基于线控转向系统的交叉变轮距底盘的研究

李雪莱，孟广耀，韩国旭，李华廷

(青岛理工大学机械学院，山东青岛 266033)

基于线控转向系统的交叉变轮距底盘的研究

李雪莱，孟广耀，韩国旭，李华廷

(青岛理工大学机械学院，山东青岛 266033)

分析车辆转向时各车轮的运动关系；针对我国农业的现状，提出一种基于阿克曼梯形转向结构的交叉变轮距底盘的技术方案；在交叉变轮距底盘的基础上，加入了线控转向系统，4个车轮由4个转向电机独立驱动，并保留转向盘和转向轮的机械连接。研究表明：该交叉变轮距底盘可较好地实现变轮距、前轮转向和四轮转向，而且应用线控转向系统可以提高汽车的转向性能，对农用机械的开发具有参考价值。

车辆转向；交叉变轮距；阿克曼转向梯形；线控转向系统

0 引言

汽车转向系统根据转向动力能源的不同，可分为机械转向和动力转向两大类[1]。汽车转向系统的基本性能是保证车辆在任何工况下转动转向盘时均有较理想的操作稳定性，而操作稳定性能更优的线控转向系统成为研究热点。国外一些著名的汽车企业已经研制出了基于线控转向系统的概念车，但应用于农用机械的线控转向系统还尚未被广泛开发。对于变轮距车辆的转向系统，目前国内外的研究及应用多集中于伺服控制和液压驱动转向车轮来满足阿克曼转向条件。液压动力转向效率低、能耗大、结构复杂并且价格比较昂贵；而线控转向系统可以减轻驾驶员操作负荷、耗能低，由于取消了转向盘和转向轮之间的机械连接，转向系统之间的传动比可通过软件自由设定，因此可以解决传统转向系统固定传动比造成的缺陷，而且便于和其他系统集成、统一协调控制[2-3]。

通过开发一种交叉变轮距底盘，在这种底盘的基础上，加入线控转向系统，这样既可以实现车辆变轮距的要求，又可以满足变轮距车辆的转向要求。

1 车辆转向机构运动学分析

转向系是通过对左、右转向车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[4]。

1.1 转向机构的运动学原理

车辆转向时，为减少行驶阻力和轮胎磨损，保证车辆做纯滚动，不发生侧滑现象，要求各车轮必须围绕同一个中心点滚动，即转向轮偏转角满足阿克曼转向原理。

如图1所示，对于前轮转向的汽车，在转弯时，转弯中心O位于非转向轮中心轴线的延长线上，其内外转向轮理想的转角关系需满足如下公式：

cotα=cotβ+B/L

其中：α为外转向轮偏转角；

β为内转向轮偏转角；

B为两转向主销中心线与地面交点间的距离；

L为轴距。

1.2 阿克曼转向梯形

阿克曼梯形转向机构的主要特点是通过利用两个梯形臂的转角差异来近似满足车辆转向条件，在车辆轴距和轮距确定的情况下，梯形臂长度m和梯形底角γ决定了车辆的转向特性，即合理设置这两个参数便可实现车辆良好的转向特性。

对于固定轮距和轴距的车辆底盘，轮距和轴距是固定不变的，因此可直接利用转向特性不变的阿克曼梯形转向机构作为转向装置;而对于变轮距车辆，其底盘轮距或轴距是可变的，因此，传统的定参数阿克曼梯形转向机构无法满足变轮距车辆底盘的转向要求[5]。

2 交叉变轮距底盘机械式转向

图3所示为交叉变轮距底盘的设计简图。利用了阿克曼梯形转向结构，在1号车桥上设置了一个单独的转向单元(图4所示)。转向单元的传入角度和传出角度遵循阿克曼转向原理。如图3所示，在进行前轮转向时，通过一系列连杆机构，将车轮1的转向和转角以同相位、同角度方式传入转向单元，经转向单元几何变换角度后，将合适的转角由转出梯形臂传出，再由连杆机构带动右前轮转臂转动，实现右前轮的转向。由于转向单元的作用，传入角度和传出角度之间的关系遵循阿克曼转向原理，因此该交叉变轮距底盘可以完成车辆的机械式前轮转向。

3 交叉变轮距底盘线控转向系统

汽车的动力转向根据提供动力的方式不同分为：液压助力转向系统、电动液压转向系统、电动助力转向系统和线控转向系统[6]。采用线控转向系统不但可以自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，可以更好地实现文中所设计的交叉变轮距底盘的变轮距和转向功能，因此选用线控转向系统。

3.1 线控转向系统工作原理

线控转向系统由方向盘总成、转向执行总成和主控制器(ECU)3个主要部分以及自动方鼓掌系统、电源等辅助系统组成[7-8](如图5所示)。

车辆进行转向时，传感器将检测到的驾驶员转向数据通过数据总线传递给主控制器(ECU)，主控制器根据预先设置的程序，将相应的转向信息以电信号的形式传递给转向电机，转向电机控制转向轮转动；车轮的转向信息通过转角传感器反馈给主控制器，经主控制器处理后将信号传递给转向信息电机，以使驾驶员获得路感。

3.2 交叉变轮距底盘转向和变轮距功能的实现

此设计保留转向盘与转向轮之间的机械部分，车辆转向时，不依靠机械连接，而是依靠电子控制器(ECU)进行控制，根据路况和方向盘转动力度、转动角度和速度进行综合计算，从而指挥转向电机机构实现转向[9-10]。选用3个并联的ECU负责不同的控制，一个负责控制同一车桥上的左前轮和右后轮，一个负责另一个车桥上的右前轮和左后轮，还有一个负责控制方向盘，3个ECU还同时负责彼此监视其他2个的工作情况，当任意一个ECU被检测出现问题时，车辆的备用模式立即通过一个离合器被激活，恢复到机械式转向模式。这样，在线控转向系统失效或有错误时，依然可以依靠机械连接来维持喷药机的稳定行驶和实现喷药机的转向功能，防止喷药机失控。

4 结论

文中所述交叉变轮距底盘的设计，通过基于阿克曼梯形转向机构的转向单元实现了交叉变轮距车辆的机械式转向。在此基础上加入了线控转向系统，实现了车辆的线控转向，并通过线控转向系统对每个车轮单独控制，解决了车辆轮距无级可调的问题。采用线控转向系统，使车轮的转向更加灵活，汽车的转向更加精确，同时保留了原结构转向盘和转向轮的机械连接，为车辆的转向和稳定行驶提供了保障。

【1】何仁,李强.汽车线控转向技术的现状与发展趋势[J].交通运输工程学报,2005,5(2):68-72.

【2】杨胜培,周海军.线控转向系统前轮转角控制策略研究[J].科技创新与生产力,2014(5):031.

【3】胡乐乐,时岩,蔡焱焱,等.线控转向前轮转角控制策略研究[J].制造业自动化,2014,36(2):21-24.

【4】徐石安.汽车构造-底盘工程[M].北京：清华大学出版社,2008.

【5】黄居鑫.机械全驱动式变轮距农用底盘关键技术研究[D].青岛：青岛理工大学,2014.

【6】刘永.汽车线控转向系统的研究[D].武汉:武汉理工大学,2005.

【7】于蕾艳,林逸,李玉芳.汽车线控转向系统综述[J].农业装备与车辆工程,2006(1):32-36.

【8】贾和平,钟绍华.汽车线控转向系统的研究[J].上海汽车,2006(11):39-43.

【9】齐伟.英菲尼迪线控主动转向系统(DAS)浅探[J].汽车维修,2014(8):11-13.

【10】王祥.汽车线控转向系统双向控制及变传动比特性研究[D].长春：吉林大学,2013.

Research on Crossing Variable Wheel Track Chassis Based on Steer-by-wire-system

LI Xuelai, MENG Guangyao, HAN Guoxu, LI Huating

(School of Mechanical Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao Shandong 266033,China)

The movement relationship between each wheel when the vehicle was steering was analyzed. According to the current agricultural situation of our country, a kind of crossing variable wheel track vehicle chassis technical solution which was based on Ackman trapezoidal steering mechanism was put forward. Based on the crossing variable wheel track vehicle chassis, the steer-by-wire system was joined, the four wheels were driven by four independent steering motors, and the mechanical connection between the steering wheel and wheels was reserved.The research shows that the crossing variable wheel track chassis can complete the changing of wheel track, front wheel steering and four-wheel steering.The application of steer-by-wire-system can improve steering performance of the car and has a reference value to the development of agricultural machinery.

Vehicle steering;Crossing variable wheel track; Ackman steering trapezoid;Steer-by-wire-system

2015-08-17

国家自然科学基金(51075220)

李雪莱(1988—)，女，硕士研究生，主要研究方向为先进制造技术与装备。E-mail：xlli2015@163.com。

孟广耀， E-mail：gymeng1963@163.com。