四輪驅動(dòng)四輪轉向的汽車(chē)電子差速轉向控制論文
論文摘要：通過(guò)汽車(chē)轉向時(shí)穩定性分析闡明了四輪轉向的優(yōu)點(diǎn)。而鑒于輪轂電機在電動(dòng)汽車(chē)上應用的諸多優(yōu)點(diǎn)，及其功率受結構體積的限制，輪轂電機的應用將使汽車(chē)由性能更好的四輪驅動(dòng)替代兩輪驅動(dòng)，它不但充分利用了地面對車(chē)輪的附著(zhù)力和驅動(dòng)力，而且結合用直線(xiàn)步進(jìn)電機控制轉向力的汽車(chē)轉向系統，能更容易地實(shí)現全面改善轉向性能的四輪轉向系統。由于四輪驅動(dòng)4WD與四輪轉向4WS相結合的電子差速計算理論還有待完善，通過(guò)對輪轂電機運行的電子差速轉向控制原理分析和數學(xué)推導，提出了4WD-4WS相結合的逆、同相控制模式的差速計算公式及四輪轂電機驅動(dòng)結合四輪轉向的電子差速實(shí)施結構原理。
論文關(guān)鍵詞：四輪驅動(dòng),四輪轉向,電子差速,轉向控制
一、汽車(chē)轉向時(shí)穩定性分析和四輪轉向優(yōu)點(diǎn)
如圖1所示為汽車(chē)轉彎時(shí)所產(chǎn)生側偏角的關(guān)系示意圖，其中α為前輪側偏角；α為后輪側偏角；α為汽車(chē)重心位置側偏角。汽車(chē)轉向時(shí)，除在極低速時(shí)，一般情況下車(chē)輪平面與汽車(chē)行進(jìn)速度方向并不一致，兩者之間的角度值即為側偏角α。在汽車(chē)轉彎時(shí)，由于離心力的作用，垂直于車(chē)輪平面的車(chē)輪中心上有側向力，相應地在地面上產(chǎn)生的反作用力就是側偏力。由于車(chē)輪側向產(chǎn)生彈性變形，變形車(chē)輪的滾動(dòng)方向與車(chē)輪平面方向并不一致，側偏力又分解為與車(chē)輪行進(jìn)方向平行的滾動(dòng)阻力和與行進(jìn)方向垂直的轉彎力。在地面附著(zhù)極限內，轉彎時(shí)路面反作用力的大小與方向隨著(zhù)側偏角的大小發(fā)生變化，因而汽車(chē)的轉向直徑也隨之變化。
通常車(chē)輪轉向時(shí)，路面對各車(chē)輪轉彎時(shí)的反作用合力與汽車(chē)圓周運動(dòng)的離心力相平衡。一旦正在轉彎的汽車(chē)速度提高，離心力就隨之增加，質(zhì)心位置的側偏角必然增大而隨之出現不足轉向(如圖1b所示)。此時(shí)若要保證前輪按原轉彎半徑運動(dòng)，與低車(chē)速時(shí)相比，前輪必須向內側多轉過(guò)一定角度。換言之，汽車(chē)以相同轉彎半徑運動(dòng)時(shí)，隨著(zhù)車(chē)速的`增加，對于常規的前兩輪轉向(2WS)系統駕駛員就需相應增加轉向盤(pán)轉角；或者使后車(chē)軸產(chǎn)生一個(gè)向外則運動(dòng)的力，以增加轉彎時(shí)路面的反作用力，使其與離心力平衡。為了使汽車(chē)重心位置的側偏角度α(汽車(chē)重心的速度方向與汽車(chē)縱向軸線(xiàn)之間的角度)為零，若能讓后輪也向轉彎內側偏轉相應角度，則就可使具有側偏角的后輪行進(jìn)方向也與轉向圓一致。亦就是在高速行駛轉彎時(shí)，要求后輪應具有與前輪同向的轉向角度，即可減小車(chē)身的橫擺角速度和側傾角，避免汽車(chē)發(fā)生側滑、傾翻現象，以確保高速轉向時(shí)的穩定性。
四輪轉向(4WS,4WheelsSteering)系統是指汽車(chē)的前、后四輪都具有相應的轉向功能，后輪與前輪同方向轉向稱(chēng)為同相控制模式，后輪與前輪反方向轉向稱(chēng)為逆相控制模式。主要功能是有效控制車(chē)輛的橫向運動(dòng)特性。它是現代轎車(chē)采用的一項提高汽車(chē)操縱穩定性、操縱輕便性和機動(dòng)性的關(guān)鍵技術(shù)措施，與兩輪轉向(2WS)系統相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1）改善高速轉向或在側向風(fēng)力作用時(shí)的行駛穩定性。在中高速行駛時(shí)采用前、后輪同方向轉向的同相控制模式，有助于減小車(chē)輛側滑或扭擺，對平衡車(chē)輛在超車(chē)、變道、或躲避不平路面時(shí)的反應均具有幫助，也提高了車(chē)輛直線(xiàn)行駛的操縱穩定性。隨著(zhù)高速、高架公路的出現以及現代轎車(chē)高速行駛的發(fā)展，高檔轎車(chē)采用四輪轉向系統將成一種趨勢。
2）減小低速轉彎半徑，改善其操縱輕便性和提高機動(dòng)性。在低速行駛時(shí)采用前、后輪反方向轉向的逆相控制模式，可使車(chē)輛轉彎半徑大大減小，參考后述圖2所示分析，4WS的轉彎半徑最多可比2WS減小一半，這對低速選位停車(chē)，窄道轉向行駛都將帶來(lái)極大的方便。
3）提高轉向響應的快速性，全面改善車(chē)輛的轉向性能。不僅使車(chē)輛在高速行駛或濕滑路面上的轉向性能穩定，且對轉向輸入的響應更迅速而準確。
二、輪轂電機應用與四輪驅動(dòng)及電子差速的關(guān)系
鑒于輪轂電機在電動(dòng)汽車(chē)上應用的諸多優(yōu)點(diǎn)。但由于輪轂電機受輪轂內結構體積限制，按汽車(chē)驅動(dòng)功率要求批量生產(chǎn)大功率輪轂電機有相應難度，而采用四輪驅動(dòng)即可實(shí)現小馬拉大車(chē)，通過(guò)四輪轂電機并聯(lián)驅動(dòng)即可比二輪轂電機驅動(dòng)提高汽車(chē)總驅動(dòng)力1倍。并根據汽車(chē)理論分析只有四輪驅動(dòng)才能充分利用車(chē)重產(chǎn)生的地面附著(zhù)力，以此提高汽車(chē)行駛的穩定性及車(chē)輛越野通過(guò)性。隨著(zhù)汽車(chē)材料技術(shù)的發(fā)展，需采用輕型材料來(lái)減輕車(chē)載自重，減小能耗，提高功效；并隨著(zhù)汽車(chē)高速行駛技術(shù)發(fā)展，對提高汽車(chē)行駛穩定性等性能指標將提出更高要求。因此也更需采用四輪轂電機驅動(dòng)來(lái)提高汽車(chē)對地面的附著(zhù)力。又由于只有驅動(dòng)輪才能實(shí)現制動(dòng)能量的回收，采用四輪轂電機驅動(dòng)并結合兼有電動(dòng)、發(fā)電回饋和電磁制動(dòng)多功能的電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機技術(shù)，即可極大地提高汽車(chē)在降速制動(dòng)和下坡時(shí)對動(dòng)能能量的回收，以節能和提高續駛里程。所以輪轂電機的應用將使電動(dòng)汽車(chē)由性能更好的四輪驅動(dòng)替代兩輪驅動(dòng)。
為滿(mǎn)足驅動(dòng)輪差速要求有采用機械差速和電子差速兩種。機械差速是傳統汽車(chē)普遍采用的方法，其機構龐大而復雜。而電子差速系統EDS是采用電子控制的方式來(lái)實(shí)現，有諸多優(yōu)點(diǎn)，它與輪轂電機的應用如同一對比翼鴛鴦，即左右側驅動(dòng)輪采用輪轂電機必須通過(guò)電子差速來(lái)控制，而輪轂電機的應用又使電子差速控制變得很容易。
綜上所述汽車(chē)采用四輪驅動(dòng)結合四輪轉向將具有諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其對于電動(dòng)汽車(chē)采用輪轂電機驅動(dòng)來(lái)說(shuō)，與傳統汽車(chē)相比使汽車(chē)實(shí)現四輪驅動(dòng)方式變得很容易。而且結合用直線(xiàn)步進(jìn)電機控制轉向力的汽車(chē)轉向系統，能更容易地實(shí)現全面改善轉向性能的四輪轉向系統。而現有汽車(chē)僅采用四輪驅動(dòng)或四輪轉向的單一方式其結構都相當復雜，而由兩者相結合的方式至今還沒(méi)有，更沒(méi)有同時(shí)采用電子差速轉向控制等多項技術(shù)相組合的實(shí)施方案。雖有報道四輪驅動(dòng)采用常規二輪轉向的電子差速轉向控制技術(shù)。但隨著(zhù)汽車(chē)控制技術(shù)發(fā)展及其性能要求的提高，特別是電動(dòng)汽車(chē)采用輪轂電機技術(shù)的成熟，電動(dòng)汽車(chē)用四輪轂電機驅動(dòng)實(shí)現四輪轉向的電子差速轉向控制系統技術(shù)也將被要求得以解決。并且四輪轂電機驅動(dòng)實(shí)現四輪轉向將極大地提高電動(dòng)汽車(chē)的性?xún)r(jià)比，也能較容易地實(shí)施其他各種性能優(yōu)化措施，以減少交通事故和提高道路通行能力。
三、四輪驅動(dòng)結合四輪轉向的電子差速計算式推導
電子差速系統(EDS,ElectronicDifferentialSystem)是采用電子控制方式來(lái)實(shí)現內外側驅動(dòng)輪差速要求。而其實(shí)施首先需要一套正確易算的差速計算公式。通過(guò)對四輪驅動(dòng)4WD與四輪轉向4WS相結合的運行機理分析，在此提出僅利用中學(xué)的三角函數結合比例法數學(xué)工具來(lái)推導出其4WD-4WS的逆、同相控制模式的差速計算公式。如圖2所示為4WD-4WS逆相控制的差速計算原理圖。如圖3所示為4WD-4WS同相控制差速計算原理圖，圖中L為汽車(chē)軸距，B為汽車(chē)輪距，α、β、α、β分別為前外側、前內側、后外側、后內側轉向輪的偏轉角，n為前驅動(dòng)輪兼外側轉向輪轉速，n為前驅動(dòng)輪兼內側轉向輪轉速，n為后驅動(dòng)輪兼外側轉向輪轉速，n為后驅動(dòng)輪兼內側轉向輪轉速。另外，為分析推導需要特引進(jìn)2個(gè)臨時(shí)借用參量l與r，其含義參見(jiàn)圖中所標注的尺寸位置，即l為轉彎圓心o到前車(chē)輪軸心的車(chē)身縱向距離，r為轉彎圓心o到內側車(chē)輪中心的車(chē)身橫向距離。為保證汽車(chē)轉彎時(shí)各車(chē)輪只滾動(dòng)無(wú)滑動(dòng)，要求四個(gè)車(chē)輪均繞同一個(gè)圓心o轉動(dòng)，即每個(gè)車(chē)輪的軸線(xiàn)交于同一點(diǎn)，因此各車(chē)輪轉彎的圓弧軌跡分別為如圖中所示的虛線(xiàn)，各車(chē)輪轉彎的圓弧半徑分別為R、R、R、R。根據車(chē)輪轉速應與其轉彎的圓弧半徑成正比關(guān)系，即有n/n=R/R、n/n=R/R、n/n=R/R。若設n為參考標定轉速，它與加速踏板指令汽車(chē)的車(chē)速n一致，也是四只車(chē)輪中最高的轉速，分析圖示幾何關(guān)系即可獲得其它三只車(chē)輪轉速相對標定轉速n的計算式，且經(jīng)推導后發(fā)現逆相控制模式與同相控制模式的差速計算公式完全相同，即其他三只車(chē)輪轉速n、n、n相對標定轉速n的差速計算公式分別為：
從推導過(guò)程中還可發(fā)現同、逆相控制模式中的兩個(gè)重要特征：
(1)參考圖2所示，在四輪轉向逆相控制模式中當前后輪轉向角相等（α=α，β=β）時(shí)，其轉彎半徑為最小。并且它與常規的前二輪轉向系統2WS相比，在轉向輪轉向角相同的前提下，其轉彎半徑可減小一半。這利用比例作圖法即可證明，其最小轉彎半徑時(shí)的圓心點(diǎn)位于如圖2中的黑點(diǎn)所示，此時(shí)l=L/2，并且前后輪的轉彎圓弧軌跡重合，即前后圓弧半徑相等（R=R、R=R）。所以采用四輪轉向4WS系統逆相控制模式時(shí)，同時(shí)使前后輪偏轉角達到最大值可將轉彎半徑大大縮小，這對低速選位停車(chē)，窄道轉向行駛都會(huì )帶來(lái)極大方便。但對于現已有的電控液壓式或電控電動(dòng)式兩種四輪轉向系統由于受其結構限制，其后輪轉向角還較難以做大，而采用基于直線(xiàn)步進(jìn)電機控制轉向力的汽車(chē)轉向系統技術(shù)就不會(huì )受其限制。
(2)在四輪轉向同相控制模式中按圖3所示分析，假若使前后輪轉向角相同(α=α也β=β)，其四車(chē)輪中心到圓心點(diǎn)o的直線(xiàn)變?yōu)橄嗷テ叫�，即圓心點(diǎn)o將為無(wú)限遠，其轉彎半徑變?yōu)闊o(wú)窮大，即圓弧軌跡變?yōu)橐粭l直線(xiàn)。所以在實(shí)際應用中對四輪轉向系統4WS的同相控制模式的后輪偏轉角有一限定值，一般不大于5。
四、電子差速轉向實(shí)施的結構原理
電子差速轉向的實(shí)施主要是在其相應的微機控制系統ECU中增加一套差速計算程序，并與相應的轉向機構配合，根據轉向機構中各車(chē)輪的偏轉角信號、車(chē)速信號及控制模式，按前述相應的差速計算公式計算出對各車(chē)輪轉速的要求值，輸入到各車(chē)輪輪轂電機的驅動(dòng)控制器中作為其速度指令值。按控制精度要求可以是開(kāi)環(huán)或閉環(huán)。對于精度要求低的開(kāi)環(huán)系統，幾乎不需要增加硬件成本。而對于閉環(huán)系統有些傳感器也可與輪轂電機控制器及相應轉向機構的傳感器兼用。如圖4所示為電子差速轉向實(shí)施的結構原理框圖。方向盤(pán)的轉角信號、加速踏板及制動(dòng)踏板的加減速信號、轉向機構中各車(chē)輪的偏轉角信號以及各車(chē)輪輪轂電機的轉角信號輸入微機控制ECU系統。輪轂電機轉子（對于磁阻電機和永磁無(wú)刷電機本身就具有轉子轉角位置傳感器）的轉角位置信號通過(guò)對時(shí)間t的微分，即可得到電機的轉速信號，再按輪胎直徑就可獲得各車(chē)輪的線(xiàn)速度。根據上述各信號，ECU系統就可按既定的控制策略和差速計算公式由微機內的差速運算器計算出對各車(chē)輪速度的要求值n、n、n、n，作為對各車(chē)輪輪轂電機的速度指令，送入相應的電機驅動(dòng)控制器進(jìn)行調速控制。
對于四輪轉向4WS系統控制策略，即是根據車(chē)速、轉向要求及其特征確定何時(shí)應采用逆相控制模式，何時(shí)又需采用同相控制模式，并確定后輪轉向角與前輪轉向角間的比例關(guān)系�，F已報道的四輪轉向4WS系統控制策略主要有轉角比-車(chē)速控制型、比例于橫擺角速度的后輪轉向控制型、質(zhì)心側偏角為零的后輪轉向控制型等，它們是指控制前后車(chē)輪的相對轉向及其轉角比分別按車(chē)速、車(chē)身橫擺角速度、質(zhì)心側偏角等穩定性因素要求以一定控制算法而變化的一種控制規律，其控制策略不同所需采用的傳感器及其技術(shù)要求也不同。由于四輪轉向4WS技術(shù)還處于發(fā)展成熟中，其控制策略的算法理論也有待進(jìn)一步發(fā)展完善。為簡(jiǎn)單清楚說(shuō)明起見(jiàn)，在此以目前用得較多也為較簡(jiǎn)單的轉角比-車(chē)速控制型為例說(shuō)明如下：
圖5為轉角比-車(chē)速控制型所采用的前后輪轉角比與其車(chē)速的控制關(guān)系曲線(xiàn)圖。它首先劃定一個(gè)同、逆相控制的界限，一般定為車(chē)速35km/h，也就是說(shuō)在車(chē)速低于35km/h時(shí)采用逆相控制模式，當車(chē)速高于35km/h時(shí)采用同相控制模式。根據上述同、逆相控制模式的兩個(gè)重要特征中已表明同相控制時(shí)其轉角比還不能較大，一般限定后輪同相轉向角不大于5。所以對于通常汽車(chē)前輪轉角最大值定為：內側3955′士2，外側為3500′士2時(shí)，其同相轉角比定為不大于1/8。而對于逆相轉角比為了減小低速轉彎半徑可適當放大。
參考文獻
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