四轮驱动四轮转向的汽车电子差速转向控制.docx

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四轮驱动四轮转向的汽车电子差速转向控制-论文网

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论文摘要：通过汽车转向时稳定性分析阐明了四轮转向的优点。而鉴于轮毂电机在电动汽车上应用的诸多优点，及其功率受结构体积的限制，轮毂电机的应用将使汽车由性能更好的四轮驱动替代两轮驱动，它不但充分利用了地面对车轮的附着力和驱动力，而且结合用直线步进电机控制转向力的汽车转向系统，能更容易地实现全面改善转向性能的四轮转向系统。由于四轮驱动4WD与四轮转向4WS相结合的电子差速计算理论还有待完善，通过对轮毂电机运行的电子差速转向控制原理分析和数学推导，提出了4WD-4WS相结合的逆、同相控制模式的差速计算公式及四轮毂电机驱动结合四轮转向的电子差速实施结构原理。

论文关键词：四轮驱动,四轮转向,电子差速,转向控制

一、汽车转向时稳定性分析和四轮转向优点

如图1所示为汽车转弯时所产生侧偏角的关系示意图，其中α为前轮侧偏角；α为后轮侧偏角；α为汽车重心位置侧偏角。汽车转向时，除在极低速时，一般情况下车轮平面与汽车行进速度方向并不一致，两者之间的角度值即为侧偏角α。在汽车转弯时，由于离心力的作用，垂直于车轮平面的车轮中心上有侧向力，相应地在地面上产生的反作用力就是侧偏力。由于车轮侧向产生弹性变形，变形车轮的滚动方向与车轮平面方向并不一致，侧偏力又分解为与车轮行进方向平行的滚动阻力和与行进方向垂直的转弯力。在地面附着极限内，转弯时路面反作用力的大小与方向随着侧偏角的大小发生变化，因而汽车的转向直径也随之变化。

通常车轮转向时，路面对各车轮转弯时的反作用合力与汽车圆周运动的离心力相平衡。一旦正在转弯的汽车速度提高，离心力就随之增加，质心位置的侧偏角必然增大而随之出现不足转向(如图1b所示)。此时若要保证前轮按原转弯半径运动，与低车速时相比，前轮必须向内侧多转过一定角度。换言之，汽车以相同转弯半径运动时，随着车速的增加，对于常规的前两轮转向(2WS)系统驾驶员就需相应增加转向盘转角；或者使后车轴产生一个向外则运动的力，以增加转弯时路面的反作用力，使其与离心力平衡。为了使汽车重心位置的侧偏角度α(汽车重心的速度方向与汽车纵向轴线之间的角度)为零，若能让后轮也向转弯内侧偏转相应角度，则就可使具有侧偏角的后轮行进方向也与转向圆一致。亦就是在高速行驶转弯时，要求后轮应具有与前轮同向的转向角度，即可减小车身的横摆角速度和侧倾角，避免汽车发生侧滑、倾翻现象，以确保高速转向时的稳定性。

四轮转向(4WS,4WheelsSteering)系统是指汽车的前、后四轮都具有相应的转向功能，后轮与前轮同方向转向称为同相控制模式，后轮与前轮反方向转向称为逆相控制模式。主要功能是有效控制车辆的横向运动特性。它是现代轿车采用的一项提高汽车操纵稳定性、操纵轻便性和机动性的关键技术措施，与两轮转向(2WS)系统相比具有如下优点：

1）改善高速转向或在侧向风力作用时的行驶稳定性。在中高速行驶时采用前、后轮同方向转向的同相控制模式，有助于减小车辆侧滑或扭摆，对平衡车辆在超车、变道、或躲避不平路面时的反应均具有帮助，也提高了车辆直线行驶的操纵稳定性。随着高速、高架公路的出现以及现代轿车高速行驶的发展，高档轿车采用四轮转向系统将成一种趋势。

2）减小低速转弯半径，改善其操纵轻便性和提高机动性。在低速行驶时采用前、后轮反方向转向的逆相控制模式，可使车辆转弯半径大大减小，参考后述图2所示分析，4WS的转弯半径最多可比2WS减小一半，这对低速选位停车，窄道转向行驶都将带来极大的方便。

3）提高转向响应的快速性，全面改善车辆的转向性能。不仅使车辆在高速行驶或湿滑路面上的转向性能稳定，且对转向输入的响应更迅速而准确。

二、轮毂电机应用与四轮驱动及电子差速的关系

鉴于轮毂电机在电动汽车上应用的诸多优点。但由于轮毂电机受轮毂内结构体积限制，按汽车驱动功率要求批量生产大功率轮毂电机有相应难度，而采用四轮驱动即可实现小马拉大车，通过四轮毂电机并联驱动即可比二轮毂电机驱动提高汽车总驱动力1倍。并根据汽车理论分析只有四轮驱动才能充分利用车重产生的地面附着力，以此提高汽车行驶的稳定性及车辆越野通过性。随着汽车材料技术的发展，需采用轻型材料来减轻车载自重，减小能耗，提高功效；并随着汽车高速行驶技术发展，对提高汽车行驶稳定性等性能指标将提出更高要求。因此也更需采用四轮毂电机驱动来提高汽车对地面的附着力。又由于只有驱动轮才能实现制动能量的回收，采用四轮毂电机驱动并结合兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能的电动汽车轮毂电机技术，即可极大地提高汽车在降速制动和下坡时对动能能量的回收，以节能和提高续驶里程。所以轮毂电机的应用将使电动汽车由性能更好的四轮驱动替代两轮驱动。

为满足驱动轮差速要求有采用机械差速和电子差速两种。机械差速是传统汽车普遍采用的方法，其机构庞大而