四輪轉向技術在牽引汽車中的應用

黨 濤

（威海廣泰空港設備股份有限公司，山東 威海 264200）

四輪轉向技術在牽引汽車中的應用

黨 濤

（威海廣泰空港設備股份有限公司，山東 威海 264200）

簡述車輛四輪轉向技術的應用，經過對機場牽引汽車四輪轉向系統的研究，提出一種新的控制方式，在隨動輪角度跟隨基礎上加入汽車行駛速度控制因子，既解決了車輛高速行駛的穩定性問題，也保證了車輛低速轉彎的靈活性。

四輪轉向；兩輪轉向；控制系統；程序；算法；機場車輛

CLC NO.:U463.4Document Code:BArticle ID:1671-7988(2014)11-78-03

1、四輪轉向技術簡介

隨著現代汽車技術的發展，人們對車輛的轉向操縱性能和行駛穩定性的要求日益提高，作為改善汽車操縱性能最有效的一種主動底盤控制技術，“四輪轉向”系統（Four - wheel Steering：4WS）出現在一些高級運動車型中。傳統的兩輪轉向車輛，前輪隨方向盤轉向偏轉，后輪保持行駛方向不隨方向盤的轉動偏轉；而在擁有四輪轉向系統的車輛中，不僅前輪隨著方向盤的轉動而偏轉，后輪也隨著車輛轉彎而轉動。例如寶馬5系Gran Turismo在后輪設計了獨立的拉桿與電機，轉彎并線時后輪會與前輪同向或反向轉動，使車身整體處在轉向的狀態下，提高行駛的穩定性與安全性；而Infiniti G37 Coupe所配置的4WAS四輪主動轉向系統，則是沿用自Nissan已發展多年的HICAS(High Capacity Actively Controlled Suspension)系統，并加以改善，其可使后輪擁有與前輪相同的轉向方向，雖然最大的傾角僅有1度，但其目的并非要藉由后輪的轉向大幅提升車輛轉向的快速反應，而是要提高車輛在高速切換車道的后輪穩定性，避免車輛后輪因慣性而向外滑出，提高車身行駛動線的穩定表現，達到操控上的安全。

2、兩輪轉向與四輪轉向的對比

兩輪轉向過程中，從方向盤轉動到后輪參與轉向運動之間存在一定的滯后時間，這使汽車轉向的隨動性變差，并使汽車的轉向半徑增大；另外車輛高速轉向時前輪產生側偏角α，并產生旋轉向心力使車體開始自轉，當車體出現自轉時，后輪產生側偏角β，和旋轉向心力，車速越高，離心力越大，所以必須給前輪更大的側偏角，使它產生更大的旋轉向心力，與此同時，后輪也產生與此相應的側偏角，車體的自轉趨勢更加嚴重。也就是說，車速越高，轉向時容易引起車輛的旋轉和側滑。如上圖所示。

在四輪轉向車輛進行轉向時，前輪和后輪共同完成轉向動作，低速時后輪可以與前輪做反向轉動，獲得較小的轉向半徑，而高速轉向時，后輪與前輪做同向轉動，減小汽車的橫擺運動，提高車道變更和曲線行駛的操縱穩定性。上圖是四輪轉向與兩輪轉向的比較

3、機場車輛中四輪轉向方式的實現與特點

目前，機場牽引汽車已普遍使用四輪轉向方式，基本原理是對前輪及后輪轉向角進行檢測，并跟據角度差值調整跟隨輪的轉向角，以實現同向跟隨，或反向跟隨。在車輛的駕駛室儀表板設有“兩輪轉向”，“四輪轉向”，“蟹行轉向”三種轉向模式?！皟奢嗈D向”模式即傳統意義上的轉向，后輪不隨動；“四輪轉向”是指當前輪隨方向盤發生偏轉時，后輪作反方向偏轉；“蟹行轉向”是指當前輪隨方向盤發生偏轉時，后輪作同方向偏轉。上述控制方式由于僅采用角度監測技術，只能根據前后輪的角度差別調整車輛的轉向姿態，無法根據車輛速度的不同對車輛轉向姿態進行準確的監測及調整，導致車輛高速轉向時易出現甩尾，轉向過度而難以控制。由于存在上述不足，車輛使用時對操作者要求較高，若操作不當高速四輪轉向時容易出現車輛失穩。

3.1 電氣系統硬件組成

為克服現有車輛的轉向缺陷，筆者提出了一種新的四輪轉向穩定系統用于飛機牽引汽車的四輪轉向控制。該方案內容如下：車輛的前后輪安裝角度傳感器，用于檢測前后輪的絕對角度和轉向偏差，通過CAN總線技術實時采樣車輛行駛速度，將上述信號接入車載控制單元中。在電子控制單元中對采集到的信號進行整定，值域限制，結合轉向角模糊控制算法自動輸出最佳PWM信號控制轉向液缸，從而控制隨動輪的轉向角度。按技術方案設計的原理圖如下：其中S3為選擇開關，B13.B14為角度傳感器，A11為車載PLC,A12為變速箱控制單元，Y5，Y6為隨動輪控制電磁閥，H12為報警器 。

當S3撥至“兩輪轉向”模式時，四輪轉向穩定系統并不投入工作，只有當S3撥至“四輪轉向”或“蟹行轉向”時，轉向穩定系統才投入工作。B13.B14裝在前后輪轉向支架上，對前輪，后輪轉向角度進行實施檢測，并將角度的變化轉化為電信號輸入至車載控制器A11中進行處理，A11為帶有CAN通信口的車載PLC,通過CAN通信口A11可以接受來自變速箱控制器A12的車速信號，目前變速箱一般會將輸出軸轉速按J1939通訊格式輸出，A11將此信號通過簡單的變換就可以得到實時車速信號，Y5，Y6為隨動輪控制電磁閥，不同的PWM輸出可以控制其開口的大小，從而達到控制隨動輪轉動速度和角度的控制目的。當系統出現故障時，H12輸出報警，提示操作人員進行停車檢查或恢復“兩輪轉向”模式。

3.2 軟件編程

有了以上的硬件基礎，我們就可以在車載PLC A11中編程來實現對汽車的轉向控制。

四輪轉向并非一個復雜的概念，困難的是有效地貫徹這個概念，從而在汽車的轉向控制中獲得良好的結果。目前常用的四輪轉向控制方法有：1.固定前后輪轉向比的4WS系統；2.前后輪轉向比是前輪轉角函數4WS系統；3.前后輪轉向比是車速函數的4WS系統等。常用的算法有角度PID,逐次逼近算法等。上述控制策略與算法都是針對不同的車型及車輛工作狀態做出的不同選擇。針對飛機牽引車來說，其主要在機場機坪內活動，當其在頂推牽引飛機時車速很低，當其完成作業后回車庫或待機工位時才會用到高一些的車速，又因為各個機場的要求不同，車輛的最高時速限制在28--32公里范圍內，所以在設計程序時，必須充分保證車輛在低速狀態下的轉彎半徑，以及在高速行駛時的穩定性，只不過牽引車的高速相對于一般道路車輛的速度低很多而已。另外在車輛行駛過程中，傳感器的意外損壞必須考慮有相應的補救措施，否則極易產生隨動輪轉向過度，

或轉向不足等故障，因此在程序的設計中包含對傳感器狀態的判定以及轉向角度的限制，如果發生異?，F象，立即通過報警器報警，并轉換至“兩輪”轉向模式。在牽引汽車的程序設計中，將前輪的轉向角作為后輪的跟蹤目標，采用模糊算法進行跟蹤，并將實時車速作為是否實施穩定算法的判據，當車速達到程序設定的限定值時，車速信號作為一個算法因子加入到對后輪轉向角的控制，這樣就既保證了低速車輛的轉彎半徑，也保證高速行車的穩定性，下圖是牽引汽車的四輪控制的部分程序框圖，該程序經過在國內外各機場的實際使用，表現穩定。

Four-wheel steering technology in the towing vehicle

Dang Tao
（Weihai Guangtai Airport Equipment Co., Ltd., Shandong Weihai 264200）

Brief four-wheel steering vehicle application technology, through the study of the airport towing vehicle wheel steering system, a new control method, the follower wheel angle to follow the vehicle speed control factor added on the basis of not only solve the high-speed driving stability problems, but also to ensure that the vehicle's low-speed cornering agility.

Four-wheel steering；Two steering；Control Systems；Program；Algorithms；Airport vehicles

U463.4

B

1671-7988(2014)11-78-03

黨濤，就職于威海廣泰空港設備股份有限公司。