全驱汽车的转向特性分析

第１５卷第６期２０１０年１１月集美大学学报（自然科学版）

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉｍｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｖ０１．１５Ｎｏ．６Ｎｏｖ．２０１０

［文章编号】１００７—７４０５（２０１０｝０６—０４５４—０４

全驱４ＷＳ汽车的转向特性分析

凌锡亮１，凌罡２

（１．集美大学机械工程学院，福建厦门３６１０２１；２．厦门长岛电子电器有限公司。福建厦门３６００１６）

［摘要】通过对２ＷＳ和４ＷＳ汽车转向特性的比较，建立４ＷＳ系统的转向圆通式，分析４ＷＳ汽车转向运动的关系，并导出４ＷＳ汽车前后左右各轮转向时的速度关系．【关键词】四轮转向（４ＷＳ）；运动特性；轮速关系【中图分类号】Ｕ４６１．６［文献标志码］Ａ

０引言

四轮转向技术作为改善车辆操纵稳定性的主要手段，直接影响车辆转向精准性．汽车一般采用前轮

转向，后轮只作随动转向，即两轮转向２ＷＳ（Ｔｗｏ－ＷｈｅｅｌＳｔｅｅｒｉｎｇ）模式，这种转向结构，在汽车转向机动性和操纵稳定性能上都存在不够理想之处．四轮转向４ＷＳ（Ｆｏｕｒ－ＷｈｅｅｌＳｔｅｅｒｉｎｇ）指汽车转向时，除

前轮转向外，将后轮也作为主动转向轮，４ＷＳ技术能对汽车侧向运动进行控制，以改善汽车转向时的转向特性和响应特性，使转向控制变得方便、安全，从而改善汽车操纵性，提高行驶稳定性，该技术是增

强汽车舒适性和安全性能最有效的一种主动底盘控制技术睢‘３】．

目前四轮转向技术已广泛应用于工程机械车辆和重型越野汽车，基于车辆对转向系统的进一步发展要求，研究四轮转向控制有着极其现实的意义．

１４ＷＳ的转向运动特性

１．１后轮与前轮逆相位转向的特性

４ＷＳ车辆及４ＷＳ车辆低速状态的两轮基本模型中，汽车后轮与前轮逆相位转角时的转向几何关系如图１所示．

２ＷＳ状态时，车辆转向圆半径恐邪为：Ｒ２Ｗｓ＝Ｏ：髑ｏ／＝Ｏ／Ｏ／ｓｉｎ８／．４ＷＳ状态时，车辆转向圆半径蜀Ｗｓ为：蜀稍＝以哪ｏ／＝以Ｏｆ／ｓｉｎ颤

逆相位转角转向时，墨髑＜恐髓，所以有：‰一‰＝一（‰一‰）＝一［（ＤｒＯ／）／ｓｉｎ艿，一（Ｄ４０１）／ｓｉｎ每］＝一［Ｌ／ｓｉｎ芬一（Ｏ。Ｏｆ）／ｓｉｎ芬］＝

一［（Ｏ，Ｏ。）／ｓｉｎ务］＝一（Ｏ。０４粥）－ｔａｎ（一８，）／ｓｉｎ分＝Ｒ４髑・ｃｏｓ颤・ｔａｎ＆／ｓｉｎ艿，＝Ｒ４嬲・（ｔａｎ∥

ｔａｎ芬）．经整理，有：

Ｒ４Ｗｓ＝Ｒ２粥／［１一（ｔａｎ＆／ｔａｎ研）］．（１）

当鼠＝０时，矗２邯＝兄驰；当艿＝一母时，甩哪＝Ｒｚ硝／２．后轮与前轮逆相位转向特性分析证明，汽车低速转弯或急转弯时，前、后轮的逆相位转向会减小

［收稿日期］２００９—１０一２７［修回日期］２０１０—０４—１２［基金项目］福建省青年人才项目（２００８Ｆ３０７４）；集美大学博士启动基金

［作者简介】凌锡亮（１９５６一），男，高级工程师，副教授，从事汽车设计和教学科研工作．

万方数据第６期凌锡亮，等：全驱４ＷＳ汽车的转向特性分析・４５５・

转弯半径，其中，后轮逆相位转角茸越大，

瞬时转向半径Ｒ．髓就越小，当最＝砩时，

４ＷＳ汽车比２ＷＳ汽车的转向半径小一半．表明４ＷＳ汽车转向时，增强了车辆运动的机动

性能．

１．２后轮与前轮同相位转向的特性４ＷＳ车辆中、高速状态的两轮基本模型

中，汽车后轮与前轮同相位转角时的转向几

何关系如图２所示．

由于同相位转角转向时，凡鹂＞Ｒ：ｗ，以后轮转角砖为正值，同理，式（１）成立．

当艿ｒ＝０时，屁４髓＝Ｒ２粥；当母＝毋时，风髓＝Ｒ２稍／ｏ（即兄帕－＋∞）．后轮与前轮同相位转向特性分析表明，

汽车高速转弯或变换车道时，前、后轮同相

位转向，可达到增大转弯半径，减小离心力

的效果．其中，后轮同相位转角最越大，瞬

时转向半径Ｒ。鹏也越大；当区＝艿，时，汽车沿同相位转角嚣的前侧向平行移动，消除了

２ＷＳ车辆转向时的离心力影响，使车辆的转向运动转化为朝前侧向平移的运动，增强了

车辆高速转向时的平稳控制．工一轴距（ｍｍ）；ｏｌ一车辆横剖面内，前轮转动中心点；佛一车辆横剖面内，后轮转动中心点；Ｄ２旷两轮转向时，车辆转向圆中心；仉眄一四轮转向时，车辆转向圆中心；Ｄ广四轮转向时，车辆转向圆中心。椰点与车辆虚拟纵轴线的垂点；Ｒ旷两轮转向时，车辆的转向圆半径（ｍ）；Ｒ旷四轮转向时，车辆的转向圆半径（ｍ）；Ｈ一转向时前轮速度（ｍ／ｓ）；ｙ广转向时后轮速度（ｍ，８）；卜前轮转

向角（ｏ）；艿，一后轮转向角（ｏ）田１４ＷＳ车辆低速逆相位转向的两轮模型

Ｆｉｇ．１ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｔｗｏｗｈｅｅｌｍｏｄｅｌｏｆＩＯＷｓｐｅｅｄｆｏｒ４ＷＳｖｅｈｉｃｌｅ

２４Ｗ￥转向时轮转角及轮速分析

４ＷＳ车辆直线行驶时，各车轮速度相等，一旦

转向，４ＷＳ车辆的４个车轮为保证转向时的纯滚

动，必然在不同转向角状态下有各自的车轮速度．尤其是采用全轮驱动的４ＷＳ车辆，各车轮转角及

速度的调控必须遵循转向时运动特性的实际变化进

行确定，对４ＷＳ转向时车轮转角及速度进行分析，有利于实现对全驱４ＷＳ车辆的转向控制．

２．１４ＷＳ转向时各车轮的转角分析

４ＷＳ车辆的四轮基本模型中，汽车后轮与前轮

逆转角时的转向几何关系如图３ａ所示，汽车后轮与前轮同转角时的转向几何关系如图３ｂ所示．

为保证车辆转向时的纯滚动，据阿克曼转向定理，以下关系：圈２４ＷＳ车辆高速同相位转向的两轮模型

Ｆｉｇ．２Ｓａｍｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｔｗｏｗｈｅｅｌｍｏｄｅｌｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｆｏｒ４ＷＳｖｅｈｉｃｌｅ前轴内外轮与后轴内外轮的几何转角必须满足

ｃｏｔ‰一ｃｏｔ瓯＝Ｂ／（Ｌ±ｂ），（同向取正，逆向取负）；

ｃｏｔ６坤蚍一ｃｏｔ６ｒｉｎ＝Ｂ／ｂ．由图３所示的几何条件可得：

ａ＝ＡＸｔａｎ民。，ｂ＝ＡＸｔａｎ８ｄ。．（２）

（３）

（４）

万方数据・４５６・集美大学学报（自然科学版）第１５卷

ｂ＝ｌＡＸｔａｎｋ—ＬＩ＝ｌ６Ｘｔａｎ占缸／ｔ趿瓯一ＬＩ＝ＩｔａＩｌ‰Ｘ６／ｔ胍瓯一外（５）

将式（５）整理得：

ｃｏｔ８，ｍ／ｃｏｔ砧＝１４－（∥６），（同向取正，逆向取负）．（６）

为保证４ＷＳ车辆ａ、６定值状态下，前后各轮转向时的纯滚动，车辆前轴内轮与后轴内轮的几何

转角应满足关系式（６）．随４ＷＳ研究的进一步深入，后轮辅助转向角随车速变化的需求，可通过电液调控前后转向梯形

底角，达到前后左右四轮转向圆中心始终汇聚同一点．本文对此调整理论不作更深入剖析．

ｂＬ

奄＆争礁

矿｝？气，／Ｍ———’Ｒ＜√心一

Ｒ４

０Ｏａ低速逆相位转向ｂ高速同相位转向Ａ一转向圆中心至前后内轮转向节连线距离（埘衄）；肛左右转向节距离（ｍｍ）；俨转向圆中心至前轴的距离（衄）；６一转向圆中心至后轴的距离（ｍｍ）；Ｋ一转向节至轮胎的距离（ｒａｍ）；Ｌ－－轴距（衄）；０一转向圆中心；尺一转向圆中心至车辆纵剖中心面的距离（神；Ｒ。一转向圆中心至前内轮的转向圆半径㈥；Ｒ厂转向圆中心至前外轮的转向圆半径（ｍ）；Ｒ广转向圆中心至后外轮的转向圆半径（ｍ）；Ｒ广转向圆中心至后内轮的转向圆半径（ｍ）；ｙ一转向时车辆速度（ｍ／ｓ）；ｙ广＿转向时前内轮速度（ｍ，ｓ）；ｙ广转向时前外轮速度（ｍ／ｓ）；ｙ广转向时后外轮速度（Ⅱ埘；ｎ一转向时后内轮速度（ｍ／ｓ）；占卜前内轮转向角（ｏ）；驴前外轮转向角（ｏ）；占面Ｉ＿后内轮转向角（ｏ）；６。广后外轮转向角（ｏ）；血卜－转向时的角速度㈣

图３４ＷＳ车辆转向的四轮模型

Ｆｉｇ．３Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｏｕｒｗｈｅｅｌｍｏｄｅｌｏｆ４ＷＳｖｅｈｉｃｌｅ

２．２４Ｗ￥转向时各车轮的速度分析

由式（３）可得：Ａ＝（Ｌ４－６）Ｘｃｏｔ‰，（同向取正，逆向取负）．由式（２）可得：Ｂ＝（Ｌ±６）×（ｃｏｔ‰一ｃｏｔ瓯），（同向取正，逆向取负）．

如图３所示，４ＷＳ车辆转向时，瞬时回转中心到车辆纵剖中心面的垂直半径Ｒ＝Ａ４－召／２＝（￡４－６）（ｃｏｔ硫４－ｃｏｔ６鼬）／２，（同向取正，逆向取负）；瞬时回转中心到车辆各轮的转向圆半径：Ｒ，＝

ａ／ｓｉｎ６ｆｍ—Ｋ，ｒ２＝ａ／ｓｉｎ氐Ⅲ＋Ｋ，Ｒ３＝６／ｓｉｎｋｔ＋Ｋ，Ｒ４＝ｂ／ｓｉｎ艿血一足

设车辆在如图３所示的等速直线行驶的时间段内，速度为ｙ，进入等速圆周行驶状态后，图３中

的０点为绝对速度为零的瞬时回转中心．将汽车作为一个刚体，由速度瞬心定理可知，此刚体上的所有点将绕Ｄ点转动【６】，其转动角速度∞＝Ｖ／Ｒ＝Ｋ肚。＝Ｋ／Ｒ２＝坞／Ｒ３＝Ｋ／心．

选定∞作为计算其他四轮绕０点转动的瞬变角速度，可得４ＷＳ车辆各轮绕Ｄ点转动的行驶速度分别为：

Ｋ＝（ｗｒ）ＸＲｌ＝（ＶＸ（ａ／ｓｉｎ瓯一Ｋ））／（（Ｌ４－６）（ＣＯｔｋ４－ｃｏｔ‰）／２），

Ｋ＝（ＷＲ）ＸＲ２＝（Ｖ×（ａ／ｓｉｎ占妇＋Ｋ））／（（￡４－６）（ｃｏｔ艿＿缸４－ｃｏｔ

６佃ｔ）／２），

万方数据第６期凌锡亮，等：全驱４ＷＳ汽车的转向特性分析・４５７・

玛＝（Ｖ／Ｒ）×Ｒ３＝（Ｖ×（ａ／ｓｉｎ艿，嘲＋Ｋ））／（（Ｌ４－ｂ）（ｃｏｔ６缸＋ｃｏｔ艿钿）／２），

Ｋ＝（Ｖ／Ｒ）×墨＝（Ｖ×（ａ／ｓｉｎ艿ｈ—Ｋ））／（（Ｌ４－ｂ）（ｃｏｔ６缸＋ｃｏｔ艿钿）／２）．

３结论

４ＷＳ汽车的转向特性分析表明，对后轮主动转向控制技术的研究是提高车辆转向性能的有效手

段．汽车低速行驶时，前、后轮的逆相位转向会减小转弯半径，使汽车的转弯半径变小，转向更加灵

活、轻便，增强了车辆转向运动的机动性能．汽车中、高速行驶时，前、后轮同相位转向，能增大转

弯半径，减小转向离心力，提高车辆高速转向时的安全可靠性．在满足转向平顺性要求下，对４ＷＳ车辆各轮转角关系、转速分配方案进行了推论，并给出４ＷＳ转向状态下各车轮转角、转向半径及轮

速的计算公式．

［参考文献】

［１］姜明国．阿克曼原理与矩形化转向梯形设计［Ｊ］．汽车技术，１９９４（５）：１６－１９．［２］司葵卯，叶敏，焦胜杰．四轮转向试验平台的运动学分析［Ｊ］．长安大学学报：自然科学版，２００８（１１）：９６－９９．Ｃ３］郭孔辉，轧浩．车辆四轮转向系统的控制方法［Ｊ］．吉林工业大学学报，１９９８，２８（４）：１．４．［４］张惠萍，杨志刚．电控电动式４ＷＳ系统在现代汽车中的应用［Ｊ］．重庆交通大学学报：自然科学版，２００８，２７（２）：３１０－３１２．【５］叶敏，曹秉刚，司葵卯．车辆四轮转向控制平台研究ｃＪ］．中国机械工程，２００７，１８（１３）：１６２５－１６２８．［６］ＳＰＥＮＴＺＡＳＫＮ，ＡＩＫＨＡｚＡｕＩ，ＤＥＭＩＫＭ．Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｏｆｆｏｕｒ—ｗｈｅｅｌ—ｓｔｅｅｒｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＦｏｒｓｃｈｕｎｇｉｍＩｎｇｅ－ｎｉｅｕｒｗｅｓｅｎ。２００１（６６）：２１１－２１６．

ＳｐｅｃｉａｌｉｔｙＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＦｏｕｒ－ｗｈｅｅｌＳｔｅｅｒｉｎｇ稍ｔｈＡｌｌＷｈｅｅｌＤｒｉｖｅＶｅｈｉｃｌｅｓ

ＬＩＮＧＸｉ—ｌｉａｎ９１，ＬＩＮＧＧ觚矿

（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥＩｌｇｉ鹏ｅｌｉ唱，ＪｉｍｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎ把ｎ３６１０２１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｘｉａｍｅｎｃｈ舳ｇｄ∞ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｌｅｃｔｒｉｃＡｐ业ａｎ倪ＬｉｍｉｔｅｄＣｏｍｐａｎｙ，Ｘｉａｍｅｌｌ３６００１６，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｉｔｙｏｆｆｏｕｒ—ｗｈｅｅｌｓｔｅｅｒｉｎｇｉｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｗｏ－ｗｈｅｅｌｓｔｅｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓｏｆｔｕｒｎｉｎｇｒａｄｉｕｓａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｏｒ４ＷＳｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｔｕｒｎｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｏｆ４ＷＳｖｅｈｉｃｌｅｓｔｅｅｒｉｎｇａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｓｐｅｅｄｒｅｌａｔｉｏｎｓｏｆａｌｌｗｈｅｅｌｓａｒｅｄｅｄｕｃｅｄｗｈｅｎｔｈｅ４ＷＳｖｅｈｉｃｌｅｓａｒｅｔｕｒｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅｌａｙｅｄａｆｏｕｎｄａｄｏｎｆｏｒ４ＷＳａｌｌｗｈｅｅｌｄｒｉｖｅｖｅｈｉｃｌｅ．