乘用车转向系毕业设计.docx

兰州工业高等专科学校毕业设计说明书1 汽车发展是概括1.1 汽车发展史概括自第一辆汽车1886年问世至今一百多年时间内，汽车工业从无到有，迅猛发展，产量大幅度增加，技术日新月异。目前全世界汽车的保有量已经超过5亿辆，年产量近5000万辆，主要的汽车生产国家是：日本、美国、德国、法国、原苏联、意大利、英国等国家，其中美国和日本的汽车产量约占全世界汽车产量的50，欧洲各国总计占30。汽车工业突飞猛进，技术日新月异的同时，汽车类型也在不断的细分。如今，汽车可分为：轿车、客车、货车、牵引汽车、特种用途汽车等种类。其中，轿车又可分为：微型轿车、普通级轿车、中级轿车、中高级轿车和高级轿车5种。当今社会，完全可以由一个国家的汽车工业发展水平来衡量其经济发展和国民生活水平。因此，不断提高我国的汽车设计制造水平，能大大推动我过经济发展，提高我国的国际地位。1.2 中国轿车工业发展现况目前，中国轿车在中国汽车工业发展的基础上，已经开始起步并不断发展，轿车已经在逐步进入中国家庭，并且希望在不久的将来，将会是一种家家有轿车的状况。但是，相对与国际轿车的设计制造水平而言，中国的轿车生产水平与国际最高水平还差很大一截。当前的国产轿车，绝大部分是中外合资或技术引进，这对于一个文化源远流长的国家来讲，显然是不合理的现况。要不断提高我国的轿车制造水平，加快脚步赶上国际水平，就需要加大力度普及全民素质教育，政府鼓励扶持轿车设计领域的人们不断进行技术创新，加大投资；并需要一段较长的时间。轿车曾经是权利与地位的象征，如今也不例外，不同的是当今社会，轿车同时也是财富的象征，生活水平提高的一个真实写照。所以，有这么一个情况存在，就是人人都想拥有自己的轿车，而且，随着人类生活步调的加快，也可以说是人人都需要一部汽车。但就目前中国的经济发展水平而言，能买得起轿车的家庭在全国来讲根本占不上比例。针对目前中国经济发展水平现状，综合中国国民的消费观念，加大微型轿车的市场占有量，能更好的满足广大国民的消费需求，同时也能很好的刺激消费，推动中国轿车工业的进一步发展。微型轿车体积小，整车结构简单，发动机工作容积小，成本低，符合众多家庭的购买能力，因而深受广大消费者的欢迎。要使微型轿车能进驻中国的每一个家庭，能为广大国民接受并购买，一方面要求极力降低轿车的生产成本，使之符合国民的购买能力；另一方面又要求微型轿车在架构简单，成本低廉的基础上，要能达到一定的使用性能要求，因为谁也不希望自己的轿车问题百出；同时，还要考虑当今世人最关注的环保问题，即排放要符合环保要求。综合这考虑这3个方面而设计制造出来的轿车，才称得上是一部合格的轿车，才会被人们所接受。1.3 汽车转向系统设计技术发展概括汽车设计技术的不断研究、发展，汽车转向系统设计技术也在不断的创新，提高。从以前的机械设转向系统，发展到今天的动力转向系统；从以前的结构简单的转向系统，发展到今天的复杂，高效的转向系统；从以前的两轮转向发展到今天的四轮转向；从以前的一体结构发展到今天的分段组合结构；转向器种类多样化，分为齿轮齿条式、循环球式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等数种。其中轿车一般都使用齿轮齿条式转向器。转向轴及转向管柱由以前的整体式发展到今天的分段吸能式，能减少汽车出险时传给方向盘的冲击，有效保护驾驶员的生命安全。总之，相比从前，今天的转向系统有操纵轻便、结构复杂、工作安全可靠、分段吸能、多轮转向、智能化不断提高等特点。1.4 微型轿车转向系统及其与整车的关系 微型汽车体积小，可谓小巧玲珑，适合在中小城市及城乡使用，适合3口人家使用，是现在轿车发展的一个重要分支，深受广大城乡居民的欢迎。微型轿车成本低，售价不高，既符合中国小康家庭的购买能力，又符合中国当前的经济发展水平。转向系统作为微型轿车的一个重要组成部分，其设计制造水平及其成本，对轿车整车性能和成本的影响很大。提高转向系统的设计水平，能提高微型轿车的整车性能；降低转向系统的制造成本，能有效降低微型轿车的生产成本。微型轿车转向系统要求结构简单、操纵轻便、安全可靠、有自动回正功能并要求造价低，加在转向盘上的力不许超过200N，转向圈数不超过3.6圈。轿车一般使用齿轮齿条式转向器，并采取与汽车前进方向垂直的横向布置方案，转向节臂与转向桥做成一体，直接通过转向横拉杆与转向器连接，结构非常简单紧凑。齿轮齿条式转向器的传动副为齿轮与齿条，其结构简单、布置方便、制造容易、成本低，但转向传动比较小，且齿条沿其长度方向磨损不均匀，故广泛用于微型汽车和轿车上。齿轮齿条式转向器的工作效率一般是7080。为保证转向器的工作效率，工作寿命和工作平稳、安全可靠，齿轮齿条一般采用斜齿的型式。齿轮齿条材料当选用硬度大，耐磨性好的钢，并进行必要的工艺处理，达到工作性能要求。总之，微型轿车转向系统的设计，不但要求采用现代设计技术，使其使用性能符合国际标准，而且在成本方面，要力求降低成本，从而降低整车的生产成本，使广大消费者有能力购买。 2 转向系技术的最新发展2.1 电动助力转向系统技术汽车的转向，通过汽车转向系统来完成。汽车转向性能是汽车的主要性能之一,转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性,它对于确保车辆的安全行驶、少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。依据提供转向能源的不同，汽车转向系统可以分为机械转向系统和动力转向系统两大类。机械转向系统以驾驶员的体力为转向能源，系统的所有传力部件都是机械的，可靠性高，受外界干扰较小。但是由于受驾驶员自身力量的限制，机械转向系统输出的转向力矩相对较小，因而其应用范围受到限制。动力转向系统是在机械转向系统的基础上加设一套转向助力装置而形成的，其转向能源少量依靠驾驶员体力，大部分由助力装置来提供。动力转向系统中应用的助力装置主要有液压助力系统、电控液压助力系统和电动转向系统。目前，绝大多数商用汽车和约50的轿车都采用动力转向系统，微型轿车也开始安装动力转向装置。液压助力转向系统从发明到现在已经有了大约半个世纪的历史，可以说是一种较为完善的系统。电控液压助力装置，并没有从根本上解决液压助力装置存在的不足。随着汽车微电子技术发展，汽车燃油节能的要求以及全球倡导环保，其固有的不足已经越来越明显，不能完全满足时代发展的要求。电动助力转向系统( Electric Power2Assisted Steering ,简称为EPAS)使用电动机的动力帮助驾驶员进行转向。该系统将最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车转向系统，能够显著改善汽车的动态性能和静态性能，提高汽车行驶中驾驶员的舒适性和安全性，减少环境污染等。Lucas公司称到，在汽车转向时，使用和不使用电动转向系统时，就像人在白天和夜晚走路一样。目前，美国德尔福属下的Saginaw、TRW和日本本田、Koyo及德国ZF等几家大公司都在竞相推出自己的电动转向系统，发展前景十分看好。2.1.1 电动助力转向系统的组成根据电机驱动部位不同，电动转向系统可分为转向轴驱动型、小齿轮轴驱动型和齿条轴驱动型。无论何种类型，电动转向系统一般都由转向传感器、车速传感器、微电脑控制单元、电机和离合器及助力机构等部分组成。其中转向轴驱动型（图 1 ）电动转向系统的主要部件及其功能如下：图1-1 转向轴驱动型电动转向系统的组成1 转向传感器用于检测转向盘的转向情况，由力矩传感器和旋转传感器组成。力矩传感器感知转向盘的转向力矩大小，旋转速度传感器感知转向盘的旋转速度，并把感知到的这两个信号传递到微电脑控制单元。转矩传感器采用电位计式传感器。它输出两个彼此独立的电压信号:主信号和副信号,控制单元用副信号来检查主信号是否正确。电动助力转向系统的转矩传感器主要有三种形式: 摆动杆式、双行星齿轮式和扭杆式。摆动杆式是通过测量由转向器小齿轮轴反作用力矩引起的摆杆位移量得到转向力矩的。双行星齿轮式是通过测量与扭杆相连的两套行星齿轮的相对位移得到转向力矩信号值, 扭杆位于转向输入轴和输出轴之间,行星齿轮机构也兼起减速传动机构的作用。扭杆式是通过扭杆直接测量输入轴和输出轴的相对位移, 从而测得转向力矩。图 2 为扭杆式传感器结构图。转矩传感器感应部分包括两个线圈和一个滑套(铁芯)。轴助力式转向系统的转向轴从中间断开,上段为输入轴,下段为输出轴, 输入轴与输出轴之间用扭杆连接。传感器滑套被套在输出轴外,固定在扭杆上的导向销插入传感器滑套的斜槽中,导向销既可随输出轴一同转动, 也能沿传感器滑套的斜槽作上下移动。当道路阻力较小,转动转向盘后,滑套和转向输出轴一同转动,滑套不作上下运动;当道路阻力较高时,转向力矩增大,扭杆发生扭转,输入轴和输出轴的转角不同, 相应的导向销和滑套的转角也不同,导向销将迫使滑套上下移动。这时滑套(铁芯) 外围的两个线圈可检测到运动的大小和方向,从而获得转矩的大小和方向。 图1-2 扭杆式传感器结构图2车速传感器用于检测汽车的型式速度，并进行自诊断，把检测到的信号送入微电脑控制单元。3微电脑控制单元它是整个控制系统的核心，完成对各个传感器输入信号的处理，依据控制规则计算出所需要的参数值，通过驱动电路，实现对电机的控制。电动助力转向系统的控制电路核心是8 位单片机, 带有A/D 转换器和PWM单元，如图 3。转矩、转向角信号和车速经过接口电路被输入到单片机, 单片机根据这些信号计算出最优化的助力转矩,然后把已计算出来的值作为电流命令值输入到电流控制电路。电流控制电路把来自单片机的电流命令值同电机电流的实际值进行比较,并产生一个差值信号。该差值信号被送往电机驱动电路,该电路可驱动动力装置并向电机提供控制电流。当车速超过设定值时,离合器被切断,减速传动机构与电动机脱离, 接着电动机停机。控制单元还具有失效保护和故障自诊断功能。当由电池电压过低检查电路、时钟监督电路和其它检查电路(硬件) 或由微型计算机检测出一个故障时, 微型计算机将记录下故障类型, 点亮仪表板上的故障灯,同时控制器上的故障代码显示灯点亮。此时,电动机的电流被中断, 离合器断开,系统转入人工转向状态。图1-3控制电路框图4电动机和离合器电动机采用永磁直流电动机。在电动机设计时, 应着重考虑如何提高路感、降低噪音和振动。比如在电机转子周缘开设不对称或螺旋状的环槽、靠特殊形状的定子产生不均匀磁场等都可改善电动机的性能。离合器采用电磁式离合器,其由控制单元根据车速的快慢来控制。当车速在设定车速以上时,电磁离合器切断, 电动机不再提供助力, 此时, 系统不受电动机惯性力矩的影响,转入人工转向状态；在设定车速之下,电磁离合器接合, 转入助力转向状态。为了改善转向特性, 离合器设计时要让它具有一定的滞后特性。5助力机构使电机产生的旋转力矩转化为横拉杆的轴向力，由横拉杆作往复运动使车轮左右摆动，实现汽车转向。2.1.2 转向轴驱动型电动转向系统的工作原理转向传感器感知转向盘的转向力矩和旋转速度，同时把信号输入到微电脑控制单元。车速传感器采集的汽车行驶速度信号也输入微电脑控制单元。微电脑控制单元一方面根据输入的转向盘力矩、旋转速度和汽车行驶速度信号值，得到最佳转向特性。并计算输出数据；另一方面依据从各个传感器传来的信号，检测转向状况并决定采用何种控制模式。同时将输出的数据和控制模式开关信号输入到功率单元驱动电机。电机产生的旋转力矩通过助力机构转化为横拉杆的轴向力，通过横拉杆作往复运动使转向车轮左右摆动，实现汽车转向。2.1.3 电动转向系统的特点与其他转向系统相比，电动转向系统有其自身独特的特点和优势。正因为如此，该系统自20世纪90年代初出现以来，便受到了许多大的汽车公司的重视，并竞相进行开发和研究，使其成了汽车电子控制系统中的一个新的亮点。该系统的特点体现在：1降低了燃油消耗液压转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，因而浪费了部分能量。相反，电动转向系统仅在需要转向操作时才需要电机提供的能量，该能量既可以来自蓄电池，也可以来自发电机。而且，能量的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关：当转向盘不转向时，电机不工作；需要转向时，电机在控制单元的作用下开始工作，输出相应大小及方向的转矩以产生助力。不仅如此，电动转向系统还能够 在汽车原地转向时输出最大转向力矩，并且输出的最大转向力矩随着汽车行驶速度的改变而改变，从而实现了“按需供能”，是真正的“按需供能型”转向系统。2提供可变转向力矩机械转向和液压助力转向时，转向机构所获得的转向力矩与转向盘提供的力矩成正比，与汽车的状态无关。电动转向系统提供的转向助力不仅与转向盘提供的力矩大小有关，而且与汽车的状态有很大的关系；电机提供的力大小即转向机构获得的力的大小，不仅与转向盘传递的力矩有关，也与车速有关，能在不同的车速时提供不同的转向助力。3改善了转向路感在电动转向系统中，电动机与助力机构直接相连可以使电机提供的能量直接用于车轮转向。该系统利用惯性减震器的作用，使车轮的反转和转向前轮摆振得以大大减小，因此转向系统的抗动能大大增强。与液压助力转向系统相比，电动转向系统的转向力矩产生于电机，没有液压助力转向系统的转向迟滞效应，增强了转向轮对转向盘的跟随性能。同时，通过灵活的软件编程，容易得到电机在不同的车速及不同的车况下的转矩特性（这种转矩的特性是的电动转向系统能够显著地提高转向能力），提供了与车辆动态性能想匹配的转向回正特性（在实际应用中，这种特性可以通过控制单元程序修改表值很容易实现）。4提高了操纵稳定性通过对汽车在高速行驶时过度转向的方法，可以测试汽车的稳定特性。采用该方法，给正在高速行驶的汽车一个过度的转角（90度）来迫使它侧倾，在短时间的转向盘自回正过程中，由于采用了微电脑控制，是的汽车去有了更高的行驶稳定性，驾驶员由更舒适的感觉。5“绿色能源”适应现代汽车的要求。由于电动转向系统应用“最干净”的电力作为转向能源，完全取消了液压装置，不存在液压助力转向系统中的也太油泄漏 问题，因此可以说电动转向系统顺应了“绿色化”的时代趋势。6减轻了驾驶员的工作强度7能为全轮转向、电动汽车及未来的智能汽车提供转向技术支持。8结构简单，体积小，质量轻，占用空间小，布置方便，性能优越由于应用数字控制技术和电子集成技术，电动转向系统不仅比传统的液压助力系统和电控液压助力系统结构简单，而且具有经济的性能价格比。9生产线装配性好电动转向系统没有液压助力系统所需要的油泵、油管、流量控制阀、储油罐等部件，零件种类和数量都大大减少，减小了装配工作量，节省了装配时间，提高了装配效率。10耐严寒即使在- 40 的低温下, EPAS 也能够很好地工作,而传统的液压系统要等到液压油预热后才能正常工作,这也节省了能量2.1.4 电子控制式电动助力转向系统的发展趋势电动助力转向系统出现十几年来, 在降低系统自重、减少生产成本, 控制系统发热、电流消耗、内部摩擦, 以及与整车进行匹配获得合理的助力特性, 保证良好的路感等方面取得了重大进步。电动助力转向系统在操纵舒适性和安全性、节能等方面充分显示了其优越性, 应用前景广阔。未来的发展趋势是:1进一步改善控制性能, 使之更好地与不同档次汽车相适应。如改进电动机控制技术, 消除由于电动机较大惯性、摩擦力所带来转向时路感不足等缺点, 使电动助力转向系统也能批量使用在重型货车上。2实现电动助力转向系统控制单元与汽车上其它控制单元的通讯联系, 以实现控制系统的一体化。3提高系统的可靠性。这应从提高系统各元部件的可靠性入手, 如采用非接触式转矩传感器等。4进一步简化系统, 减小控制单元和驱动单元的体积, 控制生产成本。2.2 汽车的转向技术随着现代道路交通系统和现代汽车技术的发展,人们对汽车的转向操纵性能和行驶稳定性的要求日益提高。作为改善汽车操纵性能最有效的一种主动底盘控制技术四轮转向技术,于二十世纪80 年代中期开始在汽车上得到应用,并伴随着现代汽车工业的发展而不断发展。汽车的四轮转向(Four - wheel Steering 4WS) 是指汽车在转向时,后轮可相对于车身主动转向,使汽车的四个车轮都能起转向作用。以改善汽车的转向机动性、操纵稳定性和行驶安全性，其研究发展很有现实意义。四轮转向汽车的后轮不仅可以与前轮统同方向偏转，而且也可以与前轮的偏转方向相反。其偏转规律是：在高速行驶或转向盘转角小时，前、后轮的偏转方向相同；而在低速行驶或转向盘的转角大时，后论的偏转方向与前轮的偏转方向相反。后论按一定的比例与前轮同向偏转时，可提高汽车高速行驶或在侧向风力作用下时的操纵稳定性；后论与前轮的偏转方向相反时，可改善汽车中、低速行驶的操纵稳定性、低速行驶时的操纵轻便性及减小汽车的转小转弯半径。2.2.1 四轮转向汽车的转向特性14WS 汽车与2WS 汽车转向过程分析普通两轮转向汽车(2WS 汽车) 的前轮既可绕自身的轮轴自转又可绕主销相对于车身偏转,而后轮只能自转而不偏转。当驾驶员转动方向盘后,前轮转向,改变了行驶方向,地面对前轮胎产生一个横向力,通过前轮作用于车身,使车身横摆,产生离心力,使后轮产生侧偏,改变前进方向,参与汽车的转向运动。而4WS 汽车的后轮与前轮一样,既可自转也能偏转。当驾驶员转动方向盘后,前、后轮几乎同时转向,使汽车改变前进方向,实现转向运动。2WS 汽车在转向时,前轮作主动转向,后轮只是作被动转向。显然,2WS 汽车在转向过程中,从方向盘转动到后轮参与转向运动之间存在一定的滞后时间。2WS 汽车的这种相位滞后特性使汽车转向的随动性变差,并使汽车的转向半径增大。另外,2WS 汽车在高速行驶时,相对于一定的方向盘转角增量、车身的横摆角速度和横向加速度的增量增大,使汽车在高速行驶时的操纵性和稳定性变差。而4WS 汽车在转向时,前、后轮都作主动转向,在转向过程中,灵敏度高,响应快,有效地克服了上述缺点。2 4WS 汽车的转向方式根据理论分析研究和大量路试表明,四轮转向能够提高汽车转向的机动灵活性和高速行驶时的操纵稳定性,现代4WS 汽车就是根据这一指导思想研制的。一般来说,4WS 汽车在转向过程中,根据不同的行驶条件,前、后轮转向角之间应遵循一定的规律。目前,典型4WS 汽车前、后轮的偏转规律一般如下所述。（a）逆相位转向 如图 1(a) 所示,在低速行驶或者方向盘转角较大时,前、后轮实现逆相位转向,即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相反,且偏转角度随方向盘转角增大而在一定范围内增大(后轮最大转向角一般为5左右)。这种转向方式可改善汽车低速时的操纵轻便性,减小汽车的转弯半径,提高汽车的机动灵活性。便于汽车掉头转弯、避障行驶、进出车库和停车场。对轿车而言,若后轮逆相位转向5,则可减少最小转向半径约0.5m。 图2-1 四轮转向汽车的前、后轮偏转规律(b) 同相位转向如图 1(b) 所示,在中、高速行驶或方向盘转角较小时,前、后轮实现同相位转向,即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相同(后轮最大转角一般为1左右) 。使汽车车身的横摆角速度大大减小,可减小汽车车身发生动态侧偏的倾向,保证汽车在高速超车、进出高速公路、高架引桥及立交桥时,处于不足转向状态。现在,有许多4WS 汽车把改善汽车操纵性能的重点放在提高汽车高速行驶的操纵稳定性上,而不过分要求汽车在低速行驶的转向机动灵活性。其工作特点是低速时汽车只采用前轮转向, 只在汽车行驶速度达到一定数值后( 如50km/ h) ,后轮才参与转向,进行同相位四轮转向。3 4WS 汽车的转向特点与普通的2WS 汽车相比,4WS 汽车具有如下特点:优越性: （1）转向操作的响应加快,准确性提高。（2）转向操作的轻便性和行驶稳定性提高。（3）低速时,转弯半径小,转向操作的机动灵活性提高(如图 2所示) 。（4）超车时,变换车道更容易,减小了汽车产生摆尾和侧滑的可能性。（5）抗侧向干扰的稳定性效果好。不足性: （1）低速转向时,汽车尾部容易碰到障碍物。（2）实现理想控制的技术难度大。（3）转向系统结构复杂、成本高。（4）转向过程中,阿克曼定理难保证。 图2-2 低速转向时的转向性能比较2.2.2 四轮转向汽车的组成及工作特性1 现代4WS 汽车的基本组成及工作原理4WS 汽车是在前轮转向系统的基础上,在汽车的后悬架上安装一套后轮转向系统,两者之间通过一定的方式联系,使得汽车在前轮转向的同时,后轮也参与转向。经过几十年的研究与开发,已经成型的4WS 汽车类型有多种,组成、结构不同,控制方式及工作原理也各异。典型的电控4WS 系统主要由前轮转向系统、传感器(如转向角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器等) 、ECU、后轮转向执行机构和后轮转向传动机构等组成。如图3 所示,转向时,传感器将前轮转向的信号和汽车运动的信号送入ECU，ECU进行分析计算,将处理后的驱动信号传给后轮转向执行机构,后轮转向执行机构动作,通过后轮转向传动机构,驱动后轮偏转。同时,ECU 进行实时监控汽车运行状况,计算目标转向角与后轮实时转向角之间的差值,来实时调整后轮的转角。这样,可以根据汽车的实际运动状态,实现汽车的四轮转向。图2-3 4WS 控制工作原理图一般的4WS 汽车设有两种转向模式,既可进入4WS 状态,也可保持传统的2WS 状态,驾驶员可通过驾驶室内的转向模式开关进行选择。当4WS 汽车在行驶过程中电子控制系统出现故障时,后轮自动回到中间位置,汽车自动进入前轮转向状态,保证汽车像普通前轮转向汽车一样安全地行驶。同时,仪表板上的“4WS”指示灯亮,警告驾驶员,故障情况被存储在ECU 中,以便于维修时检码。2 4WS 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、不同结构型式和不同控制策略的实用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。（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,作被动车速之间的关系转向,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4 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。图 4 一种4WS汽车前、后轮转角之间的关系 图 5 一种4WS汽车后轮转角与车速之间的关系（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(如图5 所示) ,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。结构上有全液压式、电控液压式、电控机械液压式和电控电动式等几种类型。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。2.2.3 四轮转向汽车的控制4WS 系统既要实现汽车转向时所需的运动,又要保证汽车转向时的行驶稳定性。目前,在4WS 汽车的研究和开发方面,主要是以改善汽车的瞬态操纵稳定性为出发点,探索由于后轮参与转向而带来的汽车响应变化,以及采用各种后轮控制策略而产生的不同效果。汽车四轮转向的控制依赖于轮胎所受的侧向力,四轮转向能使汽车在转向时,后轮直接参与对汽车横摆运动和侧向运动的控制。通过适时、精确地控制后轮的转向角度,不仅可缩短转向过程的瞬态响应,而且能主动地控制汽车的运动轨迹和姿态。在转向过程中,使汽车的前进方向与其纵向中心线的方向一致,即使得汽车的方向角与姿态角重合,减小转向时车体的侧偏,提高了汽车的侧向稳定性。1 控制目标使汽车在转向时能够基本保持汽车重心侧偏角为零。这样能够大幅度提高汽车对方向盘输入的动态响应特性,很大程度上改善了横摆角速度和侧向加速度的瞬态性能指标,降低车身姿态的变化。从侧偏角为零的目标出发,按照一定的控制程序导出后轮转向函数是实现四轮转向的基础。当然,现代的4WS 汽车也有一些其它控制目标的要求。2 控制策略的模型基础一般情况下进行的4WS 系统的研究都是基于一个简单的二自由度线性车辆模型。这只是一种理想化的数学模型,在建模时忽略了汽车的一些动力学参数的变化,没有考虑汽车行驶过程中产生的许多随机的、不确定因素,因而不是非常精确的。早期的4WS 控制器设计都是基于跟随线性动力学方程的假设,但由于上述原因,使得所设计的控制系统不一定满足实际的需要,无法保证汽车转向时的操纵稳定性。3 控制方法不同的汽车对转向行驶性能的要求不同,不同车型的4WS 汽车的车轮偏转规律也不一样。因此,不同的4WS 汽车所采用的控制方法不尽相同,各种控制方法分别有其侧重点。目前,用在一些成型的4WS 汽车上的控制方法主要有:(a) . 定前、后轮转向比的4WS 系统。(b) . 前、后轮转向比是前轮转角函数的4WS 系统。(c) . 前、后轮转向比是车速函数的4WS 系统。(d) . 具有一阶滞后的4WS 系统。(e) . 具有反相特性的4WS 系统。(f) . 具有最优控制特性的4WS 系统。(g) . 具有自学习、自适应能力的4WS 系统。前五种控制系统属于古典控制理论范畴,只能满足汽车在某些特定条件下的需要,还不能适应汽车运动的随机变化,随着计算机技术和一些先进控制理论的发展,4WS 系统将朝着自适应、智能化的方向发展。4 4WS 系统控制技术的发展目前,对于4WS 汽车的研究和开发仍处于不断发展和完善阶段。尽管科研人员从结构到控制原理上对四轮转向进行了大量的研究,4WS 技术已取得不少进展。但是,在运用现代控制理论进行汽车转向控制策略的确定和控制方法的选择时,主要是依靠经验,相应的理论依据还很缺乏,4WS技术没有真正步入普及应用阶段,在商用汽车上没有得到广泛应用。在技术相对成熟的4WS 汽车中,大多数采用电控液压动力4WS 系统。随着电子技术的飞速发展,计算机技术在汽车中的广泛应用,电控电动4WS 系统将是4WS 汽车的发展趋势。虽然在4WS 系统的研究和开发方面已经取得了很大的发展,但是,作为4WS 系统的核心技术问题4WS 系统控制器的设计,究竟以什么作为最佳的控制目标? 采用什么样的控制方法? 在该研究领域仍然没有较为一致的看法。前已述及,早期进行的4WS 系统的研究都是基于一个简单的二自由度线性车辆模型,4WS 控制器设计都是基于跟随线性动力学方程的假设,采用PID 控制策略。我们知道,4WS系统的控制主要依赖于轮胎所受的横向力。早期的研究是将汽车轮胎看成线性进行建模的,一般的4WS 控制也就基于轮胎所受的横向力比例于车轮侧偏角的假设,这种假设只是在横向加速度较小的范围内有效。当在横向加速度较大的范围内时,轮胎的侧偏特性将进入非线性区域,轮胎侧偏角对轮胎所受横向力的响应不再呈比例关系,与轮胎所受的纵向力、垂直载荷等都有关系。实际上,汽车在转弯行驶时,轮胎基本上都工作在非线性区域。此时,再用线性控制理论来进行研究,就显得勉为其难。4WS 汽车操纵动力学问题是非常复杂的非线性多体动力学问题,对于4WS 控制系统的研究应综合考虑汽车的运动情况,深入研究影响其状态响应的各种动力学参数,建立模拟汽车实际运动情况的数学模型,采取更有效的控制策略。随着控制技术的不断发展,一些先进的现代控制方法已经被应用于4WS 系统的控制研究中,如最优控制、自适应控制、滑模控制、鲁棒控制等,近年来,又出现了模糊控制、基于人工神经网络理论的控制方法等。对4WS 控制系统的研究逐渐从线性领域向非线性领域过渡,一些多自由度的4WS 汽车动力学模型已有提出,但大多处于研究的初级阶段,尚不成熟。未来对4WS 系统的研究的发展趋势主要集中为:(a) 进一步研究、开发新型的后轮转向执行机构和后轮转向传动机构,提高转向时的操纵轻便性、灵活性和转向角度的准确性。(b) 针对4WS 系统,进一步开发、设计高性能、高精度、高灵敏度的传感器,以便于正确地检测汽车的运动信号。(c) 深入研究转向过程中轮胎的瞬态特性,将其作为主要因素加入到4WS 系统的数学模型中。(d) 将先进的控制理论与控制方法应用于4WS 控制器的研究中。(e) 从主观评价出发,考虑闭环综合性能指标,将“人车路”看成一个系统。(f) 基于新控制理论的全主动4WS 系统。(g) 把4WS 技术与其它主动安全技术(如4WD、ABS、ASR、ASC、DYC 等) 相结合,实现汽车主动底盘技术的综合控制,这是主动控制4WS 系统研究的长期目标。3 微型轿车转向系组成转向系是通过对左右转向轮不同转角之间的合理匹配来保证汽车能沿着设想的轨迹运动的机构。它由转向操纵机构、转向器和传动机构组成。3.1 转向操纵机构微型轿车转向操纵机构包括转向盘、转向轴、转向管柱。为了布置方便，减小由于装置位置误差及部件相对运动所引起的附加载荷，提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装，在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节。采用柔性万向节可以减少传至转向轴上的振动，但柔性万向节不宜过软，否则影响转向系的刚度。有些汽车为操纵轻便，安装动力转向装置，但微型轿车轴荷小，成本低，宜采用机械式转向系统。3.2 转向传动机构微型轿车采用齿轮齿条式转向器时，其转向传动机构非常简单。主要是横拉杆和转向节臂省去了转向摇臂、转向纵拉杆、转向梯形臂。其中横拉杆做成分段式，长度可调节，以方便安装。转向节臂与汽车转向桥铸成一体，也属于转向传动机构的以部分。转向横拉杆通过球头销与转向节臂相连，以达到工作安全可靠的性能要求。转向传动机构用于把转向器输出的力和运动传给左、右转向节臂并使左、右转向轮按一定关系进行偏转。3.3 转向器机械转向器是司机对转向盘的转动变为齿条沿车轴轴向的移动，再变为转向节臂的摆动，并按一定的角传动比和力传动比进行传递的机构。转向器是轿车转向系统的核心部分，转向器的效率高低，直接影响转向系统的效率，从而影响轿车的使用性能。4 微型轿车转向器的特点及要求微型轿车转向系统的设计，直接影响轿车的使用性能。要使轿车设计满足一定的使用性能要,那么就要对转向系统的设计有一定要求。4.1 微型汽车转向系统的特点（1）不必加装动力转向装置，结构简单；（2）制造容易，成本低；（3）体积小，布置容易；4.2 微型汽车转向系统要求（1）保证汽车具有高的机动性（2）内外转向轮转角间的匹配应保证汽车转弯行驶时，全部车轮绕同一瞬时转向中心旋转，各车轮只有滚动而无侧滑。（3）转向盘和各转向轮的转角之间应保证在运动学关系和力学关系方面的协调。（4）操纵轻便。转向时加在转向盘上的切向力，应不大于150200N。（5）转向后转向盘应能自动回正，并能使汽车保持在稳定的直线行驶工况。（6）当转向轮受冲击时，转向系传给转向盘上的反冲击要小。（7）转向传动机构与悬架导向装置的运动干涉应尽可能小。（8）转向器和转向传动机构因磨损产生的间隙，应能自动调整而消除之。（9）工作稳定，安全可靠。（10）有足够的强度和寿命。汽车的机动性，通常用最小转弯半径来衡量，但汽车的高机动性则应由两个条件来保证。即首先应使左右转向轮处于最大转角时外轮的转弯半径在汽车轴距的22.5倍范围内（小值适于大轴距汽车，大值适于小轴距汽车）。其次，应该这样选择转向系的角传动比，即转向盘处于中间位置向左或者向右转至极限位置的总圈数，对轿车不应超过1.8圈。操纵轻便性的要求是通过合理地选择转向系的角传动比、力传动比和传动效率来达到。对转向后转向盘和转向轮能自动回正的要求和对汽车直线行驶稳定性的要求则主要是通过合理地选择主销后倾角和内倾角。消除转向系传动间隙以及选用可逆式转向器来达到要使传递到转向盘上的反冲击小，则转向器的逆效率又不宜太高，至于对转向系的最后两条要求则主要通过合理地选择机构及结构布置来解决。5 转向系的主要性能参数汽车转向系的主要性能参数有转角及最小转弯半径、转向系的效率、转向系的角传动比、力传动比、转向器传动副的传动间隙特性、转向系的刚度以及转向盘的总转动圈数。5.1 转角及最小转弯半径汽车的机动性，常用最小转弯半径来衡量，但汽车的高机动性则应由两个条件来保证。首先，应使左右转向轮处于最大转角使前外轮的转弯半径值在汽车轴距的22，5倍范围内，其中小值适于大轴距汽车，大值适于小轴距汽车。其次，应该这样选择转向系的角传动比，即由转向盘处于中间位置向左或向右旋转到极限位置的总圈数，对轿车不超过1.8圈，对货车不超过3.0圈。两轴汽车在转向时，如不考虑轮胎的侧向偏离，则为了满足上述对转向系的第（2）条要求，其内、外转向轮理想的转角关系如图51所示，由下式决定： 图51 理想的内、外转向轮转角间的关系 cot0-coti=DO-CDBD=KL (5-1)式中：外转向轮转角； 内转向轮转角； K两转向主销中心线与地面交点间的距离； L轴距；内外转向轮转角的合理匹配是由转向梯形来保证。汽车的最小转弯半径R与其内外转向轮在最大转角imin与0max、轴距L，主销距K及转向轮的转臂a等尺寸有关，在转向过程中除内、外转向轮的转角外，其他参数是不变的。最小转弯半径是指汽车在转向轮处于最大转角的条件下以低速转弯时前外轮与地面接触点的轨迹构成圆周的半径，可按下式计算： Rmin=lsinomax+lsinimax+k2+2kltanimax+a (5-2)根据本设计的微型轿车的总载荷为8009.87840N，取7.0016型号的轮胎，其断面宽度为200mm，轮胎直径d是790mm，最大负荷是8500N。对轿车而言，a值一般取0.40.6倍的台面宽度。所以：取a0.6200120mm；已知：轴距L2000mm；最小转弯半径4500mm；前轮距B为1240mm；所以可求得：k=b1-2a=1240-2120=1000mm由式52得： Rmin=lsinmax+a=4500omax=0,4566sinomax=arcsin0.4566由式51得， cot0-coti=DO-CDBD=KL 5.2 转向的效率转向系的效率和转向操纵及传动机构的效率决定，即 =*(5-3)转向器的效率又有正效率与逆效率之分。转向摇臂轴输出的功率（p1-p2)与转向轴输入的功率P1之比，称为转向器的正效率： +=(p1-p2)/p1 （54)式中，p1转向器的摩擦功率。反之，即转向轴输出的功率(p1-p2)与转向摇臂轴输入的功率p3之比，称为转向器的逆效率：-=(p3-p1)/ p3正效率越大，转动转向轮时转向器的摩擦损失就越小，转向操纵就越容易。转向器的类型，结构特点、结构参数和制造质量等是影响转向器正效率的主要因数。逆效率表示转向器的可逆性。根据逆效率的大小，转向器可又可分为可逆式。极限可逆式与不可逆式三种。可逆式转向器的逆效率较高，这种转向器可将路面作用在车轮上的大部分力传递到转向盘上，使司机的路感好。在汽车转向后也能保证转向轮与转向盘的自动回正，使转向行驶稳定。但在坏路面上，当转向轮上作用有侧向力时，转向轮受到的冲击大部分会传给转向盘，容易产生“打手”现象，同时转向轮容易产生摆振。因此，可逆式转向器宜用于在良好路面上行驶的车辆。循环球式和齿轮齿条式转向器均属于这一类。不可逆式转向器不会将转向轮受到的冲击力传到转向盘上。由于它即使司机没有路感，又不能保证转向轮的自动回正，现代汽车已经不采用。极限可逆式转向器介于两者之间。其逆效率较低，适用于在坏路面上行驶的汽车。当转向轮受到冲击力时，其中只有较小的一部分传给转向盘。通常，由转向盘至转向轮的效率即转向系正效率0+的平均值为0.670.82：当向上述相反方向传递力时逆效率0-的平均值为0.580.63。转向操纵及传动机构的效率用于评价在这些机构中的摩擦损失，其中转向轮转向主销等的摩擦损失约为转向系总损失的4050，而拉杆球销的摩擦损失约为转向系总损失的1015。5.3 转向系的角传动比转向盘转角的增量与同侧转向节转角的相应增量之比，称为转向系的角传动比iow。转向盘转角的增量与转向摇臂轴转角的相应增量之比，称为转向器的角传动比iw。转向摇臂轴转角的增量与同侧转向节转角的相应增量之比，称为转向传动机构的角传动比iow。他们之间的关系为： iow=iwxiow=/ (5-6) iw=/ (5-7) i*=/ (5-8)式中 iow转向系的角传动比； is转向器的角传动比；iw转向传动机构的角传动比； 转向盘转角的增量； 转向摇臂轴转角的增量； 同侧转向节转角的相应增量。图52 转向系简图iow=L-L1 (5-9)L3-转向节臂长 L1-转向摇臂长本设计采用齿轮齿条式转向器，其横向布置于轿车转向节总成的前面。取转向节臂l4200mm，并使其平行于汽车前进方向，且设其被转向器轴线分为前后长度为120mm和80mm，以方便计算横拉杆长度尺寸。此布置方案省略了转向摇臂，使结构变得简单紧凑。转向盘输入的转角变化量直接转变为转向节臂的转角增量，两者的比为转向系的角传动比。现代汽车转向传动机构的角传动比多在0.851.1之间，即近似为1。故研究转向系的角传动比时，为简化起见往往只研究转向器的角传动比及其变化规律即可。5. 4 转向系的力传动比齿轮齿条式转向器如图52所示布置时，其转向系统的力传动比等于转向轮的转向力矩与转向盘的转向力矩之比。例如在干而粗糙的转向轮支撑面上做原地转向，转向车轮的转向力矩Tr由转向车轮相对于主销轴线的滚动阻力矩T1、轮胎与地面接触部分的滑动摩擦力矩T2以及转向车轮的稳定力矩或者自动回正力矩所形成的阻力矩T3组成，即： Tr=T1+T2+T3 (5-10)T1=G1FaT2=G1T3=aG1 G1-转向轴的载荷；微型轿车的轴荷分配一般为前后各50，所以：G1=0.5G=3920Na 滚动阻力的力臂，或主销偏移距。即转向节主销轴线的延长线与支撑平面的交点至车轮中心平面的交线的距离。通常货车的a值为4060mm；轿车去0.40.6倍的胎面宽度；a120mm。 f 车轮的滚动阻力系数，计算式取f0.015 主销内倾角；一般不大8于8，取8。 主销后倾角；一般不大于23，取2 1,2-内外转向轮的平均转角 附着系数；计算时取0.850.9；取0.85。 x滑动摩擦力矩T的力臂：X=R2-RJ22=54.6r、RJ车轮的自由半径，计算时近似取RJ=0.96R。所以，由上面式510得： T1=G1Fa 39200.0151207056Nmm T2=G1392054.60.85181927.2 Nmm 3920(83602sin34.6+sin27.2+23602(cos34,6+cos27.2)95491.2 Nmm TrT1T2T37056181927.295491.2284474.4 Nmm在实际计算中常需考虑到转向系统的传动效率，设定一个转向系统的转向正效率值。于是转向系的力传动比ip为： ip=T1/TTO+ (512）式中 T加在转向盘上的力矩。则转向时在转向盘上的切向力可由下式求得 Kh=T/RH （513）式中 ip转向系的力传动比； RH转向盘的半径，根据微型轿车转向系的要求和在180275mm范围内按国