传动机构.
如图2，4WS控制系统工作原理图,转向模式指示灯。
控制策略的实用4WS系统。
按控制后轮转向的方法，后轮转向装置主要可分为转角随动型和车速感应型两种。
4.1
转角随动型
转角随动型四轮转向装置的工作特点是后轮偏转受前轮偏转控制，作被动转向，即后轮偏转方向和转角大小受方向盘转动的方向和转角大小的控制（如图3所示）。
结构上通过一根后轮转向传动轴将前、后轮转向机构相连，一般都采用机械式传动和人力直接控制。
早期应用在军用车辆、工程车辆上的4WS系统、装于本田Prelude轿车上的4WS系统就是采用全机械式的转角随动型四轮转向装置。
这种4WS系统存在一定的系统结构和动态控制的局限性，尤其在高速急转弯时，使汽车的操纵稳定性恶化，在现代的4WS系统中已很少采用。
4.2车速感应型
车速感应型四轮转向装置的工作特点是后轮偏转的方向和转角大小主要受车速高低的控制，在转向过程中，同时还受前轮转角、侧向加速度、横摆角速度等动态参数的综合控制作用。
这种4WS系统综合考虑了汽车的各种动态参数对汽车转向行驶过程中的操纵稳定性的影响，动态模拟控制效果好，是目前4WS汽车上主要采用的四轮转向装置。
按照控制和驱动后轮转向机构的方式不同，4WS系统可分为机械式、液压式、电控机械式、电控液压式和电控电动式等几种类型。
5.汽车操纵性能仿真分析
在此基础上，我们可以得到前轮转向阶跃输入时的操纵稳定性的参数反馈。
考虑二轮转向（前轮转向，K=0）和四轮转向汽车两种情况.为了验证四轮转向汽车的优点，我们选择一辆汽车进行仿真分析。
表1为该汽车的结构参数。
在仿真过程中我们选择两种速度：
以20km/h作为低速和以60km/h作为高速分析。
图4为不同车速下的偏摆角变化曲线。
图5为在不同车速下的重心偏移角变化曲线。
图6为在不同车速下的角速度频率响应曲线。
图7为汽车在稳态条件下角速度增益变化曲线。
从图4中可以看出，在低速时四轮转向汽车的偏摆角大于二轮转向汽车，相应的转向半径较小。
在低速时，四轮转向汽车比二轮转向汽车更加灵敏，且泊车时更加舒适。
在高速时，四轮转向汽车偏摆角小于二轮转向汽车，车身姿态可以得到很好的控制。
从图5中可以看出，不管在低速还是高速的情况质心侧偏角基本为零，并且都能很快达到稳定状态；
而且，在同样高速情况下四轮转向汽车的侧偏角变化比二轮转向汽车小，能够很好地控制车身姿态。
从图6中可以看出，在低速时四轮转向汽车角速度振幅比二轮转向汽车的大，相应的转向半径也较小。
其相位也一样。
在高速时，四轮转向汽车角速度振幅比二轮转向汽车的小，这样就能够很好地控制车身姿态。
从相位曲线中可以看出，四轮转向汽车的反应比二轮转向汽车慢。
因此，四轮转向汽车的敏感性不是很好。
从图7中可以看出，在低速时四轮转向汽车出现转向过多，而在高速时出现不足转向。
总之，我们已经知道了四轮转向汽车汽车能够提高相应的操纵稳定性。
6.利用虚拟样机技术对四轮转向汽车进行动态分析
随着虚拟样机技术的广泛应用，汽车工业发生了巨大的变化。
ADAMS（机械系统动力学自动分析）是虚拟样机技术的优秀产品；
利用ADAMS软件，你可以轻松地对车辆进行动态仿真。
为了分析四轮转向汽车的操纵稳定性，首先利用ADAMS建立汽车虚拟样机模型，如图8,所示，其中包括底盘，双横臂式悬架，转向节，轮胎（处理轮胎）等等。
然后利用ADAMS进行驾驶模拟仿真，分析结果如图9和图10.
从上图中我们可以得到相同的结论，就是四轮转向汽车有效地能够提高汽车在高速时的操纵稳定性和在低速时的灵敏性。
7.结论
传统的二轮转向汽车（2WS）具有在低速时转向半径大，高速时操纵稳定性差的确定。
四轮转向汽车的研究可以作为提高汽车操纵稳定性的一种手段。
为了研究四轮转向汽车的运动稳定性，笔者做了如上所述的数学分析和虚拟样机分析。
有结果可得，四轮转向汽车在低速时转向半径小，在高速时操纵稳定性好。
这些充分表明了四轮转向汽车在正常行驶、泊车舒适性、驾驶安全和变道行驶时能够提高汽车的操纵稳定性。
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