四轮转向系统概述

四轮转向系统概述摘要：一般的前轮转向系统存在响应滞后、转向不灵活、高速行驶时操作稳定性差而渐渐无法满足人们对车辆主动安全性越来越高的要求，迫切需要一种高效的转向系统来实现良好的车辆安全性，在这种形势下，电子控制四轮转向系统应运而生。目前的4WS系统中，多数采用的是电控液压式4WS系统，这种系统工作压力大、工作平稳可靠，但由于液压系统在结构、系统布置、密封性、能耗、效率等方面存在的缺点，以及在转向过程中存在响应滞后等缺陷，使得电控液压式4WS系统很难适应现代四轮转向汽车在转向灵敏性、快速性方面的要求，降低了汽车高速行驶稳定性。1992年日本本田汽车上采用了电控电动式4WS系统。该4WS系统由于结构简单、控制效果好、燃油经济性好等优点而得到了迅猛发展，电控电动式4WS将是4WS汽车的发展趋势。1四轮转向系统（4WS）及其控制目标1四轮转向系统四轮转向（4—WheelSteering，简称4WS）系统是指车辆在转向过程中，前后两组4个车轮都能根据需要起转向作用，能有效改善车辆的机动灵活性和操纵稳定性。4WS汽车在低速转弯时，前后车轮逆相位转向，可减小车辆的转弯半径；在高速转弯时，前后轮主要作同相位转向，能减少车辆质心侧偏角，降低车辆横摆率的稳态超调量等，进一步提高车辆操纵稳定性。1.2四轮转向系统的分类按功能分为后轮小角度偏转系统和后轮在中高速时小角度偏转在低速时大角度偏转系统。按照车轮偏转执行机构的动力形式可以分为液压四轮转向系统、机械液压四轮转向系统和电子控制四轮转向系统等三大类。1.3电子控制四轮转向系统的整体目标对电子控制四轮转向系统的基本性能要求：汽车低速行驶时，能够减小驾驶员作用于转向盘上的转向力；高速行驶时，能够通过转向盘向驾驶员反馈适度的转向反力。具体要求：（1）既要保证转向轻便省力，又要能够很好地反馈“路感”；（2）当计算机控制系统发生故障时，转向系统仍然能够保留人力转向功能；（3）在保证转向性能的前提下，尽可能降低转向时的动力消耗。2四轮转向系统构成概述2.1电子控制四轮转向系统的控制目标及其系统组成2.1.1电子控制四轮转向系统的控制目标由相关参考文献知四轮转向系统的主要控制目标就是要使车辆的运动方向与实际的驾驶方向在大多数情况下保持一致，也就是说车辆的侧偏角度应该在大部分时间内保持为零，即控制侧偏角为0度，但由于在实际的车辆行驶过程中，必须考虑到车辆在某些危险行驶状态的安全性，如路面的附着系数发生突然降低、在湿滑路面行驶、紧急躲避障碍物等情况下轮胎非线性因素，因此，在侧向和纵向加速度相对较小的情况下，利用上面分析的线性模型只可以得出车辆的线性反馈控制律，还必须同时结合神经网络、模糊控制等现代控制方法来克服车辆的非线性。在车辆转向时，传感器将前轮转向的信号传入ECU，ECU进行分析运算之后，向电动机输出信号，电动机根据ECU传来的信号大小确定扭矩的大小和方向，通过后轮转向机构控制驱动后轮产生一定角度的偏转。ECU同时还对车辆的状态进行实时监测，将后轮转向角的理想值与实际转向角之间的差值，反馈给后轮转向机构，以实现实时调整后轮的转角的目的，从而实现汽车的四轮转向°ECU可根据传回的车辆速度信号对后轮转角的大小进行控制，当车辆在中高速行驶转向时，后轮小角度偏转主要用在改善车辆的转向系统特性，提高在该条件下转向系统的转向灵活性；当车辆在低速行驶转向时，后轮大角度偏转主要用于提高车辆在低速行驶时的响应特性，使其在低速转向时的最小转向半径减小。2.1.2电子控制四轮转向系统的主要组成部件电子控制四轮转向系统由电子控制器、步进电动机、减速机构、传感器、自诊断及安全装置等部件组成。电动机输出扭矩由减速齿轮放大，并通过万向节、转向机构中的助力小齿轮把输出扭矩送到齿条以便向车轮提供助推扭矩；电子控制器根据各传感器送来的信号，确定助力扭矩的大小和方向。(1)传感器传感器的功用是检测汽车转向时的有关运动物理量，并将它们转换成相应的电信号，输入到ECU中，供ECU进行分析计算。主要包括：前、后轮转角传感器前、后轮转角传感器分别安装在前、后轮转向机构靠近车轮的一侧，采用非接触型霍尔元件传感器，用来检测前、后车轮的瞬时偏转角。车速传感器车速传感器安装在车速里程表的转子附近，采用光电式车速传感器，将汽车前进速度检测出来，以脉冲信号的形式输出，送入四轮转向系统ECU。车身横摆角速度传感器车身横摆角速度传感器安装在汽车质心处的车身上，采用压电射流角速度传感器，检测汽车转向行驶时的车身横摆角速度，以电信号的形式输入ECU，ECU输出控制信号，实时控制汽车的转向运动，保证汽车转向行驶时的动态稳定性。⑵电子控制器(ECU)ECU是电子控制四轮转向系统的核心，其功能是根据编制的控制方案，对传感器的输入信号进行分析、计算、处理，输出一定控制信号指令，驱动电动机动作。⑶步进电动机步进电动机是一种数字控制式电动机，可以将数字脉冲信号转换成角位移，控制性能好，适于单片机控制。采用步进电动机的主要优点是：步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，随动性好，可与角度反馈环节组成高性能的闭环控制系统；动态响应快，易于实现起停、正反转及变速；具有自锁和保持转矩能力；结构简单，坚固耐用，抗干扰能力强。⑷A/D、D/A转换器系统具有8位的A/D、D/A转换器，主要进行模拟信号与电信号之间的转换。(6)减速机构减速机构的功用是降低步进电动机转速，增大步进电动机传递给转向传动机构的扭矩。(6)自诊断及安全装置系统必须保证在电子控制四轮转向系统发生故障情况下，系统可以进行故障的自诊断，将诊断结果通知驾驶员，并进行相应的动作。在故障不能排除时，传统的转向系统必须可以正常工作，因此，在电子控制四轮转向系统中必须设有两种转向模式，既可进入传统转向模式，又可进入电子控制四轮转向模式，电子控制系统可以根据系统的故障信号自动对转向模式开关进行选择，以确保车辆的可靠性。系统的模式选择装置一般可由一个在主电源电路中能切断电机发生故障电源的继电器和一个安装在电动机和减速器之间并能把他们断开的电磁离合器组成。系统只要发生故障，这些装置就可以自动进行车辆转向模式的选择，从而确保整车的行驶安全。2.2电子控制四轮转向系统的特点车辆的操纵性能好。在使用4WS的场合，转向系统不受发动机停、转的影响，即使在停车时，驾驶员也可以获得最大的转向动力。汽车在行驶过程中，因为后轮随着前轮的转动而作与前轮方向相反（逆相位）的转动，所以其最小转弯半径和传统的转向系统相比就小些。同时由于电子控制部分可以通过调节转向助力的大小来改善驾驶员的“路感”，因此，车辆的整体操纵性能大大提高。转向助力特性可变。电子四轮转向系统可以十分灵活地调整扭矩、转向角和车速信号的软件控制逻辑，可以自由地调整转向助力特性。.抗外来干扰的稳定性效果好。由于四轮转向系统采用了后轮随动的技术，从而使其在路面附着系数发生突变的情况下可以依然保持较高的附着能力，对抗外来干扰的稳定性较好。同时利用电机惯性的质量阻尼效应可以使转向轴的颤动和反冲降到最低。.可以提供更优化的转向返回特性。通过对转向角进行回复控制和转向角进行的阻尼控制可以提高更为优化的转向返回特性。.有利于整车的总布置设计。由于电子控制四轮转向系统较多地使用了电气设备，减少了不少的机械连接，零部件少、重量轻，设计紧凑，所占的空间相对较小，可以更有利于整车的总布置设计。.燃油经济性好。由于电子控制四轮转向系统的动力转向装置不是由发动机直接驱动，电动机只有在发生转向动作时才接通，因此可以节省燃油。3发展趋势4WS系统经过多年的研究，其基本理论已经趋于成熟，并且已经在多种车辆上得到应用，实践证明：4WS系统能有效地提高低速时的转向灵活性和高速时的操纵稳定性，可以大幅度地减轻驾驶员负担。目前，随着电子控制技术的飞速发展，电子控制四轮转向系统未来的发展趋